探空雷達對衛星接收信道飽和干擾的處理

■ 梁永樓 賈樹波 沙金 郭雪星

通過L波段探空雷達對我國風云三號（FY-3）衛星數據接收處理系統的干擾分析，提出了解決或降低鄰頻干擾的處理方法，從而使FY-3衛星數據接收處理系統和L波段探空雷達兼容部署，可共同利用電源、機房、網絡等資源，建設FY-3衛星數據接收處理系統。

在中國氣象局于全國部署FY-3衛星數據接收處理系統選址工作中，發現FY-3衛星數據接收處理系統與L波段探空雷達工作頻率存在嚴重的鄰頻干擾。若能通過技術手段，解決或降低其鄰頻干擾的影響，便可以充分利用氣象觀測場機房、供電、通信等環境條件，建設FY-3衛星數據接收系統，達到集中建設、集約化管理效果。

針對以上要求，本文通過對L波段探空雷達對FY-3衛星數據接收處理系統的干擾分析，從而提出了解決或降低鄰頻干擾的處理方法。

1 L波段探空雷達對FY-3衛星數據接收處理系統簡介

表1給出了L波段探空雷達和FY-3衛星數據接收處理系統的基本理論參數及測量數據。其中，FY-3衛星數據接收處理系統L頻段低噪聲放大器（LNA）主要技術參數如下：

1）頻率范圍： 1.68～1.71 GHz

2）噪聲溫度：≤50 K

3）增益：≥50 dB

4）輸出1 dB壓縮點：≥15 dBm

表1 L波段探空雷達和FY-3衛星數據接收處理系統基本理論參數及測量數據

另外，FY-3衛星L波段數據廣播EIRP為42 dBm，空間傳播到地面信號損耗-152 dB（仰角8°），實際接收地面衛星信號功率-110 dBm。系統設計FY-3衛星數據要求接收高靈敏度、高增益。而L波段探空雷達功率15 kW（即71.76 dBm）。

從以上參數可看出，L波段探空雷達和FY-3衛星數據接收處理系統工作頻率接近，分別為（1675±10）MHz（時間測量值）和1690～1710 MHz，雷達發射功率遠大于FY-3衛星L波段數據功率。

通過建站現場所測頻譜圖進行簡單比較，圖1為FY-3衛星數據接收處理系統未接收任何衛星時的工作頻譜圖。其中，M1點為中心頻點，右側為手機基站信號。

圖1 FY-3衛星數據接收處理系統未接收任何衛星工作頻譜圖

圖2為FY-3衛星數據接收處理系統接收NOAA19衛星時的工作頻譜圖。M2點為NOAA19衛星信號的頻譜圖。

圖2 FY-3衛星數據接收處理系統接收NOAA19衛星頻譜圖

圖3為L波段探空雷達的工作頻譜圖。其中，M2點為探空雷達的中心頻點。可以發現，雷達信號功率過強，峰值1675 MHz電平可達到-17.08 dBm，即使非峰值1690 MHz電平也可達-45.29 dBm，也比接收NOAA19衛星數據信號電平高23.04 dBm。

圖3 L波段探空雷達工作頻譜圖

2 L波段探空雷達對FY-3衛星數據接收處理系統干擾分析

L波段探空雷達跟蹤漂移上升的探空氣球工作，FY-3衛星數據接收處理系統跟蹤過境的極軌衛星。當兩種設備布設距離較近時，大功率的雷達勢必在開機工作時間對FY-3衛星數據接收處理系統造成干擾。

假設衛星數據信號為Fc(t)=A×cos(w1t)，雷達信號為Fr(t)= B×cos(w2t)。這兩個信號在接收系統信道中疊加，形成新的信號F(t)=A×cos(w1t)+B×cos(w2t)。

考慮到雷達信號遠比衛星數據信號強（A〈〈B），則

式中，m0=A/B，Ω=w1-w2。

式（1）說明，F(t)是一個調幅調相波，其中，1+m0×cosΩt是調幅波，調制度為m0，調制信號頻率為Ω。信號cos(w2t+m0×sinΩt)為調相波，信號中心頻率變為雷達信號頻率w2。

當較弱的衛星數據信號和強干擾L波段雷達信號進入接收系統信道中，信號幅度較強，信道非線性使信號形成雙向限幅，合成信號包絡中幅度調制部分被抑制削弱，保留相位調制部分，相位變化中還保留部分有用信號。

由于B〉〉A，所以m0很小。

又由于B很大，輸出信號的雜信比變得很小。當B足夠大時，輸出信號的信雜比趨于0，形成飽和阻塞。

L波段探空雷達對FY-3衛星數據接收處理系統的影響因素有四種：1）雷達工作信號為脈沖信號，信號帶寬很寬；2）雷達發射功率大，信號強；3）FY-3衛星數據接收處理系統靈敏度高，系統增益大；4）雷達信號造成接收信道飽和阻塞，影響接收質量。這四種影響因素，相互依存，最終達到的影響效果即為造成接收系統的信道形成飽和阻塞。下文針對如何降低或是抑制接收信道的飽和阻塞進行分析說明。

3 解決飽和干擾

3.1 信號濾波

當Ω（頻差）較大時，可考慮在系統入口（LNA）增加（高、低通）濾波器，可有效濾除雷達干擾信號，降低“干擾”信號幅度，減少甚至完全消除干擾影響。

這對濾波器要求很高的矩形度，帶寬不小于30 MHz。濾波器通帶內差損一般不小于0.6 dB，而對微弱的衛星信號接收機要求有較大的輸出信噪比（S/N），接收機系統內部噪聲必須盡可能小。一個多級聯的高增益接收系統，全系統的噪聲大小主要取決于第一級放大器噪聲大小及增益，再兼顧濾波與系統噪聲的設計原則，濾波器至少不能設計在LNA的首級，必須解決接收機放大器，前級飽和阻塞問題一般設計在次級或者后級。

3.2 大動態技術

在設計上，低噪聲技術和大動態技術是矛盾的。低噪聲技術要求有源器件本身產生的噪聲低、接收靈敏度高，在滿足該要求的情況下，會采用小電流、低噪聲的微波原件，但其動態會小近20 dB。大動態技術會采用大電流、高噪聲的微波器件。滿足了大動態的技術要求，又不能滿足系統低噪聲、高接收靈敏度的要求。因此解決好LNA的接收靈敏度和其大動態接收性能的矛盾，是成功研制相應LNA的關鍵技術。

采用新技術，自行研制出了L波段大動態低噪聲放大器，線性功率大于25 dBm，噪聲系數0.7 dB，三階交調優于50 dBc，在實際使用中，低噪聲放大器始終工作在線性區，保證接收通道正常工作，并通過氣象局對此系統產品的定型。

4 應用實例

通過合理設計的濾波器，可有效地解決了雷達對FY-3系統的干擾。圖4是無濾波器時接收到的雷達信號的（干擾）頻譜圖。

圖5為信道合理配置濾波器后接收信號頻譜圖。M1是濾波后帶外信號，M2是濾波帶內信號，可見濾波抑制帶外信號效果顯著。

圖4 無濾波器頻譜圖

5 小結

本文通過對L波段探空雷達對FY-3衛星數據接收處理系統的干擾分析，提出了解決飽和干擾的技術途徑，設計兼顧噪聲合理使用濾波器，成功應用解決實際問題，為氣象雷達探空和FY-3衛星數據接收處理系統的共存，提供了技術保障。

圖5 前端增加濾波器后頻譜圖

在實際工作中，在站址選擇上應盡量拉大L波段探空雷達與FY-3衛星數據接收處理系統的距離，降低“干擾”信號強度，保證FY-3衛星數據接收處理系統的正常工作。