重庆新一代天气雷达被压制性干扰实例

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　1 雷达干扰基础
　　根据干扰对雷达的作用方式可以分为压制式干扰、欺骗式干扰和弹射式干扰三类[4]。
　　压制式干扰是指用大功率的干扰信号压制雷达的目标信号，影响雷达正常接收和显示，从而大大降低雷达回波信号的信噪比。噪声干扰是压制式干扰最常采用的模式，它能将雷达目标信号淹没在干扰信号之中，使终端识别系统难以从干扰背影中检测到真实目标[4?5]。
　　欺骗式干扰利用干扰机发射模拟与目标回波信号相似或相同的干扰信号，使雷达接收端分不清真假目标[6]。
　　弹射式干扰是指干扰机截获雷达发射信号，经过例如时延和适当的相位调制等信号处理，放大转发至雷达探测的目标范围，经目标反射后被接收机接收。这是一种对无法获知接收机准备位置时的有效干扰手段[7]。
　　2 压制式干扰模型
　　压制式干扰是最常见的一种干扰模式，其主要优点是干扰机不需要获取太精确的雷达信号特征和处理信号，只需要知晓雷达大概的工作频点，干扰设备比较简单。干扰机向空间某方位发射具有一定带宽的大功率噪声信号，辐射形成压制干扰环境，人为的把噪声送入雷达接收机。气象雷达在体扫过程中接收气象回波信号的同时，干扰噪声与气象回波信号一同进入接收机通道，导致信噪比下降，那么，在终端显示上看到的只有大强度噪声信号，气象回波信号被淹没于此信号中，速度图完全模糊。在接收系统指标中，噪声温度相对于其他正常工作时会发生很明显的冲高现象。
　　如图1所示为常见的压制式干扰模型，其中，与分别表示气象雷达到气象目标的距离，气象雷达与干扰机之间的距离。设雷达电磁波角频率为发射信号可写成：
　　（1）
　　式中为发射信号的振幅。 遇到气象目标反射后，接收电磁波信号的表达式为：
　　（2）
　　式中：为回波信号强度；为相位延迟。
　　设干扰信号为各种噪声调制干扰，干扰信号可以表示为调制噪声部分与载频信号的乘积：
　（3）
　　式中：是调制的干扰信号；是干扰信号载频。
　　那么雷达天线接收到的带有干扰信号的回波信号可以表示为：
　　（4）
　　式中：表示接收到干扰信号的强度；表示干扰信号到雷达接收天线的时延。
　　要实现有效干扰，必须满足干扰信号频率范围覆盖回波信号的频点，即，那么雷达接收机在接收气象目标回波时干扰信号就能有效进入接收通道。在下变频为基带信号后，干扰项变为：
　　（5）
　　由式（5）可知，干扰项中加入了一个多普勒调制。
　　图2描述了气象目标回波信号与干扰信号一同进入雷达接收机的信号处理流程。当干扰噪声与真实气象回波一同进入接收通道时，输入端噪声水平提高，信号处理后信噪比大大降低，从而干扰天气雷达正常探测工作。干扰噪声越强，影响越明显。
　　3 重庆雷达站被干扰情况
　　2012年4月27日上午11时30分左右，重庆陈家坪新一代天气多普勒雷达在正常体扫下，回波图突然出现满屏的射线状，0.5°仰角径向达到显示最大径向值，并且360°方位出现。随着仰角的抬升，半径逐渐减小，出现方位数也递减。
　　图3，图4分别为体扫过程中的反射率（回波强度）和速度图。
　　从图3可以看出，在雷达原点西偏北10°～30°之间噪声功率强度最大，可以大致推断干扰机位于此方位，并且出现这样一个特点：随着雷达仰角的增大，噪声信号的半径不断减小，这与干扰源到雷达接收天线的对应位置和天气雷达的天线方向图有关。在低仰角时，干扰信号大多数进入雷达主瓣，能量在主瓣聚集，干扰范围广、强度大；在高仰角时，干扰信号可能大多数从雷达天线旁瓣或尾瓣进入接收通道，并且在某些方位上没有信号进入天线，那么干扰信号强度减弱并且只出现在某个方位。
　　从图4中可以看出，干扰信号在速度图上表现为大量的射线状，真实目标速度信息被掩盖。由于多普勒天气雷达都是由固定PRF（脉冲重复频率）发射电磁波，根据抽样定理，检测速度都会有一个上限值当实际速度超过这个上限值时就会出现速度模糊。重庆雷达遇到强电磁波干扰，干扰信号与回波信号相干性低且强度大，当其与回波信号一同进入接收机通道，经信号处理不能有效的检测和滤波，在PUP上出现大范围的射线状杂波，其值多为射频RF值，将真实速度信息淹没。这也进一步体现了压制式干扰的干扰特性。
　　图5描述了重庆陈家坪雷达在被干扰时刻系统噪声温度（System Noise Temp）的变化情况。由图上数据显示，在干扰期间，系统噪声温度从比较平稳的173左右陡然上升到360附近，干扰消失后，数值又逐渐恢复到干扰之前比较平稳的水平。
　　雷达接收机系统噪声温度由内部与外部两部分噪声温度组成，即：
　　（6）
　　式中：为外部噪声，是由雷达天线进入接收机的各种人为干扰、天电干扰、宇宙干扰和天线热噪声等产生，其值取决于接收机天线方向图中各辐射源的噪声温度情况，与雷达天线方位仰角及工作频率有关；内部噪声则主要由接收机中的馈线、放大器或混频器等产生[8]。
　　对于噪声源、噪声功率与噪声温度之间存在如下关系：
　　（7）
　　式中：为波尔兹曼常数；为接收系统通带；和分别表征系统噪声温度和噪声功率。可见噪声功率与噪声温度之间是一种线性关系，噪声功率越大，噪声温度也就越高。
　　当雷达受到外界干扰时，雷达认定外界干扰为噪声，外界噪声功率与内部噪声功率叠加后进入接收系统，那么此时噪声功率便会增强，由式（7）可知对应时刻系统的噪声温度升高。
　　根据天气雷达方程，新一代天气多普勒雷达对于回波强度测量关键在于确定回波接收功率和发射功率的在线测量校正，后端信号处理系统会根据接收回波功率进行实时回波强度测量值在线修正[9]。当干扰信号与真实气象目标回波信号一同进入接收机通道后，系统定标时检测到的实测值远远大于期望值，在线修正为保证回波强度正常，便会降低实测值强度；同时大功率干扰的进入导致接收通道的灵敏度骤降，达到一定强度时，便检测不到真实目标信号。这也体现了压制式干扰用干扰信号淹没真实目标回波信号的特性。
　　4 接收机保护模块维护维修流程
　　重庆陈家坪SA雷达在2012年4月就因大功率信号进入天线形成了压制式干扰模式，雷达出现线性通道噪声電平变坏、线性通道增益标定检查变坏等故障报警，最终使接收机保护器被烧。维护保障人员需要对接收机保护器模块有清晰的认识，才能排除故障解决问题。
　　4.1 接收机保护器驱动信号
　　接收机保护器（2A3）位于天馈和低噪声放大器（2A4）之间，它是保护雷达在发射脉冲信号期间隔离大功率微波信号进入接收机的微波器件，是由射频高功率二极管和无源二极管限幅器组成。当RDA计算机发出一个保护器命令，经过如图6所示的流程到达保护器驱动模块，经过模块处理后发出接收机保护命令（即驱动信号），通过两根BNC线进入接收机保护器，其中高功率二极管开关立即响应此驱动信号，使高功率二极管处于高隔离状态，类似于断路状态，它每个周期的断开时间大概是16.8 μs，而发射机发射脉冲信号宽度是1.56 μs/4.50 μs，包含在16.8 μs内，从而保证了发射机在发射脉冲期间不会有射频能量进入低噪声放大器。同时，二极管开关还要将其高隔离状态反馈给二极管状态监视器，此监视器把接收机的保护响应返送给RDA计算机，该响应告知接收机已经处于保护状态，允许发射机向天线发射高功率射频脉冲。
　　接收机保护器命令和响应是保证发射机充放电时序正常的必须条件，当RDA计算机接收到保护器响应后才会发出发射机各组件工作的命令。检查保护器命令和响应通常是在5A16上的测量点处测量信号波形。正常情况下两者都应是一个标准的方波。
　　从图6可以看出，保护器驱动模块的输出直接进入接收机保护器，控制高功率开关二极管隔离状态，也就是说接收机保护器的正常工作是受驱动信号控制。一般检测时直接用示波器接入驱动模块的输出，观察示波器的波形和幅度。正常时也是一个标准方波信号，如图7所示。

　若驱动信号正常，那么就需要检测接收机保护器本身是否有损坏。SA雷达接收机保护器的好坏通常是用万用表去测量BNC线电压，若正常，则电压值在一个标准范围内，如图8所示。
　　4.2 无源限幅器
　　除开关二极管外，限幅器也是保护接收机保护器的另一个重要组成部分。当RDA计算机撤销接收机保护命令后，二极管开关便处于低损耗状态，无源限幅器就会限制接收到的回波或者测试信号进入低噪声放大器的最高射频能量。它是由一对二极管组成，用万用表测量时两端的芯相互导通，两端的壳相互导通；其芯和壳之间是二极管属性，壳对芯不导通。
　　限幅器对输入信号特性表现为：当进入的信号小于7 dBm时，输出信号是线性的，衰减小于1 dB；若进入的信号大于7 dBm时，输出信号始终是7 dBm；倘若进入的信号超过15 dBm时，则容易烧毁限幅器。重庆SA雷达在2012年4月正是由于大功率电磁信号的进入烧毁了限幅器，雷达停止工作。
　　5 结 论
　　从雷达图和相关参数情况可以得出，重庆新一代天气雷达在2012年4月27日11时30分左右工作时受到了来自西北方的大功率电磁波干扰。此电磁波应该是由干扰机产生，发射的是一种大功率的连续波信号，属于宽带干扰。此噪声是属于射频噪声或者是噪声调制信号则无法从图像上判断，需要对基数据做深一步信号提取与识别才能得出结论。此干扰信号在脉冲多普勒天气雷达接收脉冲到来时，与气象回波信号一同进入接收机通道，正是由于这种时域的连续性，导致气象脉冲雷达在整个体扫过程中强度与速度信息都受到干扰，这种干扰模式简单易行，在电子战中应用十分广泛。由于干扰信号功率强度达到一定值，损坏了重庆陈家坪SA雷达接收机保护器，雷达故障停机，避免了对接收通道的毁坏，可见接收机保护器对整个接收系统的重要性。本文最后对接收机保护器部分的日常维护维修技术进行了梳理总结，旨在与广大气象雷达机务保障者交流探讨。
　　参考文献
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