地基氣象雷達同頻干擾信號產生與回波特征分析

舒 毅，王聰曉，陳 賽，張福貴

(1.成都信息工程大學，成都 610225；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.福建省泉州市氣象局，泉州 362000；4.福建省晉江市氣象局，晉江 362200；5.廈門市氣象局氣象臺，廈門 361000)

0 引言

地基氣象雷達是氣象觀測降水的現代化手段，隨著地基氣象雷達布局規劃數目增加，電磁干擾現象也越來越頻繁，其影響雷達數據產品質量明顯[1-23]。根據中國氣象局氣象探測中心對全國地基氣象雷達電磁干擾現象的統計：2018年7月全網運行的地基氣象雷達在上傳至國家級的基數據中，電磁干擾現象導致數據出現質量問題的雷達有21部，累積總頻次為9219次，占當月全部數據質量問題的96.59%；2019年1月全網運行的地基氣象雷達在上傳至國家級的基數據中，因電磁干擾現象出現數據質量問題的雷達有16部，累計總頻次為6544次，占當月全部數據質量問題的96.98%。由此可見，電磁干擾現象影響地基氣象雷達的數據質量問題已經相當嚴重。

雖然地基氣象雷達為脈沖多普勒體制雷達，具有很強的反雜波能力，但脈沖多普勒體制地基氣象雷達遭受到同頻干擾時，干擾信號經多普勒處理后會平均到每個多普勒通道，通常表現為多普勒通道噪聲基底電平的提升[24]。文章針對多普勒體制采用脈沖壓縮技術的地基氣象雷達之間的同頻干擾問題，與地基氣象雷達同頻干擾產生的雷達干擾回波一一對應，重點對業務運行中的地基氣象雷達頻繁出現的同頻同步干擾現象和同頻異步干擾現象這兩種情況以及同頻干擾雷達回波特征進行了相關的研究和分析。

1 地基氣象雷達同頻干擾產生

地基氣象雷達之間的同頻干擾現象本質上屬于大氣環境電磁內部的兼容性問題，由于地基氣象雷達的極化方式相同、發射信號相關參數相近或者發射信號頻率相近，尤其是相距較近的兩部雷達同時開機工作時，由于同頻雷達干擾信號為定量確定信號，非隨機量，雷達天線主副瓣均可正常接收，由此在氣象雷達之間會出現非常嚴重的電磁干擾現象；進入雷達接收機的干擾信號一是直接來源于干擾雷達的發射信號，二是來源于干擾雷達的發射信號通過目標物、地物等的反射信號[25]。

假定現有部署的兩部地基氣象雷達發生同頻干擾，地基氣象雷達B的發射信號傳輸到地基氣象雷達A并被接收，地基氣象雷達A為被干擾雷達，地基氣象雷達B為干擾雷達，信號發射饋源相對距離為R0，A、B兩部地基氣象雷達彼此獨立工作。

設定地基氣象雷達A發射信號的脈沖寬度為τ1，脈沖重復頻率為APRF；地基氣象雷達B發射信號的脈沖寬度為τ2，脈沖重復頻率為BPRF，則兩部地基氣象雷達發射脈沖之間的時間間隔為Δti，i=0，1，2，3，…，它可以為一個恒定值保持不變或者為一個變化值(不斷變大或者不斷變小)。

同一類型的多部地基氣象雷達基本干擾屬性是同頻的、單向的、高功率的且多方位的干擾，尤其是在近距離上有主瓣和副瓣干擾同時存在的可能。假定出現干擾的A、B兩部地基氣象雷達頻率相同，理論上可以用二次雷達方程進行分析：

(1)

式中，Pr為被干擾地基氣象雷達A接收到的理論干擾信號功率；Gr為被干擾地基氣象雷達A的天線增益；Pt為干擾地基氣象雷達B的發射功率；Gt為干擾地基氣象雷達B的天線增益；R0為A、B兩部地基氣象雷達之間的相對距離；Lp為大氣吸收損耗；La為極化損耗；Lt為饋線傳輸損耗。

但實際上，在同型的兩部或多部地基氣象雷達之間不存在使用發射中心頻率完全相同的情況，所以必然存在一定的中心頻率偏移，即被干擾地基氣象雷達A接收到的實際干擾信號功率Pr實小于或者等于理論干擾信號功率Pr，當且僅當遭受到外部非同型雷達的同一頻點信號干擾時存在取等號的可能，即公式(2)：

Pr實≤Pr

(2)

同時干擾信號功率必須不小于被干擾地基氣象雷達A接收系統的靈敏度功率Pr靈敏度，干擾信號才能被地基氣象雷達A的接收系統完全接收，從而產生同頻干擾現象，即公式(3)：

Pr靈敏度≤Pr實

(3)

綜合式(1)、(2)、(3)，可以得到地基氣象雷達產生同頻干擾現象的干擾信號功率計算公式及其范圍，見公式(4)：

(4)

2 同頻異步干擾脈沖信號與回波特征

2.1 同頻異步干擾脈沖信號

根據A、B兩部地基氣象雷達脈沖重復頻率PRF之間的差異，同頻干擾現象被分為同頻異步干擾現象和同頻同步干擾現象[26]。當A、B兩部地基氣象雷達的脈沖重復頻率PRF不同(即APRF≠BPRF)、相互不為整數倍關系或者處于脈沖重復頻率PRF參差狀態時，同頻干擾信號表現為異步干擾，又稱為同頻異步干擾現象[27，28]。尤其是多部地基氣象雷達同時開機工作時，異步干擾現象最為容易產生，也最為常見。A、B兩部地基氣象雷達脈沖重復頻率間的差異Δtp=|1/BPRF-1/APRF|，則兩部地基氣象雷達發射脈沖之間的時間間隔為變化值Δti=Δt0+i×Δtp(Δti<1/APRF，i=0，1，2，3…)；那么地基氣象雷達B對地基氣象雷達A造成的干擾信號在地基氣象雷達A的雷達回波中的相對位置也是一個不斷變化的值，圖1為異步干擾脈沖信號半徑示意圖，圖中黑色脈沖即為產生的干擾脈沖信號，干擾脈沖信號的半徑ΔRi=C×Δti+R0，式中，C為光速，R0為A、B兩部地基氣象雷達的饋源相對距離；因為不同雷達脈沖重復周期之間存在的微小差別，所以Δti會隨時間緩慢變化(變大或變小)，從而使干擾信號的半徑ΔRi相應出現變化，即ΔRi隨時間緩慢增大或減小。

圖1 異步干擾脈沖信號半徑示意圖

2.2 異步干擾信號與回波特征

地基氣象雷達產生的同頻異步干擾脈沖信號最終體現在被干擾地基氣象雷達A生成的回波產品圖像中，干擾信號回波呈現螺旋狀(順時針或者逆時針、發散或者吸收)。由于干擾信號的脈沖寬度和脈沖重復頻率PRF都不同，干擾信號的線寬、線距也不相同；特別是在干擾源距離近、發射功率強、天線方向正對條件下，同頻異步干擾現象表現得最為嚴重，被干擾雷達A生成干擾信號回波，圖2為地基氣象雷達同頻異步干擾信號回波，其特征如下：

1)異步干擾脈沖信號在徑向上為1個方位單元；

2)異步干擾脈沖信號在徑向上的大小Ai=C×τ2；

3)相鄰異步干擾脈沖信號之間距離間隔為ΔRP=C×Δtp；

4)因為不同地基氣象雷達之間的脈沖重復周期存在微小差別，隨時間緩慢變大或變小，故干擾半徑ΔRi也會相應增大或減小，干擾信號在被干擾地基氣象雷達A中產生的雷達回波圖表現為螺旋狀發散曲線，呈現順時針或者逆時針旋轉，如圖2(a)、(c)所示；

圖2 地基氣象雷達同頻異步干擾信號回波(a)同頻異步干擾(順時針)；(b)同頻異步干擾信號(逆時針)；(c)實際異步干擾信號回波(順時針)；(d)實際異步干擾信號回波(逆時針)

5)當被干擾雷達A的APRF相比干擾雷達B的BPRF越大，異步干擾脈沖信號之間的間隔就越大，在地基氣象雷達A產生的回波圖表現為干擾信號回波越來越稀疏，如圖2(b)、(d)所示。

3 同頻同步干擾脈沖信號與回波特征

3.1 同頻同步干擾脈沖信號

當A、B兩部地基氣象雷達的脈沖重復頻率相同(即APRF=BPRF時)或者脈沖重復頻率之間成整數倍關系(APRF=N×BPRF或者BPRF=N×APRF)時，同頻干擾信號表現為同步干擾，即為同頻同步干擾現象。根據A、B兩部地基氣象雷達脈沖重復頻率PRF之間的關系，若兩部地基氣象雷達的脈沖重復頻率相同即APRF=BPRF或者被干擾地基氣象雷達A的脈沖重復頻率為干擾地基氣象雷達B的脈沖重復頻率的N倍時，即APRF=N×BPRF時，Δtp=0，則兩雷達發射脈沖之間的時間間隔為恒定值Δt0，同步干擾脈沖信號在被干擾A雷達中的徑向位置也是恒定值，圖3(a)為同步干擾脈沖信號半徑示意圖，黑色脈沖即為同步干擾脈沖信號，干擾脈沖信號在徑向上的位置為ΔR=C×Δt0+R0，式中ΔR稱為干擾半徑，R0為兩部地基氣象雷達位置的相對距離；若干擾地基氣象雷達B的脈沖重復頻率為被干擾地基氣象雷達A的脈沖重復頻率的N倍時，即BPRF=N×APRF時，干擾脈沖信號的半徑ΔRi=C×Δti+R0，式中R0為兩部地基氣象雷達的相對距離，圖3(b)為同頻同步干擾脈沖信號半徑示意圖，灰色脈沖即為同步干擾脈沖信號。由于不同雷達重復周期間的微小差異，Δti會隨時間緩慢變大或變小，從而使得同步干擾脈沖信號的半徑ΔR和ΔRi相應的增大或減小。

圖3 同頻同步干擾脈沖信號半徑示意圖

3.2 同步干擾信號與回波特征

同頻同干擾脈沖信號具有以下5種特征，圖4為地基氣象雷達同頻同步干擾信號回波。

1)同步干擾脈沖信號在方位上間隔N-1個單元；

2)同步干擾脈沖信號在徑向距離上的大小為R0=C×τ2；

3)當APRF=BPRF時，干擾脈沖信號在徑向中的相對位置為恒定值，干擾信號回波在地基氣象雷達A產生的回波圖中呈現環狀實線，如圖4(a)所示；

4)當APRF=N×BPRF時，干擾脈沖信號在徑向中的相對位置為恒定值，干擾脈沖信號在徑向距離上的大小為A0=C×τ2，干擾信號回波在地基氣象雷達A產生的回波中呈現環狀虛線，如圖4(b)；

5)當BPRF=N×APRF時，干擾脈沖信號在徑向上的大小為A0=C×τ2，干擾脈沖信號在徑向中的相對位置隨時間緩慢變大或者變小，干擾信號回波在地基氣象雷達A產生的回波呈現為多個同心環狀實線，如圖4(c)所示。

圖4 地基氣象雷達同頻同步干擾信號回波

4 結束語

文章在理論上使用二次雷達方程公式進行分析，推導了地基氣象雷達產生同頻干擾現象的干擾信號功率計算公式及其范圍，并以兩部地基氣象雷達出現同頻干擾現象為基礎，與實例相結合分析了地基氣象雷達同頻異步干擾和同頻同步干擾的機制及其干擾信號與干擾回波的特征。當然，若存在多部干擾雷達，那么被干擾地基氣象雷達A遭受的同頻干擾脈沖信號將是多部干擾雷達的干擾信號相疊加。