承德CINRAD(CB)天氣雷達(dá)兩次外界信號(hào)干擾處置過(guò)程分析

金龍 王碩飛 楊雷斌 孫波波 幺倫韜*

1.河北省氣象技術(shù)裝備中心 河北石家莊 050000； 2.承德市氣象局 河北承德 067000；3.南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司 江蘇南京 211100

新一代天氣雷達(dá)通過(guò)電磁波對(duì)云雨等目標(biāo)物的探測(cè)，已在臺(tái)風(fēng)、暴雨和強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)和氣象災(zāi)害防御過(guò)程中發(fā)揮了不可替代的作用[1-3]，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電子設(shè)備工作領(lǐng)域和工作方式的增多，使得無(wú)線射頻信號(hào)在近十年內(nèi)對(duì)氣象雷達(dá)的影響越發(fā)嚴(yán)重，已引起氣象學(xué)界的特別關(guān)注。雷永恒等針對(duì)湖南邵陽(yáng)天氣雷達(dá)同頻電磁干擾進(jìn)行了分析判斷[4]，黃宣鈞等對(duì)廣西機(jī)場(chǎng)C波段天氣雷達(dá)外界同頻干擾和虛假回波干擾進(jìn)行了處置分析[5]，陳忠勇等根據(jù)湖北省內(nèi)天氣雷達(dá)遭受到的高頻數(shù)傳機(jī)、微波引力站、軍用雷達(dá)同頻干擾和臨近氣象雷達(dá)相互干擾進(jìn)行了分類討論并給出了解決建議[6]，在信號(hào)處理方面也有同行專家做了大量研究工作[7-9]，均取得了積極成果。本文結(jié)合承德天氣雷達(dá)出現(xiàn)的干擾情況，根據(jù)雷達(dá)原理和信號(hào)傳輸流程，利用臺(tái)站現(xiàn)有方式對(duì)干擾源進(jìn)行初步判斷，明確了處置方式并給出了C波段天氣雷達(dá)潛在干擾源類型。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

本文根據(jù)承德CB型天氣雷達(dá)2019年至2021年間出現(xiàn)過(guò)的異?；夭ɑ鶖?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)比對(duì)篩選后根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)特征分為兩類，選取其中晴空背景下兩次處置過(guò)程作為本文案例進(jìn)行探討。外圍電磁環(huán)境頻譜數(shù)據(jù)信息來(lái)自測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)使用的安捷倫E4445A型頻譜儀，均在儀表檢定有效期內(nèi)。測(cè)試過(guò)程中用到的雷達(dá)控制軟件為雷達(dá)系統(tǒng)配套的RDASC軟件。

1.2 雷達(dá)工作原理簡(jiǎn)介

天氣雷達(dá)發(fā)射脈沖形式的電磁波到空中，當(dāng)電磁波在傳播過(guò)程中遇到目標(biāo)物后，其后向散射的能量被雷達(dá)系統(tǒng)接收并進(jìn)行分析處理進(jìn)而得到氣象信息[10-11]?？捎煤?jiǎn)化模型表述如下。

Yi(t)=∑VAiexp[2πjf0t]·exp[-2πj(f0+fd)ti]

式中，Ai為第i個(gè)粒子回波的幅度，f0為發(fā)射信號(hào)載頻，fd為第i個(gè)粒子的多普勒頻率，ti為第i個(gè)粒子回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間，V為云雨目標(biāo)物的體積。

發(fā)射—接收—信號(hào)處理是雷達(dá)系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，哪一部分出現(xiàn)故障均會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)異?；虺霈F(xiàn)壞圖。其信號(hào)流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 雷達(dá)信號(hào)流程示意圖

1.3 排查方法

(1)排查雷達(dá)自身運(yùn)行情況。當(dāng)出現(xiàn)回波異常情況時(shí)，我們應(yīng)首先確認(rèn)是雷達(dá)自身故障導(dǎo)致還是由外界異常信號(hào)導(dǎo)致。結(jié)合雷達(dá)工作原理和信號(hào)流程可確定快速排查流程如下：①雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)或運(yùn)行過(guò)程中是否存在故障告警，若存在告警信息，則可由其具體內(nèi)容初步判斷為相應(yīng)鏈路上設(shè)備器件性能下降或故障。②通過(guò)將發(fā)射機(jī)整流組件調(diào)零使其不給充電變壓器賦能，即發(fā)射功率調(diào)零(圖1，b處)，接收系統(tǒng)和信號(hào)處理部分保持不變，若異常回波圖形未發(fā)生變化，則可初步判斷與發(fā)射系統(tǒng)無(wú)關(guān)。③將接收支路單向耦合器處信號(hào)斷開(kāi)(預(yù)選濾波器輸入端，圖1，c處)，此處信號(hào)流為頻率源輸出—四位開(kāi)關(guān)—數(shù)控衰減器—單向耦合器，若顯示器異?；夭ㄏ覠o(wú)任何回波信號(hào)，則能夠初步判斷接收支路和信號(hào)處理部分正常且異常信號(hào)來(lái)自外界；若顯示器異常回波依舊存在(或變化為其他異常形狀)則需繼續(xù)判斷。④將接收機(jī)主通道匹配濾波器輸出端的中頻信號(hào)斷開(kāi)(圖1，d處)，此處信號(hào)流為天線接收的射頻信號(hào)—低噪聲放大器放大—經(jīng)混頻之后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，此時(shí)無(wú)信號(hào)輸入信號(hào)處理部分，若依舊存在異常回波圖像，則可確認(rèn)信號(hào)處理部分故障。⑤利用RDASC軟件中RCW模塊，控制雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)并抬高仰角，若噪聲電平隨天線轉(zhuǎn)動(dòng)變化且隨仰角抬高而減小，則可初步判斷異常信號(hào)來(lái)自外界。

(2)初步判斷干擾源方位。在判斷雷達(dá)系統(tǒng)工作正常且異常信號(hào)來(lái)自外部干擾源后，可利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行干擾源方位的初步判斷。①根據(jù)顯示器回波圖特征初步分析，在顯示器上同心圓狀回波或螺旋狀回波為同頻同步或同頻異步干擾，張文祥等人均進(jìn)行過(guò)詳細(xì)分析[12]。而在顯示器上沿徑向呈現(xiàn)輻射狀回波，可根據(jù)其信號(hào)強(qiáng)度初步判斷干擾源方位。②利用RDASC軟件中RDASOT模塊，控制雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)其噪聲強(qiáng)度初步判斷干擾源方位。③將低噪聲放大器輸出端接入頻譜儀，控制雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)頻譜儀顯示器上信號(hào)變化情況結(jié)合天線方位可初步判斷干擾源方位。

(3)申報(bào)無(wú)線電管理部門協(xié)查。在確認(rèn)雷達(dá)系統(tǒng)工作正常且對(duì)外部干擾源有初步認(rèn)知后，需向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申報(bào)并配合協(xié)查。測(cè)試查找多以固定點(diǎn)位測(cè)試和路測(cè)相結(jié)合的方式，首先選取雷達(dá)站塔樓平臺(tái)和另一處高點(diǎn)進(jìn)行360°全向測(cè)試，將測(cè)試點(diǎn)和信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)在地圖上連線，兩條相交直線確定一個(gè)可疑點(diǎn)，再使用信號(hào)監(jiān)測(cè)車在可疑點(diǎn)附近進(jìn)行路測(cè)排查走訪。

2 干擾實(shí)例處置過(guò)程分析

2.1 實(shí)例一

實(shí)例描述：北京時(shí)2019年7月19日20時(shí)00分，承德雷達(dá)首次在西南方向接收到大面積異?；夭?圖2)，覆蓋約45°范圍，反射率最強(qiáng)值出現(xiàn)在245°方向，東南方向異?；夭ǜ采w約15°范圍，西北方向異?；夭s2°范圍。相似特征回波截至2019年9月斷續(xù)出現(xiàn)超過(guò)4次，每次持續(xù)時(shí)長(zhǎng)均未超過(guò)48小時(shí)，2019年10月至2020年4月期間承德雷達(dá)大修升級(jí)改造，改造末期雷達(dá)聯(lián)調(diào)期間再次出現(xiàn)，2020年4月10日干擾源被查明后此問(wèn)題得到徹底解決。

圖2 實(shí)例一回波強(qiáng)度圖(1.54°仰角)

判斷過(guò)程：首先通過(guò)控制天線方位、斷開(kāi)低噪聲放大器輸出和信號(hào)處理輸入等簡(jiǎn)單操作，可確認(rèn)此干擾不是雷達(dá)系統(tǒng)自身故障，懷疑該異常信號(hào)由外部干擾源導(dǎo)致。將雷達(dá)發(fā)射功率調(diào)零后(或關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī))，控制天線轉(zhuǎn)置方位0°俯仰0.5°和方位245°俯仰0.5°，動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試接收系統(tǒng)底噪由-60.06dB抬升至-13.26dB。將頻譜儀接入接收系統(tǒng)低噪聲放大器輸出端，利用頻譜儀在雷達(dá)頻點(diǎn)5620MHz中心頻率附近查找，發(fā)現(xiàn)干擾源頻譜分布在5615～5630MHz(圖3)，隨著雷達(dá)天線仰角的抬高信號(hào)逐漸減弱消失。

圖3 實(shí)例一外接頻譜儀測(cè)試圖

處理方式：由于此時(shí)正值河北省主汛期期間雷達(dá)不允許停機(jī)，且第一次發(fā)生干擾事件處置經(jīng)驗(yàn)欠缺，在確認(rèn)雷達(dá)系統(tǒng)不存在故障后立即向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申報(bào)請(qǐng)求協(xié)查，自異?；夭ǔ霈F(xiàn)至消失僅斷續(xù)出現(xiàn)了不到48小時(shí)，因持續(xù)時(shí)間較短未能找到干擾源，將范圍初步鎖定在雷達(dá)站245°方向直線距離約3km的工地，直至2020年4月10日干擾源被查明，為工地塔吊不定期私自使用的無(wú)線視頻收發(fā)器，無(wú)線電管理部門現(xiàn)場(chǎng)收繳了該設(shè)備后此現(xiàn)象再未出現(xiàn)。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：由于干擾信號(hào)強(qiáng)度較大，判斷為近場(chǎng)干擾；根據(jù)C波段雷達(dá)頻點(diǎn)縮小電子設(shè)備范圍；結(jié)合城市環(huán)境和地形，需重點(diǎn)排查工地、通信塔等場(chǎng)所；由于雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度較高，在考慮同頻干擾的同時(shí)，干擾源的N次諧波也應(yīng)在考慮范圍內(nèi)。

2.2 實(shí)例二

實(shí)例描述：北京時(shí)2020年11月15日20時(shí)00分開(kāi)始，承德雷在東南方向接收徑向異?；夭?，長(zhǎng)度貫穿整個(gè)顯示器(圖4)，反射率值相對(duì)較低，隨著天線仰角的抬高此異?；夭ㄖ饾u減弱至消失。相似特征回波出現(xiàn)頻率較高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖4 實(shí)例二回波圖(左為回波強(qiáng)度，右為速度)

判斷過(guò)程：在確定雷達(dá)系統(tǒng)自身工作正常后，判斷該異?；夭▉?lái)自外界干擾，由于其在顯示器上面積不大強(qiáng)度不高，存在位置和強(qiáng)度穩(wěn)定不變，懷疑為遠(yuǎn)場(chǎng)干擾。為了進(jìn)一步了解干擾源的方位和強(qiáng)度等基本信息，使用RDASOT模塊，控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)觀察軟件示波器中噪聲采樣值的變化。(1)手動(dòng)控制天線保持0.5°仰角以20°步長(zhǎng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)360°讀取噪聲采樣值。(2)控制天線保持1.5°仰角，其他不變?cè)谵D(zhuǎn)動(dòng)一周，讀取噪聲采樣值，結(jié)果見(jiàn)(圖5左圖)?？梢钥闯龈蓴_信號(hào)最強(qiáng)值出現(xiàn)在天線仰角0.5°方位155～165°之間，隨著仰角由0.5到抬升至1.5°干擾信號(hào)減弱。(3)手動(dòng)控制天線方位以1°步長(zhǎng)在155～165°之間轉(zhuǎn)動(dòng)，仰角從0.5°抬至2.5°，讀取噪聲采樣值。結(jié)果見(jiàn)(圖5右圖)?？梢钥闯龈蓴_信號(hào)最強(qiáng)值出現(xiàn)在天線仰角0.5°方位161°處，隨著仰角由0.5到抬升至1.5°干擾信號(hào)減弱，抬升至2.5°干擾信號(hào)消失。可初步判斷干擾信號(hào)出現(xiàn)在雷達(dá)站方位161°處。(4)將頻譜儀接入接收系統(tǒng)低噪聲放大器輸出端，低噪聲放大器自身帶寬為5400～5800MHz，在低噪聲放大器輸出端測(cè)試時(shí)可測(cè)出400MHz帶寬的干擾信號(hào)。干擾信號(hào)最大功率-66.73dBm，此時(shí)頻點(diǎn)為5625.33MHz(圖6左圖)。可以看出該干擾源頻譜分布較廣，信號(hào)功率相對(duì)較低。(5)將頻譜儀接入匹配濾波器的輸出端即AD前(圖1，d處)，此時(shí)為接收主通道射頻信號(hào)5620MHz經(jīng)過(guò)混頻之后的中頻信號(hào)33.6MHz，中頻帶寬為1MHz，接在此處精準(zhǔn)且直接反映了信號(hào)處理收到了外部干擾信號(hào)(圖6右圖)。

圖5 控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行噪聲采樣(左為20°步長(zhǎng)轉(zhuǎn)360°，右為1°步長(zhǎng)轉(zhuǎn)12°)

圖6 左圖為實(shí)例二外接頻譜儀低噪聲放大器輸出端;右圖為實(shí)例二外接頻譜儀測(cè)試中頻信號(hào)

處理方式：在確認(rèn)雷達(dá)系統(tǒng)正常并初步了解干擾信號(hào)基本特征后，隨即向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申報(bào)請(qǐng)求協(xié)查。無(wú)線電管理部門在雷達(dá)站塔樓平臺(tái)并未監(jiān)測(cè)到該信號(hào)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析可能有兩點(diǎn)原因，一是承德雷達(dá)站所處地區(qū)周邊多山，低仰角遮擋嚴(yán)重，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能不夠高。二是干擾信號(hào)強(qiáng)度較弱，加之測(cè)試設(shè)備靈敏度不夠高，影響了測(cè)試效果。經(jīng)協(xié)調(diào)第二次測(cè)試時(shí)攜帶了C波段有源低噪聲放大器，在雷達(dá)平臺(tái)和另外一個(gè)山頭通過(guò)兩條相交直線確定一個(gè)可疑點(diǎn)的方法最終在一處工地找到了該干擾源。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：由于信號(hào)強(qiáng)度和面積均較小，判斷為遠(yuǎn)場(chǎng)干擾，在測(cè)試查找過(guò)程中，對(duì)測(cè)試設(shè)備靈敏度有較高要求，測(cè)試查找過(guò)程可借鑒陳忠勇等人微波站干擾處置方法不再贅述。在有了上次異?；夭ǜ蓴_處置經(jīng)驗(yàn)后，結(jié)合本次處置過(guò)程逐漸將類似情況流程化：(1)確認(rèn)雷達(dá)系統(tǒng)自身無(wú)故障。(2)利用現(xiàn)有條件初步了解干擾信號(hào)特征。(3)向上級(jí)氣象主管部門報(bào)告異常干擾情況并做好記錄。(4)向無(wú)線電管理部門申報(bào)請(qǐng)求協(xié)查并做好配合工作。(5)將最終查處情況向上級(jí)氣象主管部門匯報(bào)。

3 干擾設(shè)備介紹

通過(guò)無(wú)線電管理部門兩次查處，干擾源均鎖定在工地塔吊上的無(wú)線網(wǎng)橋。無(wú)線網(wǎng)橋一般應(yīng)用在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸、室外遠(yuǎn)距離無(wú)線橋接等場(chǎng)景，通常由兩個(gè)或兩個(gè)以上的無(wú)線設(shè)備組成，數(shù)據(jù)信號(hào)雙向傳輸，每臺(tái)設(shè)備均具備無(wú)線信號(hào)的收發(fā)能力。一端網(wǎng)橋把網(wǎng)線中的信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線電磁波信號(hào)并定向發(fā)射到空氣中。另外一端的網(wǎng)橋接收空氣中的無(wú)線電磁波信號(hào)并轉(zhuǎn)化為有線信號(hào)，通信距離可達(dá)50千米。無(wú)線網(wǎng)橋一般可分為2.4G和5.8G這兩種，2.4G頻段的網(wǎng)橋發(fā)射的電磁波信號(hào)容易受其他設(shè)備發(fā)射的信號(hào)干擾，造成傳輸質(zhì)量下降。現(xiàn)多使用5.8G頻段的網(wǎng)橋，其優(yōu)點(diǎn)是頻率高信道純凈傳輸帶寬大。由于該設(shè)備隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，部分設(shè)備器件性能變化，可導(dǎo)致頻點(diǎn)發(fā)生漂移等，均會(huì)影響我方C波段雷達(dá)正常工作。

結(jié)語(yǔ)

天氣雷達(dá)異常回波干擾工作的排查是一項(xiàng)細(xì)致復(fù)雜的工作，同時(shí)還涉及與外單位的相關(guān)協(xié)調(diào)工作，建立一套行之有效的處置流程，可以快速準(zhǔn)確地查找到干擾源，在出現(xiàn)異常回波后我們應(yīng)立足于雷達(dá)原理，由設(shè)備內(nèi)部到外界環(huán)境逐一排查，同各相關(guān)業(yè)務(wù)單位保持互通建立良好的合作關(guān)系，在嚴(yán)格遵守電磁頻率使用規(guī)范的同時(shí)還應(yīng)在氣象雷達(dá)信號(hào)編碼、質(zhì)控算法優(yōu)化等方面繼續(xù)探索研究。