FOD探測(cè)雷達(dá)與射電天文業(yè)務(wù)的頻率兼容性分析

趙 燚，詹達(dá)誨

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

0 引言

射電望遠(yuǎn)鏡采用被動(dòng)接收的無(wú)源探測(cè)原理，將接收到的微弱電磁信號(hào)經(jīng)高增益天線和接收機(jī)兩級(jí)放大后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波和分析。實(shí)際捕獲到的宇宙天體輻射電磁信號(hào)往往很小，因此需要相關(guān)設(shè)備具備非常高的靈敏性。地面同頻段發(fā)射設(shè)備在距離較近且地物遮擋不強(qiáng)的情況下，將存在進(jìn)入射電望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)強(qiáng)度高于其接收靈敏度的可能性，即對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡造成干擾。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有天文望遠(yuǎn)鏡的基本現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)有射電天文望遠(yuǎn)鏡基本情況詳見(jiàn)表1，覆蓋毫米波頻段的射電望遠(yuǎn)鏡不多，故與FOD探測(cè)雷達(dá)的同頻兼容性相互兼容的也不多。本文以上海某天文臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡為例，分析其與FOD探測(cè)雷達(dá)的頻率兼容性。

表1 我國(guó)現(xiàn)有射電天文望遠(yuǎn)鏡匯總[1]

2 射電天文望遠(yuǎn)鏡受擾準(zhǔn)則

按照ITU-R RA.769，靈敏度即輻射設(shè)備輸入側(cè)能夠發(fā)現(xiàn)的以及測(cè)算的功率P的最低浮動(dòng)。具體定義為

因此，靈敏度方程可以表示為

干擾也可指代入射之天線端口干擾相較于全向天線功率銅梁譜密度。全向天線的等效面積分別為光速與頻率[3]。全向天線干擾接收增益設(shè)成0 dBi，指代干擾由旁瓣傳入。則相對(duì)應(yīng)的干擾功率為：

那么

射電天文觀察機(jī)制包含了連續(xù)型以及譜線型兩種。按照ITU-R RA.769要求分析得到這兩類機(jī)制之下有害干擾的具體干擾門限結(jié)果如表2和表3所示。

表2 連續(xù)觀察模式下有害干擾對(duì)射電天文的干擾門限值

表3 譜線觀察模式下有害干擾對(duì)射電天文的干擾門限值

修改為：無(wú)論76～78 GHz，1～2 GHz帶寬，還是92～96 GHz，1～4 GHz帶寬，只需達(dá)到等效干擾輸入總功不高于-198.2 dBW，那么對(duì)射電天文的干擾功率就會(huì)在ITU-R RA.769建議的限值以下。

ITU-R RA.769假定射電天文接收模塊捕獲的干擾為天線旁瓣所獲得，這時(shí)的天線增益為0 dBi。假設(shè)基于天線主瓣捕獲的，則因?yàn)橹靼暝鲆鏄O大，此時(shí)需要對(duì)增益予以考慮。

2.1 射電望遠(yuǎn)鏡傳播模型

圖1 70～100 GHz空氣衰減系數(shù)

FSL為自由空間傳播模型，即：

通視條件下（不考慮繞射損耗時(shí)），77 GHz和94 GHz的空氣傳播衰減隨著距離變化的曲線如圖2所示。

圖2 77 GHz、94 GHz通視條件下路徑衰減

由于地球曲率的影響，當(dāng)距離超過(guò)通視距離時(shí)，務(wù)必分析繞射損失（具體計(jì)算如ITU-R P.526）。考慮折射通視距離常用式（9）估計(jì)為：

表4 不同高度條件下的通視距離

在通視距離外，繞射損耗可用ITU-R P.526規(guī)定的方法估計(jì)。忽略其他方面的因素，只是分析天氣較好情況下的干擾，最為嚴(yán)苛背景下的干擾。

圖3顯示了77 GHz（天線高度高度0.5 m）和94 GHz（天線高度12 m）時(shí)不同距離的路徑損耗（射電天線架設(shè)高度25 m）。在視界處會(huì)有不連續(xù)點(diǎn)出現(xiàn)。

圖3 77 GHz和94 GHz頻段不同距離下的路徑損耗

圖4 射電天文干擾共存仿真模型圖

3 FOD探測(cè)雷達(dá)干擾模型

FOD探測(cè)雷達(dá)天線具有較窄的輻射主瓣，并且主瓣對(duì)地，因此，可以認(rèn)為FOD探測(cè)雷達(dá)對(duì)其他遠(yuǎn)距離的設(shè)備的干擾是通過(guò)天線副瓣進(jìn)行的，設(shè)備特性和探測(cè)方式?jīng)Q定了塔架式FOD探測(cè)雷達(dá)天線通常不采用俯仰加權(quán)的形式，而邊燈式FOD探測(cè)雷達(dá)天線可能采用俯仰加權(quán)形式。因此假設(shè)塔架式FOD探測(cè)雷達(dá)俯仰向天線副瓣電平相對(duì)主瓣低13 dB，增益為30 dBi；塔架式FOD探測(cè)雷達(dá)俯仰向天線副瓣電平相對(duì)主瓣低20 dB，增益為12 dBi。

目前，F(xiàn) O D 探測(cè)雷達(dá)發(fā)射功率通常不超過(guò)23 dBm，即-7 dBW，發(fā)射瞬時(shí)帶寬約為1～4 GHz，在最為嚴(yán)酷的條件下，干擾總功率不得超過(guò)-198.2 dBW。

4 FOD計(jì)算模型

依據(jù)ECC Rep-056內(nèi)的干擾模擬系統(tǒng)，以天文臺(tái)為核心，設(shè)置于機(jī)場(chǎng)周邊的FOD探測(cè)雷達(dá)所造成的干擾。假設(shè)FOD探測(cè)雷達(dá)的分布遠(yuǎn)小于隔離距離，同一機(jī)場(chǎng)內(nèi)的FOD探測(cè)雷達(dá)與射電天文臺(tái)的距離近似相等。最為惡劣的情況是多個(gè)機(jī)場(chǎng)以射電天文臺(tái)為圓心等距離分布。

則，天文臺(tái)捕獲的干擾總功為：

在仿真中用到的參數(shù)分別如表5和表6所示。

表5 94 GHz塔架式FOD雷達(dá)與射電天文干擾共存仿真參數(shù)

表6 77 GHz邊燈式探測(cè)雷達(dá)與射電天文干擾共存仿真參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述模型及參數(shù)，計(jì)算得到在不同環(huán)繞射電天文臺(tái)機(jī)場(chǎng)數(shù)量的保護(hù)間隔，如表7和表8所示。

表7 不同機(jī)場(chǎng)與塔架式FOD探測(cè)雷達(dá)密度下的保護(hù)間隔

表8 不同機(jī)場(chǎng)與邊燈式FOD探測(cè)雷達(dá)密度下的保護(hù)間隔

6 結(jié)束語(yǔ)

按照分析數(shù)據(jù)，F(xiàn)OD探測(cè)雷達(dá)同天文臺(tái)共存要求的保護(hù)間距最高為40千米，這時(shí)既可以滿足塔架式探測(cè)雷達(dá)的需求，也可以滿足邊燈式探測(cè)雷達(dá)的需求?！?/p>