频分多波束技术在相控阵天气雷达中的应用

王刚，魏艳强，王志锐，贾晓星

（北京无线电测量研究所，北京 100854）

随着相控阵技术的不断发展[1-3]，二十世纪六十年代，美国开始利用相控阵技术进行监视和跟踪飞机。到了七十年代，相控阵技术得到了迅速发展。到了八十年代，相控阵技术开始用于气象目标的探测，并取得了很好的观测效果。

相控阵技术能够进行波束的电子扫描，其多波束观测技术能够提高波束扫描效率，但是带来了天线方向图的不稳定性，需要进行优化处理。针对相控阵雷达体制的天线方向图研究，Tai通过研究均匀照射阵列的增益，提出线性阵列增益优化[4]。Uzkov同样采用均匀阵列进行研究，提出了正规方法进行阵列优化[5]。Cheng和Tseng采用Hermitian二次式方法，得到阵列的方向图、增益、效率的优化结果[6]。自适应阵列理论目前已经有了很大的发展，基于方向图优化的数学理论建立在矩阵理论尤其是二次式优化的基础之上[7-8]。Howells和Applebaum提出受由阵列加权网络构成的特定静态阵列方向图限制的信噪比优化方法，该优化是基于无干扰情况下进行的[9]。Widrow利用搜索阵列输出信号与某些已知参考信号间的最小均方误差进行阵列优化[10]。

这些优化算法仅根据对测量结果的处理来优化回波，当相控阵天气雷达采用多波束观测大范围天气现象时，多波束接收会存在相邻波束副瓣进入到主瓣的情形。此时接收回波已经混叠在一起，如果副瓣电平较高，很难通过优化算法来抑制干扰。该文在X波段一维相控阵天气雷达设计基础上，采用频分多波束技术进行多频段波束形成优化处理，来实现多波束接收时去除旁瓣、干扰等影响[11]。

1 脉冲时序的脉冲簇设计

相控阵天气雷达能够输出多个波束，每个输出波束的方向图峰值位于空间不同的角度上，即多波束系统。在天气雷达设计中，要求天线具备高增益和低副瓣要求[12]，还要求系统的两个相邻波束在其相交点处的相对增益较高。

相控阵天气雷达主要的扫描方式有多种[13-15]，如单波束窄发窄收，宽波束发射、多波束接收，多波束发射、多波束接收等模式。在相控阵天气雷达中，单波束窄发窄收扫描方式与传统体制的天气雷达类似，发射和接收都是窄波束。只要发射和接收波束指向不发生大幅度移动，通常副瓣的影响可以忽略，因此不会存在旁瓣的污染问题。但是对于相控阵体制天气雷达，宽波束发射、多波束接收，能够采用多个波束同时观测覆盖范围内的目标。这种情况下，会产生不同收发波束间的旁瓣干扰情况。

一种情形是照射的目标后向散射系数基本一致，如图1所示，发射宽波束照射一定范围的目标，对接收波束1和接收波束2而言，照射的气象目标的后向散射系数基本一致，因此，在接收波束2的位置上存在着接收波束1的旁瓣。相控阵天气雷达天线方向图的主副瓣都会设计得比较高，方位面波束副瓣≤-29 dB，俯仰面波束副瓣接收最大副瓣电平≤-40 dB。因此，这种情形下，波束污染现象可以忽略。

另外一种情形是回波强度存在较大的差异，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，由于这两个方向的目标后向散射系数差异较大，通常认为接收波束3方向上的后向散射系数较比接收波束2方向上的要低很多。波束接收时，并不区分是从主瓣还是从旁瓣接收到的，只要接收功率达到一定的值，则认为波束指向方向有目标存在，形成波束污染。

图1 宽发窄收旁瓣污染

2 系统介绍

2.1 性能及工作参数

X波段相控阵天气雷达的体制为一维数字有源相控阵、全固态、全相参、脉冲多普勒等。裂缝天线阵面由64个通道组成，每个通道采用20 W发射功率，总发射功率为1.2 kW。采用全数字T/R组件、数字波束形成、数字脉冲压缩等先进技术，能够获取比常规多普勒天气雷达更快、更灵活的观测信息，基本参数如表1所示。

表1 宽发窄收时频分多波束特性参数

2.2 波形设计

波形时序的选择是相控阵天气雷达系统的关键。波形时序的选择决定了脉冲占空比和平均发射功率，进而决定了雷达威力。传统天气雷达波形一般采用单发单收或者双发双收（时频补盲脉冲等）。由于相控阵体制具备多种波束体制，如宽发窄收等，为了有效抑制相控阵体制天气雷达中多波束间的旁瓣干扰，文中采用“分时+频分多波束”设计，采用对应中心点频的全去斜算法处理，能够有效区分脉冲串回波，同时能够通过不同频率抑制多波束系统内的旁瓣干扰。

双线极化分别发射的脉冲时序中两个极化脉冲时序一致，并且重复出现，如图2所示，因此只需要分析单极化脉冲体制。首先雷达发射脉冲波形，然后通过雷达接收机进行回波信号的采样，发射和接收交替进行。当采用相控阵多波束技术时，由于发射的脉冲串簇内PRF较高，回波信号在时域上会产生混叠，因此，采用传统发射和接收交替体制的脉冲设计，不能满足应用要求。

图2 双线极化分别发射的脉冲时序图

“分时+频分多波束”脉冲体制[16-18]设计时，发射脉冲串的簇内脉冲重复频率可以较高，如图3所示，接收脉冲之间存在时域混叠的情况，但是接收脉冲的中心频率相差几兆赫兹，它们在频域上可以通过滤波进行处理，如图4所示。

图3 脉冲簇时序模型

图4 滤波处理原理图

3 仿真分析

仿真设计带宽为 3 MHz，脉冲宽度为 30 μs，脉冲重复周期为1 kHz。相邻脉冲中心频率相差2.5倍的带宽，即7.5 MHz的差频，能够保证数字滤波有效压低相邻脉冲的副瓣。

通过仿真分析，频分多波束脉冲簇回波信号在时域上存在混叠，但在频域上并不存在混叠，如图5所示。接收回波进行对应中心频率的滤波处理后，可以将不同脉冲进行分离，从而能够有效抑制相控阵多波束的旁瓣抑制。如图6所示，进行数字滤波之后，能够实现20 dB以上的旁瓣抑制。

图5 频分多波束脉冲簇接收窗内脉冲频谱分布

图6 接收滤波后的脉冲频谱分布

4 结束语

文中介绍了频分多波束技术在相控阵天气雷达中的应用，主要结论如下：

1）相控阵天气雷达采用“宽发窄收”波形体制时，可以采用不同频率中心的脉冲波形，能够进行波束间隔离、旁瓣抑制等作用。

2）当采用对应中心频率进行数字滤波时，能够实现大于20 dB的旁瓣抑制，有效提高气象目标的观测准确度。

3）采用的“宽发窄收”和频分多波束技术，能够快速获取观测区域的气象目标，针对某一区域的气象目标观测，能够缩减观测时间，提高观测效率。