頻分多波束技術在相控陣天氣雷達中的應用

王剛，魏艷強，王志銳，賈曉星

（北京無線電測量研究所，北京 100854）

隨著相控陣技術的不斷發展[1-3]，二十世紀六十年代，美國開始利用相控陣技術進行監視和跟蹤飛機。到了七十年代，相控陣技術得到了迅速發展。到了八十年代，相控陣技術開始用于氣象目標的探測，并取得了很好的觀測效果。

相控陣技術能夠進行波束的電子掃描，其多波束觀測技術能夠提高波束掃描效率，但是帶來了天線方向圖的不穩定性，需要進行優化處理。針對相控陣雷達體制的天線方向圖研究，Tai通過研究均勻照射陣列的增益，提出線性陣列增益優化[4]。Uzkov同樣采用均勻陣列進行研究，提出了正規方法進行陣列優化[5]。Cheng和Tseng采用Hermitian二次式方法，得到陣列的方向圖、增益、效率的優化結果[6]。自適應陣列理論目前已經有了很大的發展，基于方向圖優化的數學理論建立在矩陣理論尤其是二次式優化的基礎之上[7-8]。Howells和Applebaum提出受由陣列加權網絡構成的特定靜態陣列方向圖限制的信噪比優化方法，該優化是基于無干擾情況下進行的[9]。Widrow利用搜索陣列輸出信號與某些已知參考信號間的最小均方誤差進行陣列優化[10]。

這些優化算法僅根據對測量結果的處理來優化回波，當相控陣天氣雷達采用多波束觀測大范圍天氣現象時，多波束接收會存在相鄰波束副瓣進入到主瓣的情形。此時接收回波已經混疊在一起，如果副瓣電平較高，很難通過優化算法來抑制干擾。該文在X波段一維相控陣天氣雷達設計基礎上，采用頻分多波束技術進行多頻段波束形成優化處理，來實現多波束接收時去除旁瓣、干擾等影響[11]。

1 脈沖時序的脈沖簇設計

相控陣天氣雷達能夠輸出多個波束，每個輸出波束的方向圖峰值位于空間不同的角度上，即多波束系統。在天氣雷達設計中，要求天線具備高增益和低副瓣要求[12]，還要求系統的兩個相鄰波束在其相交點處的相對增益較高。

相控陣天氣雷達主要的掃描方式有多種[13-15]，如單波束窄發窄收，寬波束發射、多波束接收，多波束發射、多波束接收等模式。在相控陣天氣雷達中，單波束窄發窄收掃描方式與傳統體制的天氣雷達類似，發射和接收都是窄波束。只要發射和接收波束指向不發生大幅度移動，通常副瓣的影響可以忽略，因此不會存在旁瓣的污染問題。但是對于相控陣體制天氣雷達，寬波束發射、多波束接收，能夠采用多個波束同時觀測覆蓋范圍內的目標。這種情況下，會產生不同收發波束間的旁瓣干擾情況。

一種情形是照射的目標后向散射系數基本一致，如圖1所示，發射寬波束照射一定范圍的目標，對接收波束1和接收波束2而言，照射的氣象目標的后向散射系數基本一致，因此，在接收波束2的位置上存在著接收波束1的旁瓣。相控陣天氣雷達天線方向圖的主副瓣都會設計得比較高，方位面波束副瓣≤-29 dB，俯仰面波束副瓣接收最大副瓣電平≤-40 dB。因此，這種情形下，波束污染現象可以忽略。

另外一種情形是回波強度存在較大的差異，接收波束3的旁瓣方向上接收到了接收波束2方向上的回波，由于這兩個方向的目標后向散射系數差異較大，通常認為接收波束3方向上的后向散射系數較比接收波束2方向上的要低很多。波束接收時，并不區分是從主瓣還是從旁瓣接收到的，只要接收功率達到一定的值，則認為波束指向方向有目標存在，形成波束污染。

圖1 寬發窄收旁瓣污染

2 系統介紹

2.1 性能及工作參數

X波段相控陣天氣雷達的體制為一維數字有源相控陣、全固態、全相參、脈沖多普勒等。裂縫天線陣面由64個通道組成，每個通道采用20 W發射功率，總發射功率為1.2 kW。采用全數字T/R組件、數字波束形成、數字脈沖壓縮等先進技術，能夠獲取比常規多普勒天氣雷達更快、更靈活的觀測信息，基本參數如表1所示。

表1 寬發窄收時頻分多波束特性參數

2.2 波形設計

波形時序的選擇是相控陣天氣雷達系統的關鍵。波形時序的選擇決定了脈沖占空比和平均發射功率，進而決定了雷達威力。傳統天氣雷達波形一般采用單發單收或者雙發雙收（時頻補盲脈沖等）。由于相控陣體制具備多種波束體制，如寬發窄收等，為了有效抑制相控陣體制天氣雷達中多波束間的旁瓣干擾，文中采用“分時+頻分多波束”設計，采用對應中心點頻的全去斜算法處理，能夠有效區分脈沖串回波，同時能夠通過不同頻率抑制多波束系統內的旁瓣干擾。

雙線極化分別發射的脈沖時序中兩個極化脈沖時序一致，并且重復出現，如圖2所示，因此只需要分析單極化脈沖體制。首先雷達發射脈沖波形，然后通過雷達接收機進行回波信號的采樣，發射和接收交替進行。當采用相控陣多波束技術時，由于發射的脈沖串簇內PRF較高，回波信號在時域上會產生混疊，因此，采用傳統發射和接收交替體制的脈沖設計，不能滿足應用要求。

圖2 雙線極化分別發射的脈沖時序圖

“分時+頻分多波束”脈沖體制[16-18]設計時，發射脈沖串的簇內脈沖重復頻率可以較高，如圖3所示，接收脈沖之間存在時域混疊的情況，但是接收脈沖的中心頻率相差幾兆赫茲，它們在頻域上可以通過濾波進行處理，如圖4所示。

圖3 脈沖簇時序模型

圖4 濾波處理原理圖

3 仿真分析

仿真設計帶寬為 3 MHz，脈沖寬度為 30 μs，脈沖重復周期為1 kHz。相鄰脈沖中心頻率相差2.5倍的帶寬，即7.5 MHz的差頻，能夠保證數字濾波有效壓低相鄰脈沖的副瓣。

通過仿真分析，頻分多波束脈沖簇回波信號在時域上存在混疊，但在頻域上并不存在混疊，如圖5所示。接收回波進行對應中心頻率的濾波處理后，可以將不同脈沖進行分離，從而能夠有效抑制相控陣多波束的旁瓣抑制。如圖6所示，進行數字濾波之后，能夠實現20 dB以上的旁瓣抑制。

圖5 頻分多波束脈沖簇接收窗內脈沖頻譜分布

圖6 接收濾波后的脈沖頻譜分布

4 結束語

文中介紹了頻分多波束技術在相控陣天氣雷達中的應用，主要結論如下：

1）相控陣天氣雷達采用“寬發窄收”波形體制時，可以采用不同頻率中心的脈沖波形，能夠進行波束間隔離、旁瓣抑制等作用。

2）當采用對應中心頻率進行數字濾波時，能夠實現大于20 dB的旁瓣抑制，有效提高氣象目標的觀測準確度。

3）采用的“寬發窄收”和頻分多波束技術，能夠快速獲取觀測區域的氣象目標，針對某一區域的氣象目標觀測，能夠縮減觀測時間，提高觀測效率。