機載氣象雷達下和差波束抑制地雜波研究?

莊 健,朱岱寅

(中航雷達與電子設備研究院，江蘇無錫214063)

0 引言

機載氣象雷達具有氣象目標檢測、氣象預警等功能，它極大地提高了氣象預警的實時性和準確性[1]。在機載雷達系統中，氣象檢測面臨的最主要問題就是地雜波的干擾。由于機載雷達工作時一般處于下視模式，波束必然會照射到地面目標，面臨著比地基氣象雷達更嚴重的地面雜波，雜波范圍分布廣且強度大，特別是在丘陵和山區地帶，雜波強度將達到60～90 dB[2-3]，這將給區分降水類型和分析氣象條件等帶來極大的困難。因此有效地抑制地雜波，不僅能改善機載氣象雷達系統性能，而且對提高機載雷達系統檢測目標的能力具有十分重要的意義[4]。

早期的氣象雷達抑制地雜波方法有雜波圖法，缺點是需要存儲的地物信息量較大。相參動目標顯示法通過氣象與地物的頻譜差異抑制地雜波，當無風或載機運動帶來多普勒頻率時抑制效果也不好。多掃描方法是通過多掃描，利用氣象和地物位于空間上不同距離位置從而改變天線俯角減少地面回波信號[5-6]，這種方法對于近距離和遠距離處雜波抑制是有效的，在中距離處兩者混合很難區分，抑制效果不好。為此提出和差波束方法抑制地雜波，在雷達波束照射到的某一距離處，每個氣象目標與波束中心夾角并不相同，而地雜波與波束中心夾角總是一致，通過和差信號轉換處理，地雜波的差信號反演得到的和信號與天線接收到的和信號差別不大，兩者相減后雜波大部分被抑制，而氣象的差信號反演得到的和信號與天線接收到的和信號差別很大，相減并不會損失氣象信息，因此提出基于和差波束的地雜波抑制方法。

本文介紹了和差波束的原理，給出了基于和差波束的機載氣象雷達下具體的地雜波抑制實施步驟，并提出了波束中心干擾解決方法。通過對機載氣象雷達的仿真數據分析結果，驗證了該算法的有效性。

1 單脈沖和差波束原理

假設在θ方向有一遠區目標，則到達接收點的目標所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d，故它們所收到的信號由于存在波程差ΔR而產生相位差φ，由圖1可知:

圖1 和差波束相位差關系圖

和差波束單脈沖測角原理如圖2所示，φ為波程差引起的相位差，兩天線接收到的回波信號為E，則和差信號分別為

和差信號之間關系為

差信號的振幅大小表明了目標誤差角的大小，即目標偏離天線軸的程度，其相位則表示目標偏離天線軸線的方向[7]。和信號的相位與目標偏離天線軸線的方向無關，主要用于目標檢測和作為差信號的相位基準。和、差信號的相位相差90°。

圖2 和差波束原理圖

2 基于和差波束的機載雷達地雜波抑制

2.1 機載雷達的和差波束抑制地雜波原理

由于地物雜波屬于面目標，相同距離門內所有目標在雷達波束垂直方向內，相對于波束中心的夾角大小和所處波束中心上下位置都是一致的，目標回波功率可以進行相加，最后通過差信號反演出的和信號與天線接收到地雜波的和信號基本沒有差別，兩者相減后，地雜波會被大部分抑制;而氣象目標屬于體目標，相同距離門內的所有目標在雷達波束垂直方向內，相對于波束中心的夾角大小和所處波束中心上下位置都不是一致的，目標回波功率相差很大，所以差信號反演出的和信號與天線接收到氣象回波的和信號相差很大，兩者相減后，氣象回波不會被衰減得厲害。基于以上分析，提出了利用單脈沖測角系統中的和、差波束，進行自適應地雜波的抑制。

如圖3中，在波束范圍內距雷達R處有兩目標，目標1為氣象信號，與波束中心夾角為θ1;目標2為地雜波，與波束中心夾角為θ2。通過氣象雷達方程計算目標1的氣象回波功率為P1，地雜波回波功率為P2，得到和信號功率為

差信號功率為

其中由式(1)可知:

由式(4)知差信號反演得到的和信號為

前后兩次和信號相減得到

這樣便只留下了氣象的信息，而地雜波被抑制了。這就是和差波束抑制地雜波的原理。

圖3 機載雷達下和差波束原理圖

2.2 和差波束方法步驟

和差波束方法步驟如下:

第一步，設置大地坐標系下的飛機的初始位置及波束掃描的俯仰角度。建立氣象信號云層大小位置和地雜波模型。

第二步，根據飛機掃描的波束范圍，計算相同距離內云層和地面的回波功率，分別得到和信號、差信號。

第三步，數據處理，根據雷達地面間直線與波束中心所成夾角計算差信號反演出的和信號，再與天線接收到的和信號兩者相減，以此來抑制地雜波。

第四步，去除波束中心與地面相交處的地雜波，計算處理前后信噪比大小。

2.3 和差波束方法缺陷

和差波束方法是基于氣象和地物雜波所處雷達掃描波束中心位置不同而抑制地雜波的原理。在波束中心觸底位置，該處地雜波與波束中心的夾角為零，地雜波的差信號幅值為零，反演得到的和信號很大，前后兩次和信號相減會引起功率過大，帶來失真，在該位置地雜波不能被很好地抑制，只能人為地剔除該處的回波功率。也可改變波束下俯角進行第二次掃描后與第一次的回波功率圖相比較，便能排除波束中心的干擾。

3 仿真數據處理結果與分析

3.1 氣象回波模擬

為了模擬氣象云層信息，查閱資料[8]，我們選擇雷暴云的水平最大直徑為6 km，云層高度為5 km。然后根據云層大小，將云層分解成多個100 m×100 m×100m的立體單元。按照介電常數和反射率因子的不同給每一個立體小單元賦予不同的反射率數值。考慮到云層是環繞地球的表面分布，在模擬氣象信息時，云層在大地坐標系中應有傾斜角度。氣象參數如表1所示。

表1 氣象參數

根據氣象雷達的基本方程:

式中，

代入式(10)可求得云層中的某一個小單元雷達回波的平均功率為

為了驗證仿真的云層回波的正確性，我們對氣象回波功率譜的仿真結果與理論結果進行比較，云的速度標準差為2 m/s，雷達發射功率為150 W，脈沖重復頻率為2 000 Hz，圖4為氣象回波功率譜的仿真值與理論值。

3.2 地物回波模擬

為了簡便模型，將機載雷達下方地面分成多個100 m×100 m的平面單元，地雜波范圍為一矩形，寬為54 km，長為630 km。然后根據地雜波的線性模型，賦予每個單元不同的散射系數[10-11]。地面雜波散射因子參數如表2所示。

圖4 氣象回波功率譜的仿真值與理論值

表2 地面參數

地面上單位單元反射的雷達回波功率的計算公式如下:

3.3 和差波束方法仿真

下面通過仿真實驗驗證和差波束抑制雜波的性能，仿真中采用的系統參數如表3所示，其中云層離地高度為1 km，波束下俯角為5°，飛機距云層中心距離為50 km。當機載雷達探測正前方云層時，氣象回波和地雜波混疊在一起。橫坐標表示目標與雷達之間的距離，表3為仿真時機載雷達參數。

仿真結果分析如下:圖5為仿真的氣象和差功率圖，圖6為仿真的地雜波和差功率圖，可知雷達接收到的氣象信息會淹沒在地雜波中。圖7為采用和差波束方法抑制地雜波前后功率對比圖。抑制雜波后在距離為50 km處有氣象信號，距離60 km處有回波干擾。通過機載雷達高度，地球半徑和下俯角度的參數可計算出雷達波束中心到達地面距離約為60 km。分析和差波束抑制地雜波的缺陷可知，波束中心處會帶來信號的失真。因此圖7中抑制地雜波后會在該處距離單元上出現雜波干擾信息。為了排除波束中心處的干擾，可通過改變下俯角進行二次掃描，并與第一次結果相比較。圖8為下俯角分別為5°和4°時抑制地雜波后雷達回波功率對比圖，為了比較波束中心的變化，我們觀察雷達前方100 km內的回波功率圖，由圖8可知，下俯角為5°時距離60 km處有一波峰，當下俯角為4°時距離為80 km處也有一處波峰，而距離為50 km處的信號強度沒有改變，由此可知，第二個波峰為波束中心帶來的失真，進行氣象雷達數據處理時應加濾波器加以濾除。

圖5 氣象的和信號與差信號回波功率圖

圖6 雜波的和信號與差信號回波功率圖

圖7 抑制地雜波前后回波功率圖

圖8 下俯角分別為5°和4°時回波信號功率圖

由圖9可知，與雷達距離從48～54 km之間的氣象信息從雜波中區分出來了，同時其他距離上的地雜波強度也大為下降，經計算仿真的信雜比約為-19.3 d B，和差波束抑制雜波后的信雜比為6.6 dB。前后的信雜比改變有25.9 dB。

圖9 和差波束抑制雜波前后雷達回波功率圖

4 結束語

本文首先介紹了單脈沖和差波束原理，然后針對機載氣象雷達回波中地雜波與氣象的和差波束特點，提出了基于和差波束下的地雜波抑制方法。通過仿真實驗，利用和差波束對消地雜波方法是可行的。但是需要根據氣象目標與機載雷達之間距離計算波束中心位置，消除波束中心處的地雜波干擾。該方法在工程實踐中具有一定的使用價值。

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