承德CINRAD(CB)天气雷达两次外界信号干扰处置过程分析

金龙 王硕飞 杨雷斌 孙波波 幺伦韬*

1.河北省气象技术装备中心 河北石家庄 050000； 2.承德市气象局 河北承德 067000；3.南京恩瑞特实业有限公司 江苏南京 211100

新一代天气雷达通过电磁波对云雨等目标物的探测，已在台风、暴雨和强对流等灾害性天气的监测、预警、预报和气象灾害防御过程中发挥了不可替代的作用[1-3]，随着社会经济的发展，电子设备工作领域和工作方式的增多，使得无线射频信号在近十年内对气象雷达的影响越发严重，已引起气象学界的特别关注。雷永恒等针对湖南邵阳天气雷达同频电磁干扰进行了分析判断[4]，黄宣钧等对广西机场C波段天气雷达外界同频干扰和虚假回波干扰进行了处置分析[5]，陈忠勇等根据湖北省内天气雷达遭受到的高频数传机、微波引力站、军用雷达同频干扰和临近气象雷达相互干扰进行了分类讨论并给出了解决建议[6]，在信号处理方面也有同行专家做了大量研究工作[7-9]，均取得了积极成果。本文结合承德天气雷达出现的干扰情况，根据雷达原理和信号传输流程，利用台站现有方式对干扰源进行初步判断，明确了处置方式并给出了C波段天气雷达潜在干扰源类型。

1 资料和方法

1.1 资料来源

本文根据承德CB型天气雷达2019年至2021年间出现过的异常回波基数据，经过比对筛选后根据产品数据特征分为两类，选取其中晴空背景下两次处置过程作为本文案例进行探讨。外围电磁环境频谱数据信息来自测试现场使用的安捷伦E4445A型频谱仪，均在仪表检定有效期内。测试过程中用到的雷达控制软件为雷达系统配套的RDASC软件。

1.2 雷达工作原理简介

天气雷达发射脉冲形式的电磁波到空中，当电磁波在传播过程中遇到目标物后，其后向散射的能量被雷达系统接收并进行分析处理进而得到气象信息[10-11]。可用简化模型表述如下。

Yi(t)=∑VAiexp[2πjf0t]·exp[-2πj(f0+fd)ti]

式中，Ai为第i个粒子回波的幅度，f0为发射信号载频，fd为第i个粒子的多普勒频率，ti为第i个粒子回波信号相对于发射信号的延迟时间，V为云雨目标物的体积。

发射—接收—信号处理是雷达系统中关键环节，哪一部分出现故障均会导致雷达系统异常或出现坏图。其信号流程示意见图1。

图1 雷达信号流程示意图

1.3 排查方法

(1)排查雷达自身运行情况。当出现回波异常情况时，我们应首先确认是雷达自身故障导致还是由外界异常信号导致。结合雷达工作原理和信号流程可确定快速排查流程如下：①雷达系统开关机或运行过程中是否存在故障告警，若存在告警信息，则可由其具体内容初步判断为相应链路上设备器件性能下降或故障。②通过将发射机整流组件调零使其不给充电变压器赋能，即发射功率调零(图1，b处)，接收系统和信号处理部分保持不变，若异常回波图形未发生变化，则可初步判断与发射系统无关。③将接收支路单向耦合器处信号断开(预选滤波器输入端，图1，c处)，此处信号流为频率源输出—四位开关—数控衰减器—单向耦合器，若显示器异常回波消失且无任何回波信号，则能够初步判断接收支路和信号处理部分正常且异常信号来自外界；若显示器异常回波依旧存在(或变化为其他异常形状)则需继续判断。④将接收机主通道匹配滤波器输出端的中频信号断开(图1，d处)，此处信号流为天线接收的射频信号—低噪声放大器放大—经混频之后变为中频信号，此时无信号输入信号处理部分，若依旧存在异常回波图像，则可确认信号处理部分故障。⑤利用RDASC软件中RCW模块，控制雷达天线转动并抬高仰角，若噪声电平随天线转动变化且随仰角抬高而减小，则可初步判断异常信号来自外界。

(2)初步判断干扰源方位。在判断雷达系统工作正常且异常信号来自外部干扰源后，可利用现有设备进行干扰源方位的初步判断。①根据显示器回波图特征初步分析，在显示器上同心圆状回波或螺旋状回波为同频同步或同频异步干扰，张文祥等人均进行过详细分析[12]。而在显示器上沿径向呈现辐射状回波，可根据其信号强度初步判断干扰源方位。②利用RDASC软件中RDASOT模块，控制雷达天线转动，根据其噪声强度初步判断干扰源方位。③将低噪声放大器输出端接入频谱仪，控制雷达天线转动，根据频谱仪显示器上信号变化情况结合天线方位可初步判断干扰源方位。

(3)申报无线电管理部门协查。在确认雷达系统工作正常且对外部干扰源有初步认知后，需向当地无线电管理部门申报并配合协查。测试查找多以固定点位测试和路测相结合的方式，首先选取雷达站塔楼平台和另一处高点进行360°全向测试，将测试点和信号最强点在地图上连线，两条相交直线确定一个可疑点，再使用信号监测车在可疑点附近进行路测排查走访。

2 干扰实例处置过程分析

2.1 实例一

实例描述：北京时2019年7月19日20时00分，承德雷达首次在西南方向接收到大面积异常回波(图2)，覆盖约45°范围，反射率最强值出现在245°方向，东南方向异常回波覆盖约15°范围，西北方向异常回波约2°范围。相似特征回波截至2019年9月断续出现超过4次，每次持续时长均未超过48小时，2019年10月至2020年4月期间承德雷达大修升级改造，改造末期雷达联调期间再次出现，2020年4月10日干扰源被查明后此问题得到彻底解决。

图2 实例一回波强度图(1.54°仰角)

判断过程：首先通过控制天线方位、断开低噪声放大器输出和信号处理输入等简单操作，可确认此干扰不是雷达系统自身故障，怀疑该异常信号由外部干扰源导致。将雷达发射功率调零后(或关闭雷达发射机)，控制天线转置方位0°俯仰0.5°和方位245°俯仰0.5°，动态范围测试接收系统底噪由-60.06dB抬升至-13.26dB。将频谱仪接入接收系统低噪声放大器输出端，利用频谱仪在雷达频点5620MHz中心频率附近查找，发现干扰源频谱分布在5615～5630MHz(图3)，随着雷达天线仰角的抬高信号逐渐减弱消失。

图3 实例一外接频谱仪测试图

处理方式：由于此时正值河北省主汛期期间雷达不允许停机，且第一次发生干扰事件处置经验欠缺，在确认雷达系统不存在故障后立即向当地无线电管理部门申报请求协查，自异常回波出现至消失仅断续出现了不到48小时，因持续时间较短未能找到干扰源，将范围初步锁定在雷达站245°方向直线距离约3km的工地，直至2020年4月10日干扰源被查明，为工地塔吊不定期私自使用的无线视频收发器，无线电管理部门现场收缴了该设备后此现象再未出现。

经验总结：由于干扰信号强度较大，判断为近场干扰；根据C波段雷达频点缩小电子设备范围；结合城市环境和地形，需重点排查工地、通信塔等场所；由于雷达系统灵敏度较高，在考虑同频干扰的同时，干扰源的N次谐波也应在考虑范围内。

2.2 实例二

实例描述：北京时2020年11月15日20时00分开始，承德雷在东南方向接收径向异常回波，长度贯穿整个显示器(图4)，反射率值相对较低，随着天线仰角的抬高此异常回波逐渐减弱至消失。相似特征回波出现频率较高，持续时间较长。

图4 实例二回波图(左为回波强度，右为速度)

判断过程：在确定雷达系统自身工作正常后，判断该异常回波来自外界干扰，由于其在显示器上面积不大强度不高，存在位置和强度稳定不变，怀疑为远场干扰。为了进一步了解干扰源的方位和强度等基本信息，使用RDASOT模块，控制天线转动观察软件示波器中噪声采样值的变化。(1)手动控制天线保持0.5°仰角以20°步长水平转动360°读取噪声采样值。(2)控制天线保持1.5°仰角，其他不变在转动一周，读取噪声采样值，结果见(图5左图)。可以看出干扰信号最强值出现在天线仰角0.5°方位155～165°之间，随着仰角由0.5到抬升至1.5°干扰信号减弱。(3)手动控制天线方位以1°步长在155～165°之间转动，仰角从0.5°抬至2.5°，读取噪声采样值。结果见(图5右图)。可以看出干扰信号最强值出现在天线仰角0.5°方位161°处，随着仰角由0.5到抬升至1.5°干扰信号减弱，抬升至2.5°干扰信号消失。可初步判断干扰信号出现在雷达站方位161°处。(4)将频谱仪接入接收系统低噪声放大器输出端，低噪声放大器自身带宽为5400～5800MHz，在低噪声放大器输出端测试时可测出400MHz带宽的干扰信号。干扰信号最大功率-66.73dBm，此时频点为5625.33MHz(图6左图)。可以看出该干扰源频谱分布较广，信号功率相对较低。(5)将频谱仪接入匹配滤波器的输出端即AD前(图1，d处)，此时为接收主通道射频信号5620MHz经过混频之后的中频信号33.6MHz，中频带宽为1MHz，接在此处精准且直接反映了信号处理收到了外部干扰信号(图6右图)。

图5 控制天线转动进行噪声采样(左为20°步长转360°，右为1°步长转12°)

图6 左图为实例二外接频谱仪低噪声放大器输出端;右图为实例二外接频谱仪测试中频信号

处理方式：在确认雷达系统正常并初步了解干扰信号基本特征后，随即向当地无线电管理部门申报请求协查。无线电管理部门在雷达站塔楼平台并未监测到该信号，经现场分析可能有两点原因，一是承德雷达站所处地区周边多山，低仰角遮挡严重，监测点可能不够高。二是干扰信号强度较弱，加之测试设备灵敏度不够高，影响了测试效果。经协调第二次测试时携带了C波段有源低噪声放大器，在雷达平台和另外一个山头通过两条相交直线确定一个可疑点的方法最终在一处工地找到了该干扰源。

经验总结：由于信号强度和面积均较小，判断为远场干扰，在测试查找过程中，对测试设备灵敏度有较高要求，测试查找过程可借鉴陈忠勇等人微波站干扰处置方法不再赘述。在有了上次异常回波干扰处置经验后，结合本次处置过程逐渐将类似情况流程化：(1)确认雷达系统自身无故障。(2)利用现有条件初步了解干扰信号特征。(3)向上级气象主管部门报告异常干扰情况并做好记录。(4)向无线电管理部门申报请求协查并做好配合工作。(5)将最终查处情况向上级气象主管部门汇报。

3 干扰设备介绍

通过无线电管理部门两次查处，干扰源均锁定在工地塔吊上的无线网桥。无线网桥一般应用在监控数据传输、室外远距离无线桥接等场景，通常由两个或两个以上的无线设备组成，数据信号双向传输，每台设备均具备无线信号的收发能力。一端网桥把网线中的信号转化为无线电磁波信号并定向发射到空气中。另外一端的网桥接收空气中的无线电磁波信号并转化为有线信号，通信距离可达50千米。无线网桥一般可分为2.4G和5.8G这两种，2.4G频段的网桥发射的电磁波信号容易受其他设备发射的信号干扰，造成传输质量下降。现多使用5.8G频段的网桥，其优点是频率高信道纯净传输带宽大。由于该设备随着使用时间的增长，部分设备器件性能变化，可导致频点发生漂移等，均会影响我方C波段雷达正常工作。

结语

天气雷达异常回波干扰工作的排查是一项细致复杂的工作，同时还涉及与外单位的相关协调工作，建立一套行之有效的处置流程，可以快速准确地查找到干扰源，在出现异常回波后我们应立足于雷达原理，由设备内部到外界环境逐一排查，同各相关业务单位保持互通建立良好的合作关系，在严格遵守电磁频率使用规范的同时还应在气象雷达信号编码、质控算法优化等方面继续探索研究。