地基氣象雷達(dá)同頻干擾信號(hào)產(chǎn)生與回波特征分析

舒 毅，王聰曉，陳 賽，張福貴

(1.成都信息工程大學(xué)，成都 610225；2.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081；3.福建省泉州市氣象局，泉州 362000；4.福建省晉江市氣象局，晉江 362200；5.廈門市氣象局氣象臺(tái)，廈門 361000)

0 引言

地基氣象雷達(dá)是氣象觀測(cè)降水的現(xiàn)代化手段，隨著地基氣象雷達(dá)布局規(guī)劃數(shù)目增加，電磁干擾現(xiàn)象也越來越頻繁，其影響雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量明顯[1-23]。根據(jù)中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心對(duì)全國(guó)地基氣象雷達(dá)電磁干擾現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)：2018年7月全網(wǎng)運(yùn)行的地基氣象雷達(dá)在上傳至國(guó)家級(jí)的基數(shù)據(jù)中，電磁干擾現(xiàn)象導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)質(zhì)量問題的雷達(dá)有21部，累積總頻次為9219次，占當(dāng)月全部數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的96.59%；2019年1月全網(wǎng)運(yùn)行的地基氣象雷達(dá)在上傳至國(guó)家級(jí)的基數(shù)據(jù)中，因電磁干擾現(xiàn)象出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的雷達(dá)有16部，累計(jì)總頻次為6544次，占當(dāng)月全部數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的96.98%。由此可見，電磁干擾現(xiàn)象影響地基氣象雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。

雖然地基氣象雷達(dá)為脈沖多普勒體制雷達(dá)，具有很強(qiáng)的反雜波能力，但脈沖多普勒體制地基氣象雷達(dá)遭受到同頻干擾時(shí)，干擾信號(hào)經(jīng)多普勒處理后會(huì)平均到每個(gè)多普勒通道，通常表現(xiàn)為多普勒通道噪聲基底電平的提升[24]。文章針對(duì)多普勒體制采用脈沖壓縮技術(shù)的地基氣象雷達(dá)之間的同頻干擾問題，與地基氣象雷達(dá)同頻干擾產(chǎn)生的雷達(dá)干擾回波一一對(duì)應(yīng)，重點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行中的地基氣象雷達(dá)頻繁出現(xiàn)的同頻同步干擾現(xiàn)象和同頻異步干擾現(xiàn)象這兩種情況以及同頻干擾雷達(dá)回波特征進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析。

1 地基氣象雷達(dá)同頻干擾產(chǎn)生

地基氣象雷達(dá)之間的同頻干擾現(xiàn)象本質(zhì)上屬于大氣環(huán)境電磁內(nèi)部的兼容性問題，由于地基氣象雷達(dá)的極化方式相同、發(fā)射信號(hào)相關(guān)參數(shù)相近或者發(fā)射信號(hào)頻率相近，尤其是相距較近的兩部雷達(dá)同時(shí)開機(jī)工作時(shí)，由于同頻雷達(dá)干擾信號(hào)為定量確定信號(hào)，非隨機(jī)量，雷達(dá)天線主副瓣均可正常接收，由此在氣象雷達(dá)之間會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的電磁干擾現(xiàn)象；進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的干擾信號(hào)一是直接來源于干擾雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，二是來源于干擾雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)通過目標(biāo)物、地物等的反射信號(hào)[25]。

假定現(xiàn)有部署的兩部地基氣象雷達(dá)發(fā)生同頻干擾，地基氣象雷達(dá)B的發(fā)射信號(hào)傳輸?shù)降鼗鶜庀罄走_(dá)A并被接收，地基氣象雷達(dá)A為被干擾雷達(dá)，地基氣象雷達(dá)B為干擾雷達(dá)，信號(hào)發(fā)射饋源相對(duì)距離為R0，A、B兩部地基氣象雷達(dá)彼此獨(dú)立工作。

設(shè)定地基氣象雷達(dá)A發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度為τ1，脈沖重復(fù)頻率為APRF；地基氣象雷達(dá)B發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度為τ2，脈沖重復(fù)頻率為BPRF，則兩部地基氣象雷達(dá)發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔為Δti，i=0，1，2，3，…，它可以為一個(gè)恒定值保持不變或者為一個(gè)變化值(不斷變大或者不斷變小)。

同一類型的多部地基氣象雷達(dá)基本干擾屬性是同頻的、單向的、高功率的且多方位的干擾，尤其是在近距離上有主瓣和副瓣干擾同時(shí)存在的可能。假定出現(xiàn)干擾的A、B兩部地基氣象雷達(dá)頻率相同，理論上可以用二次雷達(dá)方程進(jìn)行分析：

(1)

式中，Pr為被干擾地基氣象雷達(dá)A接收到的理論干擾信號(hào)功率；Gr為被干擾地基氣象雷達(dá)A的天線增益；Pt為干擾地基氣象雷達(dá)B的發(fā)射功率；Gt為干擾地基氣象雷達(dá)B的天線增益；R0為A、B兩部地基氣象雷達(dá)之間的相對(duì)距離；Lp為大氣吸收損耗；La為極化損耗；Lt為饋線傳輸損耗。

但實(shí)際上，在同型的兩部或多部地基氣象雷達(dá)之間不存在使用發(fā)射中心頻率完全相同的情況，所以必然存在一定的中心頻率偏移，即被干擾地基氣象雷達(dá)A接收到的實(shí)際干擾信號(hào)功率Pr實(shí)小于或者等于理論干擾信號(hào)功率Pr，當(dāng)且僅當(dāng)遭受到外部非同型雷達(dá)的同一頻點(diǎn)信號(hào)干擾時(shí)存在取等號(hào)的可能，即公式(2)：

Pr實(shí)≤Pr

(2)

同時(shí)干擾信號(hào)功率必須不小于被干擾地基氣象雷達(dá)A接收系統(tǒng)的靈敏度功率Pr靈敏度，干擾信號(hào)才能被地基氣象雷達(dá)A的接收系統(tǒng)完全接收，從而產(chǎn)生同頻干擾現(xiàn)象，即公式(3)：

Pr靈敏度≤Pr實(shí)

(3)

綜合式(1)、(2)、(3)，可以得到地基氣象雷達(dá)產(chǎn)生同頻干擾現(xiàn)象的干擾信號(hào)功率計(jì)算公式及其范圍，見公式(4)：

(4)

2 同頻異步干擾脈沖信號(hào)與回波特征

2.1 同頻異步干擾脈沖信號(hào)

根據(jù)A、B兩部地基氣象雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率PRF之間的差異，同頻干擾現(xiàn)象被分為同頻異步干擾現(xiàn)象和同頻同步干擾現(xiàn)象[26]。當(dāng)A、B兩部地基氣象雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率PRF不同(即APRF≠BPRF)、相互不為整數(shù)倍關(guān)系或者處于脈沖重復(fù)頻率PRF參差狀態(tài)時(shí)，同頻干擾信號(hào)表現(xiàn)為異步干擾，又稱為同頻異步干擾現(xiàn)象[27，28]。尤其是多部地基氣象雷達(dá)同時(shí)開機(jī)工作時(shí)，異步干擾現(xiàn)象最為容易產(chǎn)生，也最為常見。A、B兩部地基氣象雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率間的差異Δtp=|1/BPRF-1/APRF|，則兩部地基氣象雷達(dá)發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔為變化值Δti=Δt0+i×Δtp(Δti<1/APRF，i=0，1，2，3…)；那么地基氣象雷達(dá)B對(duì)地基氣象雷達(dá)A造成的干擾信號(hào)在地基氣象雷達(dá)A的雷達(dá)回波中的相對(duì)位置也是一個(gè)不斷變化的值，圖1為異步干擾脈沖信號(hào)半徑示意圖，圖中黑色脈沖即為產(chǎn)生的干擾脈沖信號(hào)，干擾脈沖信號(hào)的半徑ΔRi=C×Δti+R0，式中，C為光速，R0為A、B兩部地基氣象雷達(dá)的饋源相對(duì)距離；因?yàn)椴煌走_(dá)脈沖重復(fù)周期之間存在的微小差別，所以Δti會(huì)隨時(shí)間緩慢變化(變大或變小)，從而使干擾信號(hào)的半徑ΔRi相應(yīng)出現(xiàn)變化，即ΔRi隨時(shí)間緩慢增大或減小。

圖1 異步干擾脈沖信號(hào)半徑示意圖

2.2 異步干擾信號(hào)與回波特征

地基氣象雷達(dá)產(chǎn)生的同頻異步干擾脈沖信號(hào)最終體現(xiàn)在被干擾地基氣象雷達(dá)A生成的回波產(chǎn)品圖像中，干擾信號(hào)回波呈現(xiàn)螺旋狀(順時(shí)針或者逆時(shí)針、發(fā)散或者吸收)。由于干擾信號(hào)的脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率PRF都不同，干擾信號(hào)的線寬、線距也不相同；特別是在干擾源距離近、發(fā)射功率強(qiáng)、天線方向正對(duì)條件下，同頻異步干擾現(xiàn)象表現(xiàn)得最為嚴(yán)重，被干擾雷達(dá)A生成干擾信號(hào)回波，圖2為地基氣象雷達(dá)同頻異步干擾信號(hào)回波，其特征如下：

1)異步干擾脈沖信號(hào)在徑向上為1個(gè)方位單元；

2)異步干擾脈沖信號(hào)在徑向上的大小Ai=C×τ2；

3)相鄰異步干擾脈沖信號(hào)之間距離間隔為ΔRP=C×Δtp；

4)因?yàn)椴煌鼗鶜庀罄走_(dá)之間的脈沖重復(fù)周期存在微小差別，隨時(shí)間緩慢變大或變小，故干擾半徑ΔRi也會(huì)相應(yīng)增大或減小，干擾信號(hào)在被干擾地基氣象雷達(dá)A中產(chǎn)生的雷達(dá)回波圖表現(xiàn)為螺旋狀發(fā)散曲線，呈現(xiàn)順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖2(a)、(c)所示；

圖2 地基氣象雷達(dá)同頻異步干擾信號(hào)回波(a)同頻異步干擾(順時(shí)針)；(b)同頻異步干擾信號(hào)(逆時(shí)針)；(c)實(shí)際異步干擾信號(hào)回波(順時(shí)針)；(d)實(shí)際異步干擾信號(hào)回波(逆時(shí)針)

5)當(dāng)被干擾雷達(dá)A的APRF相比干擾雷達(dá)B的BPRF越大，異步干擾脈沖信號(hào)之間的間隔就越大，在地基氣象雷達(dá)A產(chǎn)生的回波圖表現(xiàn)為干擾信號(hào)回波越來越稀疏，如圖2(b)、(d)所示。

3 同頻同步干擾脈沖信號(hào)與回波特征

3.1 同頻同步干擾脈沖信號(hào)

當(dāng)A、B兩部地基氣象雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率相同(即APRF=BPRF時(shí))或者脈沖重復(fù)頻率之間成整數(shù)倍關(guān)系(APRF=N×BPRF或者BPRF=N×APRF)時(shí)，同頻干擾信號(hào)表現(xiàn)為同步干擾，即為同頻同步干擾現(xiàn)象。根據(jù)A、B兩部地基氣象雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率PRF之間的關(guān)系，若兩部地基氣象雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率相同即APRF=BPRF或者被干擾地基氣象雷達(dá)A的脈沖重復(fù)頻率為干擾地基氣象雷達(dá)B的脈沖重復(fù)頻率的N倍時(shí)，即APRF=N×BPRF時(shí)，Δtp=0，則兩雷達(dá)發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔為恒定值Δt0，同步干擾脈沖信號(hào)在被干擾A雷達(dá)中的徑向位置也是恒定值，圖3(a)為同步干擾脈沖信號(hào)半徑示意圖，黑色脈沖即為同步干擾脈沖信號(hào)，干擾脈沖信號(hào)在徑向上的位置為ΔR=C×Δt0+R0，式中ΔR稱為干擾半徑，R0為兩部地基氣象雷達(dá)位置的相對(duì)距離；若干擾地基氣象雷達(dá)B的脈沖重復(fù)頻率為被干擾地基氣象雷達(dá)A的脈沖重復(fù)頻率的N倍時(shí)，即BPRF=N×APRF時(shí)，干擾脈沖信號(hào)的半徑ΔRi=C×Δti+R0，式中R0為兩部地基氣象雷達(dá)的相對(duì)距離，圖3(b)為同頻同步干擾脈沖信號(hào)半徑示意圖，灰色脈沖即為同步干擾脈沖信號(hào)。由于不同雷達(dá)重復(fù)周期間的微小差異，Δti會(huì)隨時(shí)間緩慢變大或變小，從而使得同步干擾脈沖信號(hào)的半徑ΔR和ΔRi相應(yīng)的增大或減小。

圖3 同頻同步干擾脈沖信號(hào)半徑示意圖

3.2 同步干擾信號(hào)與回波特征

同頻同干擾脈沖信號(hào)具有以下5種特征，圖4為地基氣象雷達(dá)同頻同步干擾信號(hào)回波。

1)同步干擾脈沖信號(hào)在方位上間隔N-1個(gè)單元；

2)同步干擾脈沖信號(hào)在徑向距離上的大小為R0=C×τ2；

3)當(dāng)APRF=BPRF時(shí)，干擾脈沖信號(hào)在徑向中的相對(duì)位置為恒定值，干擾信號(hào)回波在地基氣象雷達(dá)A產(chǎn)生的回波圖中呈現(xiàn)環(huán)狀實(shí)線，如圖4(a)所示；

4)當(dāng)APRF=N×BPRF時(shí)，干擾脈沖信號(hào)在徑向中的相對(duì)位置為恒定值，干擾脈沖信號(hào)在徑向距離上的大小為A0=C×τ2，干擾信號(hào)回波在地基氣象雷達(dá)A產(chǎn)生的回波中呈現(xiàn)環(huán)狀虛線，如圖4(b)；

5)當(dāng)BPRF=N×APRF時(shí)，干擾脈沖信號(hào)在徑向上的大小為A0=C×τ2，干擾脈沖信號(hào)在徑向中的相對(duì)位置隨時(shí)間緩慢變大或者變小，干擾信號(hào)回波在地基氣象雷達(dá)A產(chǎn)生的回波呈現(xiàn)為多個(gè)同心環(huán)狀實(shí)線，如圖4(c)所示。

圖4 地基氣象雷達(dá)同頻同步干擾信號(hào)回波

4 結(jié)束語

文章在理論上使用二次雷達(dá)方程公式進(jìn)行分析，推導(dǎo)了地基氣象雷達(dá)產(chǎn)生同頻干擾現(xiàn)象的干擾信號(hào)功率計(jì)算公式及其范圍，并以兩部地基氣象雷達(dá)出現(xiàn)同頻干擾現(xiàn)象為基礎(chǔ)，與實(shí)例相結(jié)合分析了地基氣象雷達(dá)同頻異步干擾和同頻同步干擾的機(jī)制及其干擾信號(hào)與干擾回波的特征。當(dāng)然，若存在多部干擾雷達(dá)，那么被干擾地基氣象雷達(dá)A遭受的同頻干擾脈沖信號(hào)將是多部干擾雷達(dá)的干擾信號(hào)相疊加。