探空雷达对卫星接收信道饱和干扰的处理

2019-01-07梁永楼贾树波沙金郭雪星

Advances in Meteorological Science and Technology 2018年6期

■ 梁永楼贾树波沙金郭雪星

通过L波段探空雷达对我国风云三号（FY-3）卫星数据接收处理系统的干扰分析，提出了解决或降低邻频干扰的处理方法，从而使FY-3卫星数据接收处理系统和L波段探空雷达兼容部署，可共同利用电源、机房、网络等资源，建设FY-3卫星数据接收处理系统。

在中国气象局于全国部署FY-3卫星数据接收处理系统选址工作中，发现FY-3卫星数据接收处理系统与L波段探空雷达工作频率存在严重的邻频干扰。若能通过技术手段，解决或降低其邻频干扰的影响，便可以充分利用气象观测场机房、供电、通信等环境条件，建设FY-3卫星数据接收系统，达到集中建设、集约化管理效果。

针对以上要求，本文通过对L波段探空雷达对FY-3卫星数据接收处理系统的干扰分析，从而提出了解决或降低邻频干扰的处理方法。

1 L波段探空雷达对FY-3卫星数据接收处理系统简介

表1给出了L波段探空雷达和FY-3卫星数据接收处理系统的基本理论参数及测量数据。其中，FY-3卫星数据接收处理系统L频段低噪声放大器（LNA）主要技术参数如下：

1）频率范围： 1.68～1.71 GHz

2）噪声温度：≤50 K

3）增益：≥50 dB

4）输出1 dB压缩点：≥15 dBm

表1 L波段探空雷达和FY-3卫星数据接收处理系统基本理论参数及测量数据

另外，FY-3卫星L波段数据广播EIRP为42 dBm，空间传播到地面信号损耗-152 dB（仰角8°），实际接收地面卫星信号功率-110 dBm。系统设计FY-3卫星数据要求接收高灵敏度、高增益。而L波段探空雷达功率15 kW（即71.76 dBm）。

从以上参数可看出，L波段探空雷达和FY-3卫星数据接收处理系统工作频率接近，分别为（1675±10）MHz（时间测量值）和1690～1710 MHz，雷达发射功率远大于FY-3卫星L波段数据功率。

通过建站现场所测频谱图进行简单比较，图1为FY-3卫星数据接收处理系统未接收任何卫星时的工作频谱图。其中，M1点为中心频点，右侧为手机基站信号。

图1 FY-3卫星数据接收处理系统未接收任何卫星工作频谱图

图2为FY-3卫星数据接收处理系统接收NOAA19卫星时的工作频谱图。M2点为NOAA19卫星信号的频谱图。

图2 FY-3卫星数据接收处理系统接收NOAA19卫星频谱图

图3为L波段探空雷达的工作频谱图。其中，M2点为探空雷达的中心频点。可以发现，雷达信号功率过强，峰值1675 MHz电平可达到-17.08 dBm，即使非峰值1690 MHz电平也可达-45.29 dBm，也比接收NOAA19卫星数据信号电平高23.04 dBm。

图3 L波段探空雷达工作频谱图

2 L波段探空雷达对FY-3卫星数据接收处理系统干扰分析

L波段探空雷达跟踪漂移上升的探空气球工作，FY-3卫星数据接收处理系统跟踪过境的极轨卫星。当两种设备布设距离较近时，大功率的雷达势必在开机工作时间对FY-3卫星数据接收处理系统造成干扰。

假设卫星数据信号为Fc(t)=A×cos(w1t)，雷达信号为Fr(t)= B×cos(w2t)。这两个信号在接收系统信道中叠加，形成新的信号F(t)=A×cos(w1t)+B×cos(w2t)。

考虑到雷达信号远比卫星数据信号强（A〈〈B），则

式中，m0=A/B，Ω=w1-w2。

式（1）说明，F(t)是一个调幅调相波，其中，1+m0×cosΩt是调幅波，调制度为m0，调制信号频率为Ω。信号cos(w2t+m0×sinΩt)为调相波，信号中心频率变为雷达信号频率w2。

当较弱的卫星数据信号和强干扰L波段雷达信号进入接收系统信道中，信号幅度较强，信道非线性使信号形成双向限幅，合成信号包络中幅度调制部分被抑制削弱，保留相位调制部分，相位变化中还保留部分有用信号。

由于B〉〉A，所以m0很小。

又由于B很大，输出信号的杂信比变得很小。当B足够大时，输出信号的信杂比趋于0，形成饱和阻塞。

L波段探空雷达对FY-3卫星数据接收处理系统的影响因素有四种：1）雷达工作信号为脉冲信号，信号带宽很宽；2）雷达发射功率大，信号强；3）FY-3卫星数据接收处理系统灵敏度高，系统增益大；4）雷达信号造成接收信道饱和阻塞，影响接收质量。这四种影响因素，相互依存，最终达到的影响效果即为造成接收系统的信道形成饱和阻塞。下文针对如何降低或是抑制接收信道的饱和阻塞进行分析说明。

3 解决饱和干扰

3.1 信号滤波

当Ω（频差）较大时，可考虑在系统入口（LNA）增加（高、低通）滤波器，可有效滤除雷达干扰信号，降低“干扰”信号幅度，减少甚至完全消除干扰影响。

这对滤波器要求很高的矩形度，带宽不小于30 MHz。滤波器通带内差损一般不小于0.6 dB，而对微弱的卫星信号接收机要求有较大的输出信噪比（S/N），接收机系统内部噪声必须尽可能小。一个多级联的高增益接收系统，全系统的噪声大小主要取决于第一级放大器噪声大小及增益，再兼顾滤波与系统噪声的设计原则，滤波器至少不能设计在LNA的首级，必须解决接收机放大器，前级饱和阻塞问题一般设计在次级或者后级。

3.2 大动态技术

在设计上，低噪声技术和大动态技术是矛盾的。低噪声技术要求有源器件本身产生的噪声低、接收灵敏度高，在满足该要求的情况下，会采用小电流、低噪声的微波原件，但其动态会小近20 dB。大动态技术会采用大电流、高噪声的微波器件。满足了大动态的技术要求，又不能满足系统低噪声、高接收灵敏度的要求。因此解决好LNA的接收灵敏度和其大动态接收性能的矛盾，是成功研制相应LNA的关键技术。

采用新技术，自行研制出了L波段大动态低噪声放大器，线性功率大于25 dBm，噪声系数0.7 dB，三阶交调优于50 dBc，在实际使用中，低噪声放大器始终工作在线性区，保证接收通道正常工作，并通过气象局对此系统产品的定型。