地基气象雷达同频干扰信号产生与回波特征分析

舒 毅，王聪晓，陈 赛，张福贵

(1.成都信息工程大学，成都 610225；
2.中国气象局气象探测中心，北京 100081；
3.福建省泉州市气象局，泉州 362000；
4.福建省晋江市气象局，晋江 362200；
5.厦门市气象局气象台，厦门 361000)

地基气象雷达是气象观测降水的现代化手段，随着地基气象雷达布局规划数目增加，电磁干扰现象也越来越频繁，其影响雷达数据产品质量明显[1-23]。根据中国气象局气象探测中心对全国地基气象雷达电磁干扰现象的统计：2018年7月全网运行的地基气象雷达在上传至国家级的基数据中，电磁干扰现象导致数据出现质量问题的雷达有21部，累积总频次为9219次，占当月全部数据质量问题的96.59%；
2019年1月全网运行的地基气象雷达在上传至国家级的基数据中，因电磁干扰现象出现数据质量问题的雷达有16部，累计总频次为6544次，占当月全部数据质量问题的96.98%。由此可见，电磁干扰现象影响地基气象雷达的数据质量问题已经相当严重。

虽然地基气象雷达为脉冲多普勒体制雷达，具有很强的反杂波能力，但脉冲多普勒体制地基气象雷达遭受到同频干扰时，干扰信号经多普勒处理后会平均到每个多普勒通道，通常表现为多普勒通道噪声基底电平的提升[24]。文章针对多普勒体制采用脉冲压缩技术的地基气象雷达之间的同频干扰问题，与地基气象雷达同频干扰产生的雷达干扰回波一一对应，重点对业务运行中的地基气象雷达频繁出现的同频同步干扰现象和同频异步干扰现象这两种情况以及同频干扰雷达回波特征进行了相关的研究和分析。

地基气象雷达之间的同频干扰现象本质上属于大气环境电磁内部的兼容性问题，由于地基气象雷达的极化方式相同、发射信号相关参数相近或者发射信号频率相近，尤其是相距较近的两部雷达同时开机工作时，由于同频雷达干扰信号为定量确定信号，非随机量，雷达天线主副瓣均可正常接收，由此在气象雷达之间会出现非常严重的电磁干扰现象；
进入雷达接收机的干扰信号一是直接来源于干扰雷达的发射信号，二是来源于干扰雷达的发射信号通过目标物、地物等的反射信号[25]。

假定现有部署的两部地基气象雷达发生同频干扰，地基气象雷达B的发射信号传输到地基气象雷达A并被接收，地基气象雷达A为被干扰雷达，地基气象雷达B为干扰雷达，信号发射馈源相对距离为R0，A、B两部地基气象雷达彼此独立工作。

设定地基气象雷达A发射信号的脉冲宽度为τ1，脉冲重复频率为APRF；
地基气象雷达B发射信号的脉冲宽度为τ2，脉冲重复频率为BPRF，则两部地基气象雷达发射脉冲之间的时间间隔为Δti，i=0，1，2，3，…，它可以为一个恒定值保持不变或者为一个变化值(不断变大或者不断变小)。

同一类型的多部地基气象雷达基本干扰属性是同频的、单向的、高功率的且多方位的干扰，尤其是在近距离上有主瓣和副瓣干扰同时存在的可能。假定出现干扰的A、B两部地基气象雷达频率相同，理论上可以用二次雷达方程进行分析：

(1)

式中，Pr为被干扰地基气象雷达A接收到的理论干扰信号功率；
Gr为被干扰地基气象雷达A的天线增益；
Pt为干扰地基气象雷达B的发射功率；
Gt为干扰地基气象雷达B的天线增益；
R0为A、B两部地基气象雷达之间的相对距离；
Lp为大气吸收损耗；
La为极化损耗；
Lt为馈线传输损耗。

但实际上，在同型的两部或多部地基气象雷达之间不存在使用发射中心频率完全相同的情况，所以必然存在一定的中心频率偏移，即被干扰地基气象雷达A接收到的实际干扰信号功率Pr实小于或者等于理论干扰信号功率Pr，当且仅当遭受到外部非同型雷达的同一频点信号干扰时存在取等号的可能，即公式(2)：

Pr实≤Pr

(2)

同时干扰信号功率必须不小于被干扰地基气象雷达A接收系统的灵敏度功率Pr灵敏度，干扰信号才能被地基气象雷达A的接收系统完全接收，从而产生同频干扰现象，即公式(3)：

Pr灵敏度≤Pr实

(3)

综合式(1)、(2)、(3)，可以得到地基气象雷达产生同频干扰现象的干扰信号功率计算公式及其范围，见公式(4)：

(4)

2.1 同频异步干扰脉冲信号

根据A、B两部地基气象雷达脉冲重复频率PRF之间的差异，同频干扰现象被分为同频异步干扰现象和同频同步干扰现象[26]。当A、B两部地基气象雷达的脉冲重复频率PRF不同(即APRF≠BPRF)、相互不为整数倍关系或者处于脉冲重复频率PRF参差状态时，同频干扰信号表现为异步干扰，又称为同频异步干扰现象[27，28]。尤其是多部地基气象雷达同时开机工作时，异步干扰现象最为容易产生，也最为常见。A、B两部地基气象雷达脉冲重复频率间的差异Δtp=|1/BPRF-1/APRF|，则两部地基气象雷达发射脉冲之间的时间间隔为变化值Δti=Δt0+i×Δtp(Δti<1/APRF，i=0，1，2，3…)；
那么地基气象雷达B对地基气象雷达A造成的干扰信号在地基气象雷达A的雷达回波中的相对位置也是一个不断变化的值，图1为异步干扰脉冲信号半径示意图，图中黑色脉冲即为产生的干扰脉冲信号，干扰脉冲信号的半径ΔRi=C×Δti+R0，式中，C为光速，R0为A、B两部地基气象雷达的馈源相对距离；
因为不同雷达脉冲重复周期之间存在的微小差别，所以Δti会随时间缓慢变化(变大或变小)，从而使干扰信号的半径ΔRi相应出现变化，即ΔRi随时间缓慢增大或减小。

图1 异步干扰脉冲信号半径示意图

2.2 异步干扰信号与回波特征

地基气象雷达产生的同频异步干扰脉冲信号最终体现在被干扰地基气象雷达A生成的回波产品图像中，干扰信号回波呈现螺旋状(顺时针或者逆时针、发散或者吸收)。由于干扰信号的脉冲宽度和脉冲重复频率PRF都不同，干扰信号的线宽、线距也不相同；
特别是在干扰源距离近、发射功率强、天线方向正对条件下，同频异步干扰现象表现得最为严重，被干扰雷达A生成干扰信号回波，图2为地基气象雷达同频异步干扰信号回波，其特征如下：

1)异步干扰脉冲信号在径向上为1个方位单元；

2)异步干扰脉冲信号在径向上的大小Ai=C×τ2；

3)相邻异步干扰脉冲信号之间距离间隔为ΔRP=C×Δtp；

4)因为不同地基气象雷达之间的脉冲重复周期存在微小差别，随时间缓慢变大或变小，故干扰半径ΔRi也会相应增大或减小，干扰信号在被干扰地基气象雷达A中产生的雷达回波图表现为螺旋状发散曲线，呈现顺时针或者逆时针旋转，如图2(a)、(c)所示；

图2 地基气象雷达同频异步干扰信号回波(a)同频异步干扰(顺时针)；
(b)同频异步干扰信号(逆时针)；
(c)实际异步干扰信号回波(顺时针)；
(d)实际异步干扰信号回波(逆时针)

5)当被干扰雷达A的APRF相比干扰雷达B的BPRF越大，异步干扰脉冲信号之间的间隔就越大，在地基气象雷达A产生的回波图表现为干扰信号回波越来越稀疏，如图2(b)、(d)所示。

3.1 同频同步干扰脉冲信号

当A、B两部地基气象雷达的脉冲重复频率相同(即APRF=BPRF时)或者脉冲重复频率之间成整数倍关系(APRF=N×BPRF或者BPRF=N×APRF)时，同频干扰信号表现为同步干扰，即为同频同步干扰现象。根据A、B两部地基气象雷达脉冲重复频率PRF之间的关系，若两部地基气象雷达的脉冲重复频率相同即APRF=BPRF或者被干扰地基气象雷达A的脉冲重复频率为干扰地基气象雷达B的脉冲重复频率的N倍时，即APRF=N×BPRF时，Δtp=0，则两雷达发射脉冲之间的时间间隔为恒定值Δt0，同步干扰脉冲信号在被干扰A雷达中的径向位置也是恒定值，图3(a)为同步干扰脉冲信号半径示意图，黑色脉冲即为同步干扰脉冲信号，干扰脉冲信号在径向上的位置为ΔR=C×Δt0+R0，式中ΔR称为干扰半径，R0为两部地基气象雷达位置的相对距离；
若干扰地基气象雷达B的脉冲重复频率为被干扰地基气象雷达A的脉冲重复频率的N倍时，即BPRF=N×APRF时，干扰脉冲信号的半径ΔRi=C×Δti+R0，式中R0为两部地基气象雷达的相对距离，图3(b)为同频同步干扰脉冲信号半径示意图，灰色脉冲即为同步干扰脉冲信号。由于不同雷达重复周期间的微小差异，Δti会随时间缓慢变大或变小，从而使得同步干扰脉冲信号的半径ΔR和ΔRi相应的增大或减小。

图3 同频同步干扰脉冲信号半径示意图

3.2 同步干扰信号与回波特征

同频同干扰脉冲信号具有以下5种特征，图4为地基气象雷达同频同步干扰信号回波。

1)同步干扰脉冲信号在方位上间隔N-1个单元；

2)同步干扰脉冲信号在径向距离上的大小为R0=C×τ2；

3)当APRF=BPRF时，干扰脉冲信号在径向中的相对位置为恒定值，干扰信号回波在地基气象雷达A产生的回波图中呈现环状实线，如图4(a)所示；

4)当APRF=N×BPRF时，干扰脉冲信号在径向中的相对位置为恒定值，干扰脉冲信号在径向距离上的大小为A0=C×τ2，干扰信号回波在地基气象雷达A产生的回波中呈现环状虚线，如图4(b)；

5)当BPRF=N×APRF时，干扰脉冲信号在径向上的大小为A0=C×τ2，干扰脉冲信号在径向中的相对位置随时间缓慢变大或者变小，干扰信号回波在地基气象雷达A产生的回波呈现为多个同心环状实线，如图4(c)所示。

图4 地基气象雷达同频同步干扰信号回波

文章在理论上使用二次雷达方程公式进行分析，推导了地基气象雷达产生同频干扰现象的干扰信号功率计算公式及其范围，并以两部地基气象雷达出现同频干扰现象为基础，与实例相结合分析了地基气象雷达同频异步干扰和同频同步干扰的机制及其干扰信号与干扰回波的特征。当然，若存在多部干扰雷达，那么被干扰地基气象雷达A遭受的同频干扰脉冲信号将是多部干扰雷达的干扰信号相叠加。