雷達信號跳變對自動化系統的影響和解決辦法探討

張雅萌

摘要：本文從雷達的工作原理出發，對雷達的工作原理進行了概述，結合雷達探測的過程，從信號檢測錯誤、高度跳變現象、雜波干擾三個方面分析了雷達信號跳變的影響，并針對性的提出了解決辦法。以萊斯自動化系統軟件為例，進行了針對性的升級，并將新軟件應用于測試平臺，經過多次測試，系統運行可靠。

關鍵詞：雷達信號；信號跳變；自動化系統；影響；解決辦法

雷達在探測目標時，不受天氣因素的影響，全天不停歇探測，并且具有一定的穿透力。因為這個原因，雷達被廣泛應用于軍事行業、航空領域，像常見的天氣預報、環境監測、天體研究等都會用到雷達。這些行業所屬的自動化系統的信號皆來源于雷達信號，雷達信號的準確性、全面性決定了自動化系統的運行，一旦雷達信號跳變，極易引起對應的自動化系統運行故障。本文以航空領域及天氣預報領域的雷達系統為例，針對雷達信號跳變對自動化系統的影響和解決方案進行闡述，以促進航空領域的運行安全，提升天氣預報的準確性。

1.雷達的工作原理

雷達主要由天線、發射機、接收機（包括信號處理機）和顯示器等部分組成。雷達發射機產生足夠的電磁能量，經過收發轉換開關傳送給天線，天線將這些電磁能量輻射至大氣中，集中在某一個很窄的方向上形成波束，向前傳播。電磁波遇到波束內的目標后，將沿著各個方向產生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達的方向，被雷達天線獲取。天線獲取的能量經過收發轉換開關送到接收機，形成雷達的回波信號。

為了測定目標的距離，雷達準確測量從電磁波發射時刻到接收到回波時刻的延遲時間，這個延遲時間是電磁波從發射機到目標，再由目標返回雷達接收機的傳播時間。雷達是利用目標對電磁波的反射（或稱為二次散射）現象來發現目標并測定空間任一目標所在位置，可用下列三個坐標來確定：目標的斜距R、方位角a、仰角B。同時也就是說根據雷達接收到的信號檢查是否含有目標反射回波，并從反射回波中測出有關目標狀態的數據。

2.雷達信號跳變類型

2.1信號檢測錯誤

雷達的關鍵作用是探測目標，然后將探測的目標相關坐標數據信號傳回接收端，然而在探測的信號中常常會出現各種噪音的干擾，這種信號干擾性較強，需要進行雷達信號的檢測。檢測系統通過必要的運算處理和對雷達信號進行處理，從而判斷信號的精確性。如果在雷達信號檢測的過程中，因為數據限制取值的不同，可能會導致檢測結果的錯誤，把噪聲誤認為雷達探測到的目標。反之，在檢測的過程中也會出現把目標信號錯認為噪聲的現象，這樣就會錯過雷達探測到的目標。

2.2高度跳變現象

如兩航班航路同向飛行，地理坐標相同，有一定的高度差，當兩航班種的一個航班發生高度跳變，與另一航班處于非常接近的高度時，由于兩個航班的雷達地理位置接近，兩航班的雷達在較短時間內會失去高度顯示，失去雷達信號。

以萊斯自動化系統為例，萊斯自動化系統作為一個先進的多雷達信號跟蹤與航跡融合處理的信息平臺，是航空領域管控監視系統的核心，由于多雷達交叉覆蓋存在盲區，兩架飛機進入盲區后，因地理位置重疊，造成系統主選高度跳變。

2.3雜波干擾

在天氣預報領域，雜波干擾是影響新一代天氣雷達探測數據質量的主要原因。新一代天氣雷達是通過發射電磁波并接收探測空間反射的電磁波信號來探測云雨回波的方式工作的，在其探測波束范圍內的任意目標物均會產生反射回波信號。當地面非氣象目標造成的雷達回波信號被處理進入基數據時，就產生地物雜波。地物雜波對基數據的進一步準確分析影響很大。由于全部雷達產品和算法是建立在基數據上的，因此地物雜波既影響基本產品，也影響導出產品，特別敏感的是對定量降水估計的影響。

3.解決方法

3.1加強信號檢測系統

對于雷達信號的檢測，事先無法確定目標出現的概念，更難預測一次漏檢帶來的損失，所以加強信號檢測系統是關鍵。加強信號檢測系統，通常采用的準則是紐曼—皮爾遜準則，即在保持某一規定的虛警概率下，使漏檢概率達到最小，或使正確檢測概率達到最大。根據這一準則，可推測出雷達信號的最佳檢測系統，雷達信號最佳接收系統是由一個似然比計算器和一個門限判決器組成，不同的準則體現在門限值不同。其中，似然比定義為：有信號時有噪聲時的概率密度函數之比，并且對于相加性平穩高斯白噪聲時的似然比計算器的核心就是匹配濾波器。

雷達檢測的背景隨機過程包括兩種：第一是由天線接收進來的和由接收機前端產生的噪聲，是功率譜密度為常數的平穩隨機過程，稱為白噪聲；第二是發射信號受到帶有隨機起伏的物體，如地物、云雨、箔條等的反射而造成的雜波，由于起伏有相關性，其功率譜密度不是常數，稱為非白噪聲或色噪聲。人為干擾依相對譜寬可分別歸入上述兩種。

3.2加強動態監測

假設共有多部雷達，將各雷達對同一目標進行跟蹤獲得的航跡數據均放在同一個坐標系下，根據一定的數據統計方法，計算出各雷達輸出航跡的距離和方位的權值。此方法以各雷達信號質量動態評估分值作為加權因子，根據信號質量進行權值分配，信號質量好的雷達分配較大權值，反之則較小。在具體應用中，以位于盲區邊緣的航跡中心點為初選條件，當飛機進入某部雷達盲區時，該雷達提供的數據在進行多雷達數據融合時需降低其權重。

3.3雜波處理

地物雜波消除是消除雷達回波信號中由周圍地物所產生回波分量的措施。通常采用動目標顯示裝置來消除地物雜波的影響，但是動目標顯示技術是利用目標具有一定的徑向速度來區分目標與地物的，如果目標的徑向速度很小或為零，例如飛機對雷達作切線飛行，那就無法利用速度區分，在這種情況下要能檢測出目標，仍然只能采用恒虛警率處理。

地物雜波和氣象海浪雜波不同，它沿距離或方位的變化十分劇烈，使單元平均恒虛警率電路難于應用，但是同距離方位單元里的地物雜波，它的振幅隨時間的起伏是很小的，因而可采用“時間單元”平均恒虛警率的處理方法，在時間上取平均值估值，這時將雷達周圍的二維平面分成許多方位距離單元，把方位距離單元的接收信號存入一個存儲器中，每個存儲單元對應一個方位距離單元，并且隨著天線的掃描，每個單元存儲的信號進行遞推更新這就得到幅度雜波圖。

總結

本文以航空領域及天氣預報領域雷達的應用為重點研究對象，分析雷達信號跳變的種種原因，一一給出解決方法。按照上述解決方案，加強了雷達信號檢測，建立了動態監測模式，對雷達信號質量進行權值分配，調整了多雷達融合處理方式，以萊斯自動化系統軟件為例，進行了針對性的升級，并將新軟件應用于測試平臺，經過多次測試，系統運行可靠，為雷達信號質量對眾多領域自動化系統的影響提供參考依據。

參考文獻

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（作者單位：內蒙古空管分局）