葉 舟，尤祖光，姜 偉，楊文華

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

隨著我國低空空域管理改革的深入，低空監(jiān)視雷達對低空飛行器的監(jiān)控和管理將發(fā)揮重要作用。但高度3 000m以下低空小尺度惡劣氣象災害時有發(fā)生，對低空飛行器的安全造成嚴重威脅，亟需氣象探測裝備投入使用。目前國內布站的氣象雷達多采用速調管發(fā)射機，發(fā)射功率大，作用距離遠，站點分布稀疏，且為防電磁輻射傷害通常抬高低仰角波束，無法實現(xiàn)對低空空域的全覆蓋。若設計專用低空補盲氣象雷達將顯著增大設備投入及其壽命周期成本，且會增加輻射干擾。因此，一種折中的方案是采用集成化設計，在低空監(jiān)視雷達上集成氣象探測功能。在同一部雷達上兼容目標監(jiān)視和氣象探測功能產生了設計難點，主要問題有：兩種功能要求的掃描數(shù)據(jù)率不匹配，雷達波形有差異，時間、波束資源調度策略不統(tǒng)一。這些問題可通過雷達兼容工作模式的優(yōu)化設計予以解決。

隨著軍用有源相控陣雷達技術的逐漸成熟，集成目標監(jiān)視和氣象探測兩種功能為一體的新一代相控陣雷達已成為空管雷達發(fā)展的重要趨勢。目前的研究一般基于兩維相位掃描的相控陣雷達平臺，因波束可在方位和俯仰自由調度，工作模式設計靈活，易于實現(xiàn)目標監(jiān)視和氣象探測兼容。美國正在實施多任務相控陣雷達（MPAR）計劃，擬采用相同型號的MPAR雷達（三面兩維相掃陣列）統(tǒng)一行使空中交通管理、氣象探測和空域安全保障等多項職能［1］。針對民用領域應用，一維相掃相控陣雷達具低成本優(yōu)勢，在該平臺上集成氣象探測功能更具實用價值。但方位旋轉相控陣雷達僅在俯仰相位掃描，波束調度自由度降低，兼容工作模式設計難度顯著增加，相關研究尚未見報道。美國海軍研究生院MWR－05XP項目研究了方位旋轉相控陣雷達用于氣象探測，設計了氣象模式下的波束掃描策略，但未考慮目標監(jiān)視和氣象探測模式的兼容［2］。為此，本文對多功能相控陣雷達目標監(jiān)視與氣象探測兼容模式設計進行了研究。

1 兼容模式時間資源

氣象目標的基本組成單元為大氣介質、雨滴、雪花、冰晶等空氣中的微粒，尺寸為微米至毫米量級，因此S、C、X波段測雨雷達一般工作在瑞利區(qū)。單個距離門氣象回波由脈沖空間（如圖1所示）內包含的氣象微粒瑞利散射矢量疊加而成，因微粒數(shù)量眾多，且相對位置隨時間變化，故雷達回波具明顯的隨機特性［3－4］。

圖1 脈沖空間Fig.1 Pulse volume schematic diagram

氣象雷達的三種基本產品是反射率因子、平均徑向速度和譜寬，其他三十余種導出產品（如累計雨量、風暴單體識別和跟蹤、中氣旋等）均由基本產品反演而得。其中：反射率因子反映降雨強弱，與回波平均功率成正比。氣象速度測量原理與目標監(jiān)視雷達多普勒測速類似，但因各微粒運動的隨機性，氣象目標速度存在一定的譜寬，故用平均徑向速度和譜寬兩個參數(shù)描述［5］。

統(tǒng)計規(guī)律表明：多個隨機氣象散射體合成回波的幅值近似服從瑞利分布。若對某距離門氣象回波進行N次相互獨立取樣，回波樣本功率取平均后可用于估計平均回波功率。當N＞10時，平均功率分布曲線近似于高斯分布［3］。反射率因子估計的標準差

式中：為反射率因子估值。可見，波束駐留時間越長，N值越大，反射率因子估計誤差越小。一般取N≥30，此時估計出的回波功率誤差為－1～1dB的概率大于80%。

值得注意的是，用于反射率因子估計的有效獨立樣本數(shù)N不等于采樣脈沖數(shù)，而是與脈沖重復周期T、多普勒速度譜寬σv和雷達波長λ均有關的量。設采樣脈沖數(shù)為K1，則有

式中：α為獨立指數(shù)，且

當一個距離單元獲得的有效獨立樣本數(shù)不夠時，還可對連續(xù)多個距離單元進行平均，以增加有效獨立樣本數(shù)。設選用的距離門個數(shù)為K2，最終可得有效獨立樣本數(shù)

采用距離平均方法時，距離門個數(shù)受距離分辨力的限制［3］。

利用多普勒相移，用脈沖對法或FFT法可估計平均徑向速度和速度譜寬，估計方差分別為

式中：M為相干樣本的個數(shù)；T為樣本的采樣間隔時間（脈沖重復間隔）［1］。可見，波束駐留時間越長，平均徑向速度和譜寬估計誤差越小。平均徑向速度和譜寬估計要求相鄰回波有一定的相關性，采樣時間間隔應滿足

另一方面，空管雷達目標監(jiān)視全空域數(shù)據(jù)率應控制在0.1～0.25Hz內，才能滿足民航飛行間隔控制所需的誤差要求，保障飛行安全。因此，須在規(guī)定時間內完成一次體掃描，這對波束駐留時間提出了嚴格的限制。為解決上述時間資源矛盾的問題，需設計精巧的雷達波束掃描策略。

2 基本兼容工作模式設計

假設雷達工作頻率為5GHz，波長6cm，方位和俯仰波束寬度均為3°，天線方位向機械旋轉實現(xiàn)360°全覆蓋，旋轉周期6s，俯仰向電子掃描，氣象探測俯仰范圍0°～15°。對氣象的探測具體要求為：反射率因子Z＾測量范圍15～75dBz，均方根誤差±1dBz；平均徑向速度v＾測量范圍－40～＋40m／s，均方根誤差±1m／s；徑向速度譜寬σ＾v測量范圍1～6m／s，均方根誤差±1m／s。因目標監(jiān)視的具體要求對結果無影響，本文不詳細討論。將上述參數(shù)代入式（1）～（7），可算得雷達目標監(jiān)視和氣象基數(shù)據(jù)測量要求的駐留時間和脈沖間隔見表1。

表1中反射率因子測量要求的波位駐留時間計算較復雜，且在T等參數(shù)確定前無法精確計算。本文取T＝400μs，用于平均的距離門數(shù)2～4進行估算，波位駐留時間為數(shù)十至上百毫秒。具體掃描模式設計中，應根據(jù)設計參數(shù)進行精確計算。

目標監(jiān)視要求在6s內完成一次體掃描，平均波位駐留時間（4.2ms）遠小于氣象平均徑向速度測量要求的駐留時間（25.4ms），也遠小于反射率因子測量要求的駐留時間。因此，采用同一組波束，無法同時實現(xiàn)目標監(jiān)視和氣象探測，同時滿足兩者的測量要求（數(shù)據(jù)率、測量范圍、誤差等）。

因此，目標監(jiān)視和氣象探測應采用時分復用方式工作，兩者交替進行。時分復用設計需考慮以下問題：

a）天線轉速對目標監(jiān)視和氣象探測盡量保持一致，避免頻繁加減速過程，對探測性能和系統(tǒng)可靠性均有益處。

b）對目標監(jiān)視來說，插入氣象探測必然破壞目標監(jiān)視連續(xù)性，等價于降低目標數(shù)據(jù)更新率，反之亦然。一般目標數(shù)據(jù)率要求較高（秒量級），氣象數(shù)據(jù)率要求較低（分量級）。因此，目標監(jiān)視中斷氣象探測連續(xù)性造成的影響基本可忽略，而因氣象探測中斷目標監(jiān)視連續(xù)性則須認真考慮。

為解決上述問題，本文提出一種新型X＋1兼容掃描模式，如圖2所示。其基本原理如下：

a）天線方位旋轉1圈時間保持為TU0。

c）在每一圈目標監(jiān)視中均實現(xiàn)完整體掃描。

d）在1圈氣象探測中，每個方位的波束均指向一個固定俯仰角，在下一循環(huán)的氣象探測中，波束調整至另一個俯仰角。通過多次循環(huán)，完成俯仰空域覆蓋。

e）在氣象探測時，可通過外推保持對目標的穩(wěn)定跟蹤。

定義目標監(jiān)視等效平均數(shù)據(jù)更新時間

氣象探測等效數(shù)據(jù)更新時間

式中：Kφ為氣象俯仰掃描波位數(shù)。X越大，目標監(jiān)視被中斷的頻次越低，等效數(shù)據(jù)更新時間越短，目標檢測和跟蹤效果越好，但氣象探測數(shù)據(jù)更新時間變長。X越小，氣象數(shù)據(jù)更新時間越短，目標跟蹤效果會變差。因此，X值的確定是兼容掃描模式設計的關鍵，需折中考慮。

表1 雷達測量要求的脈沖間隔時間和波位駐留時間Tab.1 Pulse interval time and beam dwell time requirements for radar estimation

圖2X＋1兼容模式Fig.2X＋1compatible mode

本文中，TU0＝6s，若X＝1，則目標和氣象簡單交替工作，TUtarget＝12s，不能滿足民航標準要求。令X＝5，TUtarget＝7.2s，氣象探測時對目標監(jiān)視數(shù)據(jù)通過外推處理，可滿足民航標準。對氣象探測，取俯仰波束交疊系數(shù)為0.15，則Kφ＝6，可得TUweather＝216s，滿足氣象探測數(shù)據(jù)率要求（＜300s）。

據(jù)《曲藝志》的說法，這個被很多人忽略的版本，影響了徐嘉瑞后來主持的梅葛調查。在1957年的條目下，有這樣的話：

綜合考慮量程和波形占空比因素，氣象探測中取T＝400μs，能滿足徑向速度和譜寬測量所需的相關時間（≤795μs）要求。考慮方位波束交疊系數(shù)為0.2，一個方位的駐留時間約為3°×（1－0.2）×6／360°＝40ms。

對應一個方位的平均脈沖數(shù)為100，全部用于一個俯仰波束的氣象基數(shù)據(jù)測量，能滿足平均徑向速度測量要求（≥25.4ms）和譜寬測量要求（≥9.5ms）。

對反射率因子測量，需確定獨立樣本數(shù)，具體步驟如下：

a）依據(jù)式（2）、（3），可得單個距離單元有效采樣點數(shù)為9.6；

b）需進行距離平均，由式（4）可得，3個距離單元進行平均后的有效樣本數(shù)為49，滿足要求（≥30）。

3 兼容氣象快速掃描模式

上述X＋1掃描模式，主要針對目標監(jiān)視和氣象探測在數(shù)據(jù)更新率和波束駐留時間要求的差異而提出。目標監(jiān)視數(shù)據(jù)更新率高、波位駐留時間短，氣象探測數(shù)據(jù)更新率低、波位駐留時間長，本文方法將不同俯仰角度的氣象探測，“化整為零”地分散到多輪目標監(jiān)視功能間，滿足兩者數(shù)據(jù)更新率和測量精度要求。

在氣象探測中，反射率因子測量與多普勒參數(shù)（平均徑向速度和譜寬）測量對波束駐留時間、脈沖重復時間的要求也有較大差別。可利用這種差別，進一步發(fā)揮相控陣雷達波束掃描靈活的優(yōu)勢。由表1可知：反射率因子測量要求波位駐留時間長，多普勒參數(shù)測量要求相鄰脈沖相位相關，設計一種基于多路波束轉換原理的氣象快速掃描方式，可進一步提高兼容模式下的氣象數(shù)據(jù)更新速率［6］。

設雷達俯仰各波束仰角中心分別為θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，如圖3所示。多路波束轉換掃描采用圖4方式，在同一方位的多個仰角波位間輪流間隔發(fā)射脈沖（圖4采用三個波位組成轉換掃描波位組，其中θ1～θ3為一組，θ4～θ6為一組），直至分配完波束在該方位的駐留時間。對同一俯仰波位，如按前文設計參數(shù)，相鄰發(fā)射脈沖間隔將達1 200μs，波位脈沖數(shù)約33，由式（4）可知反射率因子估計精度不變，但由于相鄰樣本間隔變大，樣本間相關性降低，對速度譜寬大于4m／s的劇烈氣象，其多普勒信息測量誤差較大。

圖3 不同轉換掃描波位組的時分多路掃描的俯仰波位設置Fig.3 Elevation beam position setting of multiplexed beam scanning strategy with different multiplexed beam groups

圖4 時分多路掃描脈沖發(fā)射順序Fig.4 Pulse transmitting sequence of multiplexed beam scanning strategy

快速多路波束轉換掃描方式的優(yōu)點是利用同樣的波位駐留時間實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的快速更新，不會降低反射率因子的估計精度，且可測量一定速度譜寬的氣象多普勒參數(shù)。但這種方式無法準確測量大譜寬氣象的多普勒參數(shù)，故適于時間尺度小、內部切變不嚴重的氣象探測。此外，快速多路波束轉換掃描方式存在旁瓣二次回波，需采取抑制處理。

4 旁瓣二次回波抑制

對圖4，若僅關注某一波位的發(fā)射波形，其脈沖重復周期為Tmax，故其二次回波是在Tmax以外的回波，這屬于經(jīng)典的二次回波問題，在常規(guī)多普勒氣象雷達中已有廣泛研究，可采用相位編碼方法進行抑制。

對多路波束轉換掃描方式，波位1、2間存在相互影響。對波位1的第一個脈沖周期，其Tmax／3～Tmax間的回波會進入波束2的旁瓣，2Tmax／3～Tmax間的回波會進入波束3的旁瓣，本文稱旁瓣二次回波。與之對應，經(jīng)典二次回波問題可稱為主瓣二次回波。

抑制旁瓣二次回波方法主要有以下兩種：

a）對交替掃描的脈沖進行統(tǒng)一相位編碼，利用編碼后不同波位回波相位的正交性進行抑制［7］。

b）綜合考慮所有的待掃描俯仰波位，采用跳躍式多路波束掃描方式。分析各波位天線俯仰方向圖，合理設置波位仰角及掃描次序，發(fā)射相鄰脈沖的波位應避開各自方向圖的強副瓣區(qū)，采取間隔的掃描波位設計減輕從旁瓣進入的回波［8］。如圖5所示，在θ1～θ3轉換掃描波位組內，3個波位間隔排列，通過優(yōu)化波位設置，使組內各波位仰角均不在其他波位方向圖強副瓣區(qū)。

圖5 減輕旁瓣二次回波的波位設置及掃描次序Fig.5 Beam position setting and scanning sequence for reducing second trip echo from sidelobe

5 兼容模式工程實現(xiàn)

上述兼容工作模式，可由合理的系統(tǒng)資源管理技術實現(xiàn)。

兼容工作模式系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖6所示。資源管理根據(jù)顯控的工作模式切換命令，完成目標模式、氣象模式、目標／氣象兼容模式切換。在目標／氣象兼容工作模式下，按設計的X＋1工作模式，資源管理控制波形發(fā)生器進行信號波形變換，控制頻率綜合器完成信號中心頻率切換，控制波控機完成波束指向調度。資源管理還同時對信號處理程序進行切換：在目標監(jiān)視模式下采用目標信號處理流程，信號處理向數(shù)據(jù)處理傳送目標一次點跡，數(shù)據(jù)處理由點跡信息形成航跡信息發(fā)給顯控；轉入氣象探測模式后，采用氣象信號處理流程，信號處理向數(shù)據(jù)處理傳送3種氣象基數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理將氣象基數(shù)據(jù)分類比較形成氣象分色顯示信息，并完成對跟蹤目標的航跡外推處理，將氣象分色顯示信息和外推的航跡信息同時送往顯控。

在上述基本兼容工作模式設計，某方位旋轉相控陣雷達在小雨條件下采集的反射率如圖7所示。其反射率估計精度可滿足航空氣象分級要求。

圖6 兼容工作模式資源管理實現(xiàn)Fig.6 Realization of resource management for compatible mode

圖7 兼容模式下反射率數(shù)據(jù)實測結果（小雨）Fig.7 Reflectivity data estimation result under compatible mode（light rain）

6 結束語

針對相控陣低空監(jiān)視雷達集成氣象探測功能的需要，本文對多功能相控陣雷達目標監(jiān)視與氣象探測兼容模式設計進行了研究。分析了兼容目標監(jiān)視與氣象探測功能對雷達工作模式設計要求，討論了氣象基數(shù)據(jù)估計精度、更新率對氣象波束駐留時間、波形參數(shù)的設計要求，提出了一種目標監(jiān)視與氣象探測分時工作的X＋1模式兼容工作模式，同時兼顧兩種功能的實現(xiàn)，初步解決了兩種功能數(shù)據(jù)率不匹配、波形設計有差異、波位駐留時間不統(tǒng)一等關鍵技術。針對時間尺度小但變化不劇烈的氣象現(xiàn)象探測，給出了一種可進一步提高氣象數(shù)據(jù)更新率的波）束掃描方法——多路波束轉換氣象快速掃描方式，提出了旁瓣二次回波解決思路。本文設計的兼容工作模式，在僅增加少量氣象信號處理硬件資源的條件下，通過工作模式設計和相關軟件設計，實現(xiàn)了目標監(jiān)視與氣象探測兼容。該技術易于實現(xiàn)，可滿足兼容工作模式設計需求，實現(xiàn)成本低，可推廣性較強，對實現(xiàn)低成本的目標監(jiān)視和氣象探測多功能雷達有一定的參考意義。

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