劉昉+侯亮+李學(xué)華+丁明星+張俊

摘 要： 基于壓制式干擾模型，描述了重慶陳家坪新一代多普勒天氣雷達(dá)（Z9230）在2012年4月27日上午11時(shí)30分左右受到外界強(qiáng)射頻雜波干擾現(xiàn)象：氣象目標(biāo)回波信號(hào)被完全淹沒(méi)，速度信息被壓制。主要對(duì)雷達(dá)受到干擾后引起的相關(guān)參數(shù)的變化進(jìn)行分析，并且對(duì)新一代天氣雷達(dá)（SA）接收機(jī)保護(hù)器的維護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞： 新一代多普勒天氣雷達(dá)； 壓制式干擾； 接收機(jī)保護(hù)器； 無(wú)源限幅器

中圖分類號(hào)： TN95?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）17?0007?04

Instance analysis of Chongqing CINRAD/SA suffering from barrage jamming

LIU Fang1， HOU Liang2， LI Xuehua3， DING Mingxing1， ZHANG Jun1

（1. Chongqing Meteorological Information and Technology Support Center， Chongqing 401147， China；

2. Beijing Metstar Radar Co.， Ltd.， Beijing 100094， China； 3. Chengdu University of Information and Technology， Chengdu 610103， China）

Abstract： On the basis of the barrage jamming model commonly?used in electronic war， the phenomenon of the external powerful RF clutter jamming happened on CINRAD/SA （Z9230） stationed in Chenjiaping， Chongqing at about 11：30 am on April 27th， 2012 is described. The echo signal of a meteorological target was submerged completely， and its speed information was also suppressed. The relevant parameters′ change caused by the disturbed radar is analyzed. The maintenance technology of the receiver protector of CINRAD/SA is discussed.

Keywords： CINRAD/SA； barrage jamming； receiver protector； passive limiter

新一代天氣雷達(dá)（CINRAD）是短臨天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)警的主要手段，其產(chǎn)品在下?lián)舯┝?、冷渦、冰雹、大風(fēng)、暴雨、臺(tái)風(fēng)等方面都有著深入的研究與應(yīng)用[1?3]，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。提供高質(zhì)量的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)是雷達(dá)保障的最終任務(wù)，新一代天氣雷達(dá)建站運(yùn)行以來(lái)，影響其回波數(shù)據(jù)質(zhì)量的外界因素主要來(lái)自于地物雜波以及偶爾的電信微波信號(hào)等。這些干擾在雷達(dá)圖上的表現(xiàn)形式都有一定的規(guī)律，預(yù)報(bào)員在分析使用回波圖時(shí)亦會(huì)用一定的先驗(yàn)知識(shí)加以排除；當(dāng)氣象雷達(dá)在體掃過(guò)程中遇到大功率的噪聲壓制干擾時(shí)，回波質(zhì)量就完全被污染，從雷達(dá)圖上幾乎找不到任何有用的信息，等同于雷達(dá)失效，這將會(huì)給短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警等帶來(lái)嚴(yán)重后果。本文首先介紹了幾種常見的干擾模型，著重對(duì)壓制式干擾進(jìn)行了分析，最后針對(duì)重慶新一代天氣雷達(dá)受到的干擾情況進(jìn)行了研究分析。

1 雷達(dá)干擾基礎(chǔ)

根據(jù)干擾對(duì)雷達(dá)的作用方式可以分為壓制式干擾、欺騙式干擾和彈射式干擾三類[4]。

壓制式干擾是指用大功率的干擾信號(hào)壓制雷達(dá)的目標(biāo)信號(hào)，影響雷達(dá)正常接收和顯示，從而大大降低雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比。噪聲干擾是壓制式干擾最常采用的模式，它能將雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)淹沒(méi)在干擾信號(hào)之中，使終端識(shí)別系統(tǒng)難以從干擾背影中檢測(cè)到真實(shí)目標(biāo)[4?5]。

欺騙式干擾利用干擾機(jī)發(fā)射模擬與目標(biāo)回波信號(hào)相似或相同的干擾信號(hào)，使雷達(dá)接收端分不清真假目標(biāo)[6]。

彈射式干擾是指干擾機(jī)截獲雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)例如時(shí)延和適當(dāng)?shù)南辔徽{(diào)制等信號(hào)處理，放大轉(zhuǎn)發(fā)至雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)范圍，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收機(jī)接收。這是一種對(duì)無(wú)法獲知接收機(jī)準(zhǔn)備位置時(shí)的有效干擾手段[7]。

2 壓制式干擾模型

壓制式干擾是最常見的一種干擾模式，其主要優(yōu)點(diǎn)是干擾機(jī)不需要獲取太精確的雷達(dá)信號(hào)特征和處理信號(hào)，只需要知曉雷達(dá)大概的工作頻點(diǎn)，干擾設(shè)備比較簡(jiǎn)單。干擾機(jī)向空間某方位發(fā)射具有一定帶寬的大功率噪聲信號(hào)，輻射形成壓制干擾環(huán)境，人為的把噪聲送入雷達(dá)接收機(jī)。氣象雷達(dá)在體掃過(guò)程中接收氣象回波信號(hào)的同時(shí)，干擾噪聲與氣象回波信號(hào)一同進(jìn)入接收機(jī)通道，導(dǎo)致信噪比下降，那么，在終端顯示上看到的只有大強(qiáng)度噪聲信號(hào)，氣象回波信號(hào)被淹沒(méi)于此信號(hào)中，速度圖完全模糊。在接收系統(tǒng)指標(biāo)中，噪聲溫度相對(duì)于其他正常工作時(shí)會(huì)發(fā)生很明顯的沖高現(xiàn)象。

如圖1所示為常見的壓制式干擾模型，其中，與分別表示氣象雷達(dá)到氣象目標(biāo)的距離，氣象雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離。設(shè)雷達(dá)電磁波角頻率為發(fā)射信號(hào)可寫成：

（1）

式中為發(fā)射信號(hào)的振幅。 遇到氣象目標(biāo)反射后，接收電磁波信號(hào)的表達(dá)式為：

（2）

式中：為回波信號(hào)強(qiáng)度；為相位延遲。

設(shè)干擾信號(hào)為各種噪聲調(diào)制干擾，干擾信號(hào)可以表示為調(diào)制噪聲部分與載頻信號(hào)的乘積：endprint

（3）

式中：是調(diào)制的干擾信號(hào)；是干擾信號(hào)載頻。

那么雷達(dá)天線接收到的帶有干擾信號(hào)的回波信號(hào)可以表示為：

（4）

式中：表示接收到干擾信號(hào)的強(qiáng)度；表示干擾信號(hào)到雷達(dá)接收天線的時(shí)延。

要實(shí)現(xiàn)有效干擾，必須滿足干擾信號(hào)頻率范圍覆蓋回波信號(hào)的頻點(diǎn)，即，那么雷達(dá)接收機(jī)在接收氣象目標(biāo)回波時(shí)干擾信號(hào)就能有效進(jìn)入接收通道。在下變頻為基帶信號(hào)后，干擾項(xiàng)變?yōu)椋?/p>

（5）

由式（5）可知，干擾項(xiàng)中加入了一個(gè)多普勒調(diào)制。

圖2描述了氣象目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)一同進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的信號(hào)處理流程。當(dāng)干擾噪聲與真實(shí)氣象回波一同進(jìn)入接收通道時(shí)，輸入端噪聲水平提高，信號(hào)處理后信噪比大大降低，從而干擾天氣雷達(dá)正常探測(cè)工作。干擾噪聲越強(qiáng)，影響越明顯。

3 重慶雷達(dá)站被干擾情況

2012年4月27日上午11時(shí)30分左右，重慶陳家坪新一代天氣多普勒雷達(dá)在正常體掃下，回波圖突然出現(xiàn)滿屏的射線狀，0.5°仰角徑向達(dá)到顯示最大徑向值，并且360°方位出現(xiàn)。隨著仰角的抬升，半徑逐漸減小，出現(xiàn)方位數(shù)也遞減。

圖3，圖4分別為體掃過(guò)程中的反射率（回波強(qiáng)度）和速度圖。

從圖3可以看出，在雷達(dá)原點(diǎn)西偏北10°～30°之間噪聲功率強(qiáng)度最大，可以大致推斷干擾機(jī)位于此方位，并且出現(xiàn)這樣一個(gè)特點(diǎn)：隨著雷達(dá)仰角的增大，噪聲信號(hào)的半徑不斷減小，這與干擾源到雷達(dá)接收天線的對(duì)應(yīng)位置和天氣雷達(dá)的天線方向圖有關(guān)。在低仰角時(shí)，干擾信號(hào)大多數(shù)進(jìn)入雷達(dá)主瓣，能量在主瓣聚集，干擾范圍廣、強(qiáng)度大；在高仰角時(shí)，干擾信號(hào)可能大多數(shù)從雷達(dá)天線旁瓣或尾瓣進(jìn)入接收通道，并且在某些方位上沒(méi)有信號(hào)進(jìn)入天線，那么干擾信號(hào)強(qiáng)度減弱并且只出現(xiàn)在某個(gè)方位。

從圖4中可以看出，干擾信號(hào)在速度圖上表現(xiàn)為大量的射線狀，真實(shí)目標(biāo)速度信息被掩蓋。由于多普勒天氣雷達(dá)都是由固定PRF（脈沖重復(fù)頻率）發(fā)射電磁波，根據(jù)抽樣定理，檢測(cè)速度都會(huì)有一個(gè)上限值當(dāng)實(shí)際速度超過(guò)這個(gè)上限值時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度模糊。重慶雷達(dá)遇到強(qiáng)電磁波干擾，干擾信號(hào)與回波信號(hào)相干性低且強(qiáng)度大，當(dāng)其與回波信號(hào)一同進(jìn)入接收機(jī)通道，經(jīng)信號(hào)處理不能有效的檢測(cè)和濾波，在PUP上出現(xiàn)大范圍的射線狀雜波，其值多為射頻RF值，將真實(shí)速度信息淹沒(méi)。這也進(jìn)一步體現(xiàn)了壓制式干擾的干擾特性。

圖5描述了重慶陳家坪雷達(dá)在被干擾時(shí)刻系統(tǒng)噪聲溫度（System Noise Temp）的變化情況。由圖上數(shù)據(jù)顯示，在干擾期間，系統(tǒng)噪聲溫度從比較平穩(wěn)的173左右陡然上升到360附近，干擾消失后，數(shù)值又逐漸恢復(fù)到干擾之前比較平穩(wěn)的水平。

雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度由內(nèi)部與外部?jī)刹糠衷肼暅囟冉M成，即：

（6）

式中：為外部噪聲，是由雷達(dá)天線進(jìn)入接收機(jī)的各種人為干擾、天電干擾、宇宙干擾和天線熱噪聲等產(chǎn)生，其值取決于接收機(jī)天線方向圖中各輻射源的噪聲溫度情況，與雷達(dá)天線方位仰角及工作頻率有關(guān)；內(nèi)部噪聲則主要由接收機(jī)中的饋線、放大器或混頻器等產(chǎn)生[8]。

對(duì)于噪聲源、噪聲功率與噪聲溫度之間存在如下關(guān)系：

（7）

式中：為波爾茲曼常數(shù)；為接收系統(tǒng)通帶；和分別表征系統(tǒng)噪聲溫度和噪聲功率?？梢娫肼暪β逝c噪聲溫度之間是一種線性關(guān)系，噪聲功率越大，噪聲溫度也就越高。

當(dāng)雷達(dá)受到外界干擾時(shí)，雷達(dá)認(rèn)定外界干擾為噪聲，外界噪聲功率與內(nèi)部噪聲功率疊加后進(jìn)入接收系統(tǒng)，那么此時(shí)噪聲功率便會(huì)增強(qiáng)，由式（7）可知對(duì)應(yīng)時(shí)刻系統(tǒng)的噪聲溫度升高。

根據(jù)天氣雷達(dá)方程，新一代天氣多普勒雷達(dá)對(duì)于回波強(qiáng)度測(cè)量關(guān)鍵在于確定回波接收功率和發(fā)射功率的在線測(cè)量校正，后端信號(hào)處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收回波功率進(jìn)行實(shí)時(shí)回波強(qiáng)度測(cè)量值在線修正[9]。當(dāng)干擾信號(hào)與真實(shí)氣象目標(biāo)回波信號(hào)一同進(jìn)入接收機(jī)通道后，系統(tǒng)定標(biāo)時(shí)檢測(cè)到的實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于期望值，在線修正為保證回波強(qiáng)度正常，便會(huì)降低實(shí)測(cè)值強(qiáng)度；同時(shí)大功率干擾的進(jìn)入導(dǎo)致接收通道的靈敏度驟降，達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，便檢測(cè)不到真實(shí)目標(biāo)信號(hào)。這也體現(xiàn)了壓制式干擾用干擾信號(hào)淹沒(méi)真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)的特性。

4 接收機(jī)保護(hù)模塊維護(hù)維修流程

重慶陳家坪SA雷達(dá)在2012年4月就因大功率信號(hào)進(jìn)入天線形成了壓制式干擾模式，雷達(dá)出現(xiàn)線性通道噪聲電平變壞、線性通道增益標(biāo)定檢查變壞等故障報(bào)警，最終使接收機(jī)保護(hù)器被燒。維護(hù)保障人員需要對(duì)接收機(jī)保護(hù)器模塊有清晰的認(rèn)識(shí)，才能排除故障解決問(wèn)題。

4.1 接收機(jī)保護(hù)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)

接收機(jī)保護(hù)器（2A3）位于天饋和低噪聲放大器（2A4）之間，它是保護(hù)雷達(dá)在發(fā)射脈沖信號(hào)期間隔離大功率微波信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的微波器件，是由射頻高功率二極管和無(wú)源二極管限幅器組成。當(dāng)RDA計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)保護(hù)器命令，經(jīng)過(guò)如圖6所示的流程到達(dá)保護(hù)器驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)過(guò)模塊處理后發(fā)出接收機(jī)保護(hù)命令（即驅(qū)動(dòng)信號(hào)），通過(guò)兩根BNC線進(jìn)入接收機(jī)保護(hù)器，其中高功率二極管開關(guān)立即響應(yīng)此驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使高功率二極管處于高隔離狀態(tài)，類似于斷路狀態(tài)，它每個(gè)周期的斷開時(shí)間大概是16.8 μs，而發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖信號(hào)寬度是1.56 μs/4.50 μs，包含在16.8 μs內(nèi)，從而保證了發(fā)射機(jī)在發(fā)射脈沖期間不會(huì)有射頻能量進(jìn)入低噪聲放大器。同時(shí)，二極管開關(guān)還要將其高隔離狀態(tài)反饋給二極管狀態(tài)監(jiān)視器，此監(jiān)視器把接收機(jī)的保護(hù)響應(yīng)返送給RDA計(jì)算機(jī)，該響應(yīng)告知接收機(jī)已經(jīng)處于保護(hù)狀態(tài)，允許發(fā)射機(jī)向天線發(fā)射高功率射頻脈沖。

接收機(jī)保護(hù)器命令和響應(yīng)是保證發(fā)射機(jī)充放電時(shí)序正常的必須條件，當(dāng)RDA計(jì)算機(jī)接收到保護(hù)器響應(yīng)后才會(huì)發(fā)出發(fā)射機(jī)各組件工作的命令。檢查保護(hù)器命令和響應(yīng)通常是在5A16上的測(cè)量點(diǎn)處測(cè)量信號(hào)波形。正常情況下兩者都應(yīng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波。

從圖6可以看出，保護(hù)器驅(qū)動(dòng)模塊的輸出直接進(jìn)入接收機(jī)保護(hù)器，控制高功率開關(guān)二極管隔離狀態(tài)，也就是說(shuō)接收機(jī)保護(hù)器的正常工作是受驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。一般檢測(cè)時(shí)直接用示波器接入驅(qū)動(dòng)模塊的輸出，觀察示波器的波形和幅度。正常時(shí)也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，如圖7所示。endprint

若驅(qū)動(dòng)信號(hào)正常，那么就需要檢測(cè)接收機(jī)保護(hù)器本身是否有損壞。SA雷達(dá)接收機(jī)保護(hù)器的好壞通常是用萬(wàn)用表去測(cè)量BNC線電壓，若正常，則電壓值在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如圖8所示。

4.2 無(wú)源限幅器

除開關(guān)二極管外，限幅器也是保護(hù)接收機(jī)保護(hù)器的另一個(gè)重要組成部分。當(dāng)RDA計(jì)算機(jī)撤銷接收機(jī)保護(hù)命令后，二極管開關(guān)便處于低損耗狀態(tài)，無(wú)源限幅器就會(huì)限制接收到的回波或者測(cè)試信號(hào)進(jìn)入低噪聲放大器的最高射頻能量。它是由一對(duì)二極管組成，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)兩端的芯相互導(dǎo)通，兩端的殼相互導(dǎo)通；其芯和殼之間是二極管屬性，殼對(duì)芯不導(dǎo)通。

限幅器對(duì)輸入信號(hào)特性表現(xiàn)為：當(dāng)進(jìn)入的信號(hào)小于7 dBm時(shí)，輸出信號(hào)是線性的，衰減小于1 dB；若進(jìn)入的信號(hào)大于7 dBm時(shí)，輸出信號(hào)始終是7 dBm；倘若進(jìn)入的信號(hào)超過(guò)15 dBm時(shí)，則容易燒毀限幅器。重慶SA雷達(dá)在2012年4月正是由于大功率電磁信號(hào)的進(jìn)入燒毀了限幅器，雷達(dá)停止工作。

5 結(jié) 論

從雷達(dá)圖和相關(guān)參數(shù)情況可以得出，重慶新一代天氣雷達(dá)在2012年4月27日11時(shí)30分左右工作時(shí)受到了來(lái)自西北方的大功率電磁波干擾。此電磁波應(yīng)該是由干擾機(jī)產(chǎn)生，發(fā)射的是一種大功率的連續(xù)波信號(hào)，屬于寬帶干擾。此噪聲是屬于射頻噪聲或者是噪聲調(diào)制信號(hào)則無(wú)法從圖像上判斷，需要對(duì)基數(shù)據(jù)做深一步信號(hào)提取與識(shí)別才能得出結(jié)論。此干擾信號(hào)在脈沖多普勒天氣雷達(dá)接收脈沖到來(lái)時(shí)，與氣象回波信號(hào)一同進(jìn)入接收機(jī)通道，正是由于這種時(shí)域的連續(xù)性，導(dǎo)致氣象脈沖雷達(dá)在整個(gè)體掃過(guò)程中強(qiáng)度與速度信息都受到干擾，這種干擾模式簡(jiǎn)單易行，在電子戰(zhàn)中應(yīng)用十分廣泛。由于干擾信號(hào)功率強(qiáng)度達(dá)到一定值，損壞了重慶陳家坪SA雷達(dá)接收機(jī)保護(hù)器，雷達(dá)故障停機(jī)，避免了對(duì)接收通道的毀壞，可見接收機(jī)保護(hù)器對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的重要性。本文最后對(duì)接收機(jī)保護(hù)器部分的日常維護(hù)維修技術(shù)進(jìn)行了梳理總結(jié)，旨在與廣大氣象雷達(dá)機(jī)務(wù)保障者交流探討。

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