一种利用电磁兼容技术提高风廓线雷达探测能力的方法

吴维 段士军 王亚东

（北京敏视达雷达有限公司，北京 100094）

0 引言

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备。风廓线雷达的回波信号具有微弱、有明显起伏涨落和伴有杂波等特点[1]。实际应用中，风廓线雷达经常会遇到干扰信号，较强的干扰信号会“遮盖”目标信号，令接收机饱和从而无法获取目标信息或者令设备难以得到准确、稳定的真实信号。此外，风廓线雷达回波信号在系统内部传输也会受到噪声的污染。如何能抑制干扰，降低噪声，是风廓线雷达生产研发工作中，极其重要的工作。

基于现有风廓线雷达设备及技术储备，利用电磁兼容技术来改造风廓线雷达系统，是抑制干扰、降低噪声的一个途径，也是提高风廓线雷达探测能力的一种成本低、见效快的方案。

1 电磁兼容技术简介

所谓“电磁兼容”（EMC），是指电子、电气设备或系统不会因它的内部或外部存在的电磁干扰而影响其正常工作的一种状态，这种状态也称为相互共存[2]。从EMC的含义可以看出，电磁兼容性概念比过去的抗干扰概念提高了一步，它不仅要求通信或电子设备（系统）能抵御外来干扰，还要求它自身不产生超过允许值的干扰。电磁兼容技术就是为实现电磁兼容而采用的技术和方案。

和电磁兼容相关联的另一个概念是电磁干扰（EMI），它指的是可能对有用信号造成损害的无用信号或电磁噪声。这里电磁噪声指的是一种电磁现象，可以是脉动和随机的，也可以是周期的[3]。一般来说，电磁噪声是难以消除的，只有设法降低噪声强度，使其达不到干扰的程度。

所有电磁兼容技术都具有下列特点：抑制电磁干扰源、切断电磁干扰的传输和耦合途径、降低电磁敏感装置的敏感性[4]。经常采用的方案诸如选择抑制电磁干扰的电路，实施正确的接地、屏蔽、滤波、布线，以及采用合适的工作状态等。

2 风廓线雷达目前已经采取的电磁兼容措施

以TWP3型风廓线雷达为例，在系统设计时已经考虑了电磁兼容的需要，采取了很多措施。

1）雷达室外部分，包含天线、功分器以及馈电网络。通过在天线周围采用金属电磁屏蔽网，有效降低了地物杂波等对设备的影响。通过采用低驻波系数的功分器和射频电缆，实现了较好的射频匹配，降低了信号的反射功率，降低了信号在传输中的损耗。

2）雷达室内部分，包含发射机、接收机、综合电源和控制系统等。根据功能分类，把各个功能单元分别集成在各自的金属箱体中，相当于将各个功能单元进行电磁屏蔽，降低雷达自身电磁干扰。另外，对于比较敏感的频率源和接收通道，都单独设计了结构复杂的盒体进行屏蔽。机柜内部射频信号均采用高屏蔽性能的半钢电缆进行传输，其他电源和控制信号也大量采用双绞线等屏蔽电缆进行连接。

可以说，在风廓线雷达设计之初，就考虑了电磁兼容的需要，采取了很多措施来控制干扰和噪声，也取得了很好的效果。但是，电磁兼容技术的应用并不是一蹴而就就万事大吉的。随着对电磁兼容技术认识的深入，以及对如何提高现有风廓线雷达的探测能力这一问题的思考，电磁兼容技术在雷达系统改造中还大有可为。

3 利用电磁兼容技术深入改造风廓线雷达系统

电磁兼容技术涉及风廓线雷达的方方面面，大到系统的配置，小到电路板元件的布局。本文仅针对降低风廓线雷达系统干扰和噪声，提高设备的探测能力，分享几点经验。下文依旧以TWP3型风廓线雷达为例进行说明。

3.1 利用接地技术深入改造风廓线雷达系统

接地是雷达系统安全防护、稳定工作、电磁兼容的基础。接地是非常有效的抑制干扰、降低噪声的方法，可以解决大部分的电磁兼容问题[4]。

目前TWP3型风廓线雷达系统室内部分的接地，是以综合机柜为主体和大地相连，每个功能单元以其屏蔽壳体为地，就近和机柜壳体相连，不区分安全地、数字地和模拟地。这样处理的好处是容易实现一个共同的地电平参考点，结构简单，实现起来比较容易。但这种方案也存在缺点，就是机柜壳体容易受到各种电磁干扰，各种地信号又在机柜壳体相互耦合，机柜地并不干净，这种地会对敏感的接收机造成较大影响。另外，由于数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波。如果雷达系统中的数字地与模拟地大面积直接相连，数字信号中的谐波很容易干扰模拟信号的波形，使模拟电路的小信号指标变差。克服这种干扰的办法就是分开模拟地和数字地。但是如果彻底分开这两种地，不连在一起，又会造成“浮地”，使数字地与模拟地之间产生电压差，地电平参考标准不一致，不利于系统协调工作。在这些情况下，机柜地、模拟地、数字地各自合并同类项，最后在一点接地，是抑制地线干扰的最佳选择。

改进方案是在雷达的地线设计中，采用安全地、模拟地、数字地3套系统。机柜内设立3种接地柱，分别用作安全地、模拟地和数字地。3种接地柱在机柜内部严格区分并绝缘，在机柜壳体外一点，3种接地柱于一点接入大地。3套地系统的使用上：安全地用于连接设备机壳、机架、机箱等金属构件，也可以作为交流电源次级线圈参考点以及继电器、轴流风机、波束开关及其他噪声源的地线；模拟地可作为模拟电路的接地和模拟电路电源的接地，接收机等敏感部件的屏蔽外壳也可以与模拟地相连；数字地用于数字电路和数字电路电源的接地。对于用数字电路控制模拟电路的情况，应将数字控制信号的地与接口电路的地直接相连，接口电路的电源应采用数字电源。

接地改进前后，用示波器测量接收机地电平，得到对比图（图1），图中上面的曲线W1是改进前的地电平，下面的曲线W2是经过改进后的地电平。小方格纵向一格代表10 mV，横向一格代表100 ns。可以看出，不论是噪底的幅值还是杂波的幅值，接地改进后都要小一些。

图1 改善接地前后接收机地电平Fig. 1 The ground level receiver before and after improving the ground

3.2 利用电磁屏蔽技术深入改造风廓线雷达系统

电磁屏蔽技术主要用来抑制无关信号[5]，比如各种移动基站、输电网络等外部电气设备以及雷达自身的电磁辐射。风廓线雷达系统的室外部分和室内部分都可以采取一定的电磁屏蔽方案。

为抵御外部空间的干扰和噪声以及降低雷达波副瓣带来的影响，可以在天线周围采用金属网来进行电磁屏蔽。目前TWP3型风廓线雷达采用的是孔径2 cm的镀锌铁丝网板，在1290 MHz频率下，这种屏蔽网双向隔离度能达到40 dB。根据电磁屏蔽的原理，缩小网孔尺寸、增加网孔深度以及使用导电或导磁性能更好的材质，均可以改善电磁屏蔽效果。国外某型号风廓线雷达采用钻孔金属板做电磁屏蔽网，如图2所示，这种钻孔金属板的双向隔离度可以达到60 dB以上，无孔金属板的双向隔离度能达到100 dB以上[6]。综合考虑风廓线雷达所在位置的电磁环境以及防风受力等要求，某些情况下，TWP3型风廓线雷达也可以采用钻孔或无孔金属板或孔径更小的金属丝网做电磁屏蔽网。

图2 国外某型号风廓线雷达采用钻孔金属板做电磁屏蔽网Fig. 2 A certain type of wind profiler radar is made by drilling a metal plate for electromagnetic shielding

风廓线雷达系统内部也需要屏蔽。TWP3型风廓线雷达机柜内部各功能单元间防电磁干扰的手段之一就是做金属屏蔽盒。实际使用中，开孔、缝隙等都会影响盒体的屏蔽效果。设风廓线工作波长为λ，当缝隙最大尺寸大于λ/4时，几乎没有屏蔽效果；小于λ/20时有基本的屏蔽效果，小于λ/100时有理想的屏蔽效果[7]，因此各种金属屏蔽盒体的开孔和缝隙都要尽量小。万不得已开孔尺寸较大时，可以在开孔附近区域加装屏蔽材料或者增加开孔的深度。当开孔的深度较大时，由于多次反射的累积效果，可以大大提高开孔的屏蔽效果，这也是波导通风板的原理[8]。

3.3 利用滤波技术深入改进风廓线雷达系统

滤波也是电磁兼容技术的一项主要措施。即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽、接地措施的产品，仍然会有传导干扰发射或者传导干扰进入产品，此时使用滤波器是一种好办法[9]。滤波器的作用是仅允许工作所需的信号频率通过，而其它不必要的信号频率则进行衰减，这样就可以大大降低无用信号产生干扰或者噪声的机会。无论是抑制干扰源、消除耦合或提高接收电路的抗干扰能力，都可以采用滤波技术。

对电源做滤波处理是防止干扰的一项重要措施。交流电源滤波器对50 Hz的电源功率衰减很小，但会极大地衰减经交流电源线传入的其他干扰信号，同时，它还能抑制设备自身产生的干扰信号，防止其进入并污染电网。直流电源滤波是各个直流电路模块在电源输入端必做的措施，可以降低各种干扰与耦合。对于要求较高的模拟电源，TWP3型风廓线雷达还可以采用有源滤波的方式来滤波，这种方案相比LC滤波或者RC滤波，对电源的噪声抑制能力更强。

对发射机做滤波处理也是非常有意义的。TWP3型风廓线雷达的发射机输入射频激励信号功率为13 dBm，输出射频信号功率为63 dBm，发射机增益50 dB，相当于一个放大倍数为10万倍的放大器，它对特定频段内的所有输入信号都具有放大作用。通过在发射机射频输入端增加带通滤波器，可以实现选频功能，减少不必要信号的放大，提升发射机的功率效率；而在发射机射频输出端增加腔体滤波器，可以改善发射机的输出频谱，降低发射机对其他功能单元的影响。

接收机相关信号做滤波也是不可或缺的。射频回波信号经过滤波，可以过滤无用信号，提高信噪比；混频后送入中频放大器的信号，也要利用带通滤波来降低混频的影响，提高信噪比。

3.4 利用布线技术深入改进风廓线雷达系统

目前很多电子设备中的布线，如图3所示。

图3 某系统机柜布线Fig. 3 Wiring of one system cabinet

这种布线的特点，是将各种线缆，就近结合，紧密捆绑在一起，然后长距离走线。这种布线的优点是整齐漂亮，便于查找和发现问题。缺点就是线与线之间长距离平行传输信号，容易造成信号与信号之间的耦合。

风廓线雷达机柜内的走线可以分类处理，交流电源线、直流电源线、信号线要进行分离走线，在空间上尽量分开走线。不能分开的就采用垂直交叉，尽量避免平行走线，不能避免时，尽量缩短平行走线的长度[10]。信号线采用双绞线，大电流线缆采用较大截面积的导线或中等截面积的导线多根并联。各种电源与信号线，最好采用带屏蔽网的线缆，电缆两头要做接地处理。射频信号的传输，最好采取屏蔽效果好的半钢电缆，走线应避免迂回曲折，另外在布线时，要避开电磁辐射比较大的区域。

3.5 合理控制发射机与接收机的工作时序

TWP3型风廓线雷达的接收机灵敏度较高，能达到-110 dBm，经过算法处理后的系统灵敏度，能达到-150 dBm，而发射机输出信号的峰值功率为63 dBm。TWP3型风廓线雷达发射机与接收机共处同一个机柜，从电磁环境污染的角度来看，大功率的发射机对高灵敏度的接收机就是一个灾难。

如何降低发射机对接收机的影响，是一个必须重视的问题。除了采取屏蔽、滤波等措施外，合理控制发射机与接收机的工作时序也是一个选项。

目前TWP3型风廓线雷达在接收机中增加了一路射频开关。在发射机发射信号期间，这个射频开关将进入接收机内部的射频信号切断，避免了接收机内部放大电路的深度饱和。此外，在发射机内部增加一路控制信号也值得考虑。当发射机发射信号完毕后，立即将发射机内部各个放大模块的直流偏压去掉，此时的发射机就失去了对信号的放大功能。相对于接收机来说，发射机的这种状态就像无线电静默一样。在这种改造后，接收机工作时的电磁环境，得到了极大的改善。

4 电磁兼容技术对风廓线性能提高的验证

以上就是在提高风廓线探测能力时，通过电磁兼容技术做的一些改进，所有这些工作都是为了抑制干扰、降低噪声。实际上，这些改进会在接收机的灵敏度这一指标体现出来。风廓线雷达接收机灵敏度计算公式为

式中，S为接收机灵敏度（单位：dBm）；K为波尔兹曼常数（单位：J/K）；T为绝对温度（单位：K）；KT就是在当前温度下每赫兹的热噪声功率；B为信号带宽（单位：Hz）；KTB为带宽范围内的热噪声功率；NF为接收机的噪声系数（单位：dB）；SNR为解调所需信噪比（单位：dB）[11]。

经过电磁兼容技术改进后的风廓线雷达系统，改善了接收机的信号带宽和噪声系数，从上面的公式可以看到，接收机的灵敏度会得到改善，风廓线雷达的探测能力也会得到改善。

实际上，利用电磁兼容技术改进风廓线雷达的效果可以通过雷达系统的灵敏度测试得以验证。测试方案如图4所示。

图4 接收机灵敏度测试示意图Fig. 4 Schematic diagram of receiver sensitivity test

测试方法：将信号源接在接收机前端的低噪声放大器入口处，接收机的模拟中频输出端接频谱分析仪。频谱分析仪设置合适的中心频率、扫频范围、分辨带宽和视频带宽。测试时，首先关闭信号源，在频谱分析仪上测得噪声电平P1（dBm），再打开信号源，调整信号源的输出功率，使频谱分析仪的读数为（P1＋3）dBm，此时信号源的输出功率值即为接收机的灵敏度[12]。

按上面方法测试，在风廓线雷达系统改造前，接收机灵敏度为-110 dBm。经过电磁兼容改造后，接收机灵敏度为-112 dBm。由此可见，接收机灵敏度确实获得了提高，这意味着风廓线雷达对小信号的探测能力也获得了提高。

通过电磁兼容技术改造以及其他方面改进提高后的TWP3型风廓线雷达，其探测能力完全满足中国气象局相关要求。

5 结语

基于现有风廓线雷达设备及技术储备，利用电磁兼容技术来适当改进风廓线雷达系统，是提高雷达探测能力的一种成本低、见效快的方案。风廓线雷达在设计之初已经考虑了电磁兼容的需要并采取了一定措施，但是随着认识的深入，电磁兼容技术在风廓线雷达系统中还大有可为。结合研发调试中的各种经验教训，通过改善接地、屏蔽、滤波、布线等方案，以及合理控制接收机与发射机分时工作，抑制了干扰，降低了噪声，改善了接收机的灵敏度，从而提高了风廓线雷达的观测能力。