全固態發射機性能指標對氣象雷達探測性能影響的探究

傅龍臻,齊 濤

(1.成都遠望探測技術有限公司,成都 618000;2.中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

0 引言

隨著氣象預報業務精細化進程的推進,氣象預報預警的時效和空間精細化程度的要求較以往有了進一步提高。目前,中國天氣雷達探測布網主要依賴于真空管體制的S波段、C波段新一代天氣雷達,這種體制的天氣雷達發射機由于采用大功率射頻放大管,通?？梢缘玫綌蛋偾呒壏逯倒β是蚁鄬Ψ€定的電磁波,但同時因其工作電壓高使得這種體制的發射機不易維護[1-3]。通常情況下兩部相鄰的大功率真空管體制雷達相距較遠,在非平原地區容易產生探測盲區,造成預報預警的精細化程度不高和時間效率不足[4-6]。因此,為解決現有新一代天氣雷達組網的空間和時間問題,提升氣象雷達在精細化預報預警中的作用和價值,全固態發射機體制的氣象雷達開始逐漸被氣象觀測系統采用[7-8]。

新一代多普勒天氣雷達標定技術中引入了syscal的概念。周紅根等[9]從技術體制上詳細介紹了這種標定技術;秦建峰等[10]詳細描述了這種技術的原理、實現方法和應用實例;柴秀梅等[11]詳細介紹了新一代天氣雷達中針對發射功率變化進行的反射率因子強度修正;程寶山等[12-13]在研究中都作了改善發射機頻譜特性的分析。全固態發射機系統內部通過調整脈沖信號調制時序和增加窄帶濾波器的方式,增加其余頻譜分量的抑制度。

文章將從雷達發射機峰值功率、雷達發射信號頻譜特性及極限改善因子3個方面對氣象雷達探測效果的影響進行探究。

1 發射機性能指標對雷達探測性能的影響

1.1 峰值功率對雷達探測性能的影響

氣象雷達探測性能主要體現在探測距離和探測目標的反射率因子上,雷達方程如式(1)所示:

(1)

式中,Rmax為最大探測距離;Pt為發射峰值功率;λ為雷達工作波長;G為天線增益;θ為水平波束寬度;σ為目標后向散射截面積;Pmin為雷達最小可探測功率。由此可知,氣象雷達探測性能針對雷達本身而言,發射峰值功率Pt與Rmax成正比關系,在其余雷達參數不變的前提下,雷達的發射功率越強,對相同目標的有效探測距離越遠。

氣象雷達反射率因子計算公式如式(2):

(2)

式中,φ為垂直波束寬度;τ為發射信號脈寬;Pr為發射峰值功率;Lat為大氣衰減率。

由式(2)可知,發射峰值功率也是計算雷達回波反射率因子的重要參數。因此,發射峰值功率將決定雷達的實際探測性能。

式(2)可引入C值,即雷達常數,則有式(3):

(3)

由式(3)可知,雷達常數不僅與雷達發射峰值功率Pt有關,還與雷達工作波長、發射信號脈寬、水平波束寬度、垂直波束寬度和天線增益密切相關。

將式(3)代入式(2),得到式(4):

10lgZ=C+Pr+20lgR+R·Lat

(4)

由式(3)可知,當其他參數不變,Pt降低到原來的50%,則雷達常數C為:

(5)

將式(5)代入式(4)可知,當發射功率降低至原來的50%時,接收機接收到對應距離相等功率的回波信號強度時,將會因雷達常數C比正確值偏大造成計算出來的回波強度偏強3 dB,造成雷達反射率因子強度偏差,雷達針對弱回波的探測能力也會因反射率偏強而變弱,能夠探測到的天氣過程邊緣弱回波將會變少,造成無法準確測量天氣過程邊緣弱回波區。

1.2 頻譜特性對雷達探測性能的影響

不同頻譜分量的信號功率會影響輻射信號的能量分散度。時域信號的功率為頻域上不同頻率分量上信號的功率積分,即載波中心頻率以外的頻率分量功率抑制度越高,中心頻率功率越強,中心頻率輻射能量也越大,帶內有效信號信噪比越強。同時,雷達發射信號占用帶寬越窄,對周邊其他電子設備的干擾也越小。

雷達接收到回波頻譜寬度與發射頻譜寬度相關,發射頻譜寬度越窄,中心頻率以外的譜能量抑制度越高,接收信號帶寬內回波信號信噪比也就越高。

由于頻譜展寬是由脈沖調制引起的,具體到時域信號上為脈沖信號上、下邊沿處載波信號頻率與脈沖中間部分載波信號頻率不同,脈沖邊沿的載波信號譜線分布在中心頻率兩側邊帶,這部分脈沖邊沿信號在實際探測到的回波中處于邊沿,當探測天氣系統邊沿弱回波時,這部分信號頻譜分散,相位噪聲性能較差,地物雜波抑制效果也相對較差,容易在回波邊沿出現雜點。

1.3 極限改善因子對雷達探測性能的影響

雷達系統信號極限改善因子分為2種測試方法。2種方法的不同點在于,頻譜儀測試的是發射機發射信號,通過設置合適的分析帶寬和顯示帶寬,掃描得出信號的信噪比;而系統信號單庫進行FFT估算得到的系統極限改善因子是通過雷達信號處理系統得到多個連續PRT固定位置的信號,對這些信號進行FFT處理得出信號的信噪比。兩種測試方法都是通過得到頻域信噪比進行反演,但得到的結果是不同的。結合全固態雷達信號流程原理可知,發射機射頻信號是由信號處理器產生的中頻激勵信號與頻率源輸出的本振信號上變頻輸出的,輸入信號處理器的中頻信號則是由射頻信號與同一個本振信號下變頻輸出的。因此,若頻率源輸出的本振信號頻率出現抖動或出現較大幅度的雜散信號,則發射機輸出的射頻信號也會隨之抖動和產生雜散。同樣,本振信號的抖動和雜散也會造成中頻信號的抖動和雜散,進而影響信號的相位噪聲和地物雜波抑制能力。發射信號上變頻流程示意如圖1所示。

圖1 發射信號上變頻流程示意圖

信號處理器針對發射機輸出耦合信號的采樣經過FFT計算后,系統極限改善因子考慮了全信號流程,不僅包含雷達發射機上變頻信號特征,同時包含了雷達接收機下變頻流程帶來的信號特征變化,接收信號下變頻流程示意如圖2所示。發射機輸出耦合信號經過延時線進行延時后輸入接收機,可以近似模擬雷達回波信號,接收機將信號進行下變頻后,輸入信號處理器進行A/D采樣和FFT計算,得到信號對應單庫的頻域信噪比,再估算極限改善因子。此時,頻率源本振信號質量變差或通道內器件性能變差都可能造成估算出的系統極限改善因子惡化。

圖2 接收信號下變頻流程示意圖

在2種極限改善因子計算方法中,通過發射機輸出耦合信號進行單庫FFT估算的系統極限改善因子更接近雷達真實工作狀態。這項指標將直接反映對應測試雷達信號的相位噪聲,從而影響雷達系統的地物雜波抑制能力。相位噪聲越小,地物雜波抑制能力越強。

2 發射機性能指標標定測試與反饋

2.1 發射機峰值功率標定與反饋

目前,針對發射機峰值功率的標定方法主要有機外峰值功率計測試和機內發射耦合信號檢波2種。

機外峰值功率計測試較為準確,但依賴于測試儀表。由于收發箱上掛至伺服轉臺,實際探測工作中,發射機跟隨伺服轉臺一起轉動,無法完成測試。因此這種方式不適用于雷達探測過程中的實時標定和動態修正。

為解決此問題,氣象雷達在收發系統中集成了峰值功率檢波的功能。發射機峰值功率標定測試流程如圖3所示。

圖3 發射機峰值功率標定測試

由發射機末級輸出端發射耦合信號,輸入機內功率監視模塊,將采樣出來的數字信號上報至信號處理器,由信號處理器轉發至雷達控制終端進行監控顯示。采樣原理如圖4所示。

圖4 采樣原理示意圖

射頻脈沖信號檢波基本原理如圖5所示,通過選取合適的電阻和電容,在射頻信號正半周期內二極管導通電路正常輸出電壓并為電容充電,負半周期內二極管截止,電容放電,維持檢波電壓輸出,每個脈沖周期重復此過程,即可完成射頻信號脈沖包絡檢波。

圖5 射頻脈沖信號檢波基本原理圖

實際工程中,往往視實際情況增加一些外圍電路來改善充放電時間、輸出電壓紋波、阻抗匹配等。

由于發射功率的變化會對雷達反射率因子的計算產生直接影響,進而影響雷達探測效果,因此穩定地標定和動態修正發射機峰值功率將有效提升雷達探測數據可用性。通過對發射機峰值功率進行標定,雷達終端可實時得到發射機的實際發射峰值功率,將此實時發射峰值功率帶入氣象雷達方程,即可得到相對準確的實時雷達回波強度。

除此之外,參考新一代多普勒天氣雷達的自動標定技術,全固態雷達引入這種標定技術可以改善發射功率檢波不穩定帶來的標定補償誤差。由式(4)和式(5)可知,發射功率的波動將主要影響C值的波動,因此動態修正C值將能夠達到修正雷達回波強度的目的。

基于新一代多普勒天氣雷達標定技術,全固態氣象雷達也引入了syscal修正值的概念。通過將發射機末級輸出的耦合信號輸入接收機,完成強度定標測試,得到syscal修正值。

由于全固態氣象雷達可采用3種及以上脈沖組合發射,回波處理時多種脈沖也將分別進行數字信號處理,從式(3)可知,脈寬τ也會影響C值。因此,將對3種脈沖分別進行標定,不同信號脈沖得到不同的syscal修正值,對應修正不同的脈沖探測結果。

在接收機增益不變的情況下,syscal修正值的變化理論上只受發射機峰值功率的變化影響,因此這種標定方法可以對發射功率變化引起的回波強度變化進行有效的補償。當發射功率下降時,信號處理器接收到的信號強度將變弱,為保證回波強度一致,系統將標定syscal修正值升高。

2.2 發射信號頻譜寬度測試與改善

脈沖激勵信號中心頻率譜線功率已經使發射機達到飽和,而中心頻率譜線兩邊的頻譜分量功率仍有部分處于未飽和段,中心頻率譜線功率放大增益往往低于兩邊譜線的放大增益,經發射機放大后,會帶來中心頻率兩邊其他頻譜分量抑制度的下降,并最終表現為發射機輸出信號的頻譜展寬惡化?；谶@一特性,發射機輸出信號的頻譜展寬將會寬于脈沖激勵信號的頻譜展寬。

雷達發射鏈路通常選擇在中頻激勵信號輸出處增加頻率選擇裝置來使發射輸出頻譜寬度得到大幅改善。

2.3 發射信號極限改善因子測試與改善

首先求得發射機中心頻率功率和1/2重復頻率處功率的差值,即發射機信號信噪比,再由該信號信噪比和脈沖重復頻率、信號測試分析帶寬計算得到發射機輸出信號極限改善因子。

由測試原理可知,發射機輸出信號極限改善因子的影響變量主要是信號的信噪比,因此提升信噪比是改善發射機輸出信號極限改善因子的有效途徑。如果信號頻率不穩定,經過一段時間的平均或者累積后,信號功率譜功率將會降低,造成信噪比偏低[14-15]。

在雷達系統中,針對單庫信號的FFT頻域轉換估算信噪比和極限改善因子是更接近雷達實際工作的檢驗方法。該方法不僅有表征全鏈路射頻型號特性的信號樣本,而且處理方式相比頻譜儀還更加接近雷達探測工作中對回波信號的處理方式。圖6給出了氣象雷達系統單庫FFT估算極限改善因子測試結果樣例。

圖6 單庫FFT測試結果

經章節1.3分析可知,頻率源輸出本振信號質量將是影響系統極限改善因子的核心因素,頻率源本振信號相位噪聲指標和頻率穩定度越好,雷達系統信號相干性也越好。

3 結束語

文章討論了影響雷達探測性能的發射機指標。其中頻譜寬度和極限改善因子是信號頻譜分量和頻率穩定度的主要表達方式,影響雷達電磁輻射帶寬、測速和地物雜波抑制等能力,暫時還不能通過機內標定進行修正反饋。目前,發射機的發射峰值功率是對氣象探測性能影響最大的指標。

文章介紹的2種發射功率標定方法都能夠完成自動標定修正,但2種修正方式都有各自的缺點。峰值功率檢波的修正方式對功率檢波的穩定性和可靠性有較高要求,檢波器和放大器都對溫度的變化較為敏感,容易造成功率檢波的不準確,因此這種修正方法存在較大的局限性和不可控性。而發射機輸出耦合信號標定syscal修正值的方式存在不能實時取樣標定的局限性,這種方法存在一定的標定周期。在雷達正常探測期間無法切換到標定單元進行標定測試,因此只能在探測周期間隙進行syscal標定測試,每次標定結束后得到的syscal修正值將代入下一次回波強度計算。

要解決發射功率變化帶來的雷達回波強度誤差,需結合2種標定方式。將發射功率檢波得到的峰值功率代入式(3),得出雷達常數C,雷達發射機輸出耦合信號標定再以C為基礎,標定syscal修正值,進行回波強度補償。