全固态发射机性能指标对气象雷达探测性能影响的探究

傅龙臻,齐 涛

(1.成都远望探测技术有限公司,成都 618000;2.中国气象局气象探测中心,北京 100081)

0 引言

随着气象预报业务精细化进程的推进,气象预报预警的时效和空间精细化程度的要求较以往有了进一步提高。目前,中国天气雷达探测布网主要依赖于真空管体制的S波段、C波段新一代天气雷达,这种体制的天气雷达发射机由于采用大功率射频放大管,通常可以得到数百千瓦级峰值功率且相对稳定的电磁波,但同时因其工作电压高使得这种体制的发射机不易维护[1-3]。通常情况下两部相邻的大功率真空管体制雷达相距较远,在非平原地区容易产生探测盲区,造成预报预警的精细化程度不高和时间效率不足[4-6]。因此,为解决现有新一代天气雷达组网的空间和时间问题,提升气象雷达在精细化预报预警中的作用和价值,全固态发射机体制的气象雷达开始逐渐被气象观测系统采用[7-8]。

新一代多普勒天气雷达标定技术中引入了syscal的概念。周红根等[9]从技术体制上详细介绍了这种标定技术;秦建峰等[10]详细描述了这种技术的原理、实现方法和应用实例;柴秀梅等[11]详细介绍了新一代天气雷达中针对发射功率变化进行的反射率因子强度修正;程宝山等[12-13]在研究中都作了改善发射机频谱特性的分析。全固态发射机系统内部通过调整脉冲信号调制时序和增加窄带滤波器的方式,增加其余频谱分量的抑制度。

文章将从雷达发射机峰值功率、雷达发射信号频谱特性及极限改善因子3个方面对气象雷达探测效果的影响进行探究。

1 发射机性能指标对雷达探测性能的影响

1.1 峰值功率对雷达探测性能的影响

气象雷达探测性能主要体现在探测距离和探测目标的反射率因子上,雷达方程如式(1)所示:

(1)

式中,Rmax为最大探测距离;Pt为发射峰值功率;λ为雷达工作波长;G为天线增益;θ为水平波束宽度;σ为目标后向散射截面积;Pmin为雷达最小可探测功率。由此可知,气象雷达探测性能针对雷达本身而言,发射峰值功率Pt与Rmax成正比关系,在其余雷达参数不变的前提下,雷达的发射功率越强,对相同目标的有效探测距离越远。

气象雷达反射率因子计算公式如式(2):

(2)

式中,φ为垂直波束宽度;τ为发射信号脉宽;Pr为发射峰值功率;Lat为大气衰减率。

由式(2)可知,发射峰值功率也是计算雷达回波反射率因子的重要参数。因此,发射峰值功率将决定雷达的实际探测性能。

式(2)可引入C值,即雷达常数,则有式(3):

(3)

由式(3)可知,雷达常数不仅与雷达发射峰值功率Pt有关,还与雷达工作波长、发射信号脉宽、水平波束宽度、垂直波束宽度和天线增益密切相关。

将式(3)代入式(2),得到式(4):

10lgZ=C+Pr+20lgR+R·Lat

(4)

由式(3)可知,当其他参数不变,Pt降低到原来的50%,则雷达常数C为:

(5)

将式(5)代入式(4)可知,当发射功率降低至原来的50%时,接收机接收到对应距离相等功率的回波信号强度时,将会因雷达常数C比正确值偏大造成计算出来的回波强度偏强3 dB,造成雷达反射率因子强度偏差,雷达针对弱回波的探测能力也会因反射率偏强而变弱,能够探测到的天气过程边缘弱回波将会变少,造成无法准确测量天气过程边缘弱回波区。

1.2 频谱特性对雷达探测性能的影响

不同频谱分量的信号功率会影响辐射信号的能量分散度。时域信号的功率为频域上不同频率分量上信号的功率积分,即载波中心频率以外的频率分量功率抑制度越高,中心频率功率越强,中心频率辐射能量也越大,带内有效信号信噪比越强。同时,雷达发射信号占用带宽越窄,对周边其他电子设备的干扰也越小。

雷达接收到回波频谱宽度与发射频谱宽度相关,发射频谱宽度越窄,中心频率以外的谱能量抑制度越高,接收信号带宽内回波信号信噪比也就越高。

由于频谱展宽是由脉冲调制引起的,具体到时域信号上为脉冲信号上、下边沿处载波信号频率与脉冲中间部分载波信号频率不同,脉冲边沿的载波信号谱线分布在中心频率两侧边带,这部分脉冲边沿信号在实际探测到的回波中处于边沿,当探测天气系统边沿弱回波时,这部分信号频谱分散,相位噪声性能较差,地物杂波抑制效果也相对较差,容易在回波边沿出现杂点。

1.3 极限改善因子对雷达探测性能的影响

雷达系统信号极限改善因子分为2种测试方法。2种方法的不同点在于,频谱仪测试的是发射机发射信号,通过设置合适的分析带宽和显示带宽,扫描得出信号的信噪比;而系统信号单库进行FFT估算得到的系统极限改善因子是通过雷达信号处理系统得到多个连续PRT固定位置的信号,对这些信号进行FFT处理得出信号的信噪比。两种测试方法都是通过得到频域信噪比进行反演,但得到的结果是不同的。结合全固态雷达信号流程原理可知,发射机射频信号是由信号处理器产生的中频激励信号与频率源输出的本振信号上变频输出的,输入信号处理器的中频信号则是由射频信号与同一个本振信号下变频输出的。因此,若频率源输出的本振信号频率出现抖动或出现较大幅度的杂散信号,则发射机输出的射频信号也会随之抖动和产生杂散。同样,本振信号的抖动和杂散也会造成中频信号的抖动和杂散,进而影响信号的相位噪声和地物杂波抑制能力。发射信号上变频流程示意如图1所示。

图1 发射信号上变频流程示意图

信号处理器针对发射机输出耦合信号的采样经过FFT计算后,系统极限改善因子考虑了全信号流程,不仅包含雷达发射机上变频信号特征,同时包含了雷达接收机下变频流程带来的信号特征变化,接收信号下变频流程示意如图2所示。发射机输出耦合信号经过延时线进行延时后输入接收机,可以近似模拟雷达回波信号,接收机将信号进行下变频后,输入信号处理器进行A/D采样和FFT计算,得到信号对应单库的频域信噪比,再估算极限改善因子。此时,频率源本振信号质量变差或通道内器件性能变差都可能造成估算出的系统极限改善因子恶化。

图2 接收信号下变频流程示意图

在2种极限改善因子计算方法中,通过发射机输出耦合信号进行单库FFT估算的系统极限改善因子更接近雷达真实工作状态。这项指标将直接反映对应测试雷达信号的相位噪声,从而影响雷达系统的地物杂波抑制能力。相位噪声越小,地物杂波抑制能力越强。

2 发射机性能指标标定测试与反馈

2.1 发射机峰值功率标定与反馈

目前,针对发射机峰值功率的标定方法主要有机外峰值功率计测试和机内发射耦合信号检波2种。

机外峰值功率计测试较为准确,但依赖于测试仪表。由于收发箱上挂至伺服转台,实际探测工作中,发射机跟随伺服转台一起转动,无法完成测试。因此这种方式不适用于雷达探测过程中的实时标定和动态修正。

为解决此问题,气象雷达在收发系统中集成了峰值功率检波的功能。发射机峰值功率标定测试流程如图3所示。

图3 发射机峰值功率标定测试

由发射机末级输出端发射耦合信号,输入机内功率监视模块,将采样出来的数字信号上报至信号处理器,由信号处理器转发至雷达控制终端进行监控显示。采样原理如图4所示。

图4 采样原理示意图

射频脉冲信号检波基本原理如图5所示,通过选取合适的电阻和电容,在射频信号正半周期内二极管导通电路正常输出电压并为电容充电,负半周期内二极管截止,电容放电,维持检波电压输出,每个脉冲周期重复此过程,即可完成射频信号脉冲包络检波。

图5 射频脉冲信号检波基本原理图

实际工程中,往往视实际情况增加一些外围电路来改善充放电时间、输出电压纹波、阻抗匹配等。

由于发射功率的变化会对雷达反射率因子的计算产生直接影响,进而影响雷达探测效果,因此稳定地标定和动态修正发射机峰值功率将有效提升雷达探测数据可用性。通过对发射机峰值功率进行标定,雷达终端可实时得到发射机的实际发射峰值功率,将此实时发射峰值功率带入气象雷达方程,即可得到相对准确的实时雷达回波强度。

除此之外,参考新一代多普勒天气雷达的自动标定技术,全固态雷达引入这种标定技术可以改善发射功率检波不稳定带来的标定补偿误差。由式(4)和式(5)可知,发射功率的波动将主要影响C值的波动,因此动态修正C值将能够达到修正雷达回波强度的目的。

基于新一代多普勒天气雷达标定技术,全固态气象雷达也引入了syscal修正值的概念。通过将发射机末级输出的耦合信号输入接收机,完成强度定标测试,得到syscal修正值。

由于全固态气象雷达可采用3种及以上脉冲组合发射,回波处理时多种脉冲也将分别进行数字信号处理,从式(3)可知,脉宽τ也会影响C值。因此,将对3种脉冲分别进行标定,不同信号脉冲得到不同的syscal修正值,对应修正不同的脉冲探测结果。

在接收机增益不变的情况下,syscal修正值的变化理论上只受发射机峰值功率的变化影响,因此这种标定方法可以对发射功率变化引起的回波强度变化进行有效的补偿。当发射功率下降时,信号处理器接收到的信号强度将变弱,为保证回波强度一致,系统将标定syscal修正值升高。

2.2 发射信号频谱宽度测试与改善

脉冲激励信号中心频率谱线功率已经使发射机达到饱和,而中心频率谱线两边的频谱分量功率仍有部分处于未饱和段,中心频率谱线功率放大增益往往低于两边谱线的放大增益,经发射机放大后,会带来中心频率两边其他频谱分量抑制度的下降,并最终表现为发射机输出信号的频谱展宽恶化。基于这一特性,发射机输出信号的频谱展宽将会宽于脉冲激励信号的频谱展宽。

雷达发射链路通常选择在中频激励信号输出处增加频率选择装置来使发射输出频谱宽度得到大幅改善。

2.3 发射信号极限改善因子测试与改善

首先求得发射机中心频率功率和1/2重复频率处功率的差值,即发射机信号信噪比,再由该信号信噪比和脉冲重复频率、信号测试分析带宽计算得到发射机输出信号极限改善因子。

由测试原理可知,发射机输出信号极限改善因子的影响变量主要是信号的信噪比,因此提升信噪比是改善发射机输出信号极限改善因子的有效途径。如果信号频率不稳定,经过一段时间的平均或者累积后,信号功率谱功率将会降低,造成信噪比偏低[14-15]。

在雷达系统中,针对单库信号的FFT频域转换估算信噪比和极限改善因子是更接近雷达实际工作的检验方法。该方法不仅有表征全链路射频型号特性的信号样本,而且处理方式相比频谱仪还更加接近雷达探测工作中对回波信号的处理方式。图6给出了气象雷达系统单库FFT估算极限改善因子测试结果样例。

图6 单库FFT测试结果

经章节1.3分析可知,频率源输出本振信号质量将是影响系统极限改善因子的核心因素,频率源本振信号相位噪声指标和频率稳定度越好,雷达系统信号相干性也越好。

3 结束语

文章讨论了影响雷达探测性能的发射机指标。其中频谱宽度和极限改善因子是信号频谱分量和频率稳定度的主要表达方式,影响雷达电磁辐射带宽、测速和地物杂波抑制等能力,暂时还不能通过机内标定进行修正反馈。目前,发射机的发射峰值功率是对气象探测性能影响最大的指标。

文章介绍的2种发射功率标定方法都能够完成自动标定修正,但2种修正方式都有各自的缺点。峰值功率检波的修正方式对功率检波的稳定性和可靠性有较高要求,检波器和放大器都对温度的变化较为敏感,容易造成功率检波的不准确,因此这种修正方法存在较大的局限性和不可控性。而发射机输出耦合信号标定syscal修正值的方式存在不能实时取样标定的局限性,这种方法存在一定的标定周期。在雷达正常探测期间无法切换到标定单元进行标定测试,因此只能在探测周期间隙进行syscal标定测试,每次标定结束后得到的syscal修正值将代入下一次回波强度计算。

要解决发射功率变化带来的雷达回波强度误差,需结合2种标定方式。将发射功率检波得到的峰值功率代入式(3),得出雷达常数C,雷达发射机输出耦合信号标定再以C为基础,标定syscal修正值,进行回波强度补偿。