相控阵雷达扫描方式对回波强度测量的影响

吴思燕

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230000

摘要：有源数字阵列雷达波束设计灵活，可变波束宽度及多波束模式能满足不同任务观测要求，而且能有效节省扫描时间。然而，阵列天线参数随波位变化特性对相控阵天气雷达回波强度精确定标提出了挑战。

关键词：相控阵雷达；回波强度；测量；影响

一、相控阵雷达特点

1、波束的捷变能力与低被截获性能。由于相控阵雷达采用相位控制扫描方式对发射波束进行控制，所以相控阵雷达最大特点是天线波束的捷变性。相控阵雷达可根据目标状态变化，迅速实现对发射波束方位的改变，因此可实现对多批跟踪目标的灵活切换，同时也可用多个子阵实现对多目标的同时跟踪处理，可实现不同功能的灵活切换，其工作效率较高。同时，由于相控阵雷达波束局域跳跃性，二维相控阵雷达波束的跳跃性更大，侦察机接收到的通常是离散化的脉冲幅度，并且持续时间短，规律性不强。相控阵雷达的这种波束调度特性使侦察机对相控阵雷达侦收、识别难度大幅提高，从而使相控阵雷达被截获到的概率大幅降低，增强了辐射源的隐蔽性，从而提高了相控阵雷达生存力。

2、天线孔径增大，辐射源能量更高。相控阵雷达一般由成千上万个有源辐射源天线阵列组成，这些阵元天线使雷达具有较大的天线孔径，并可实现对每个阵元辐射源能量的控制，从而更加灵活地调节波束能量，实现对不同距离及威胁程度目标的差异化波束能量照射。同时，相控阵雷达可根据识别到的干扰信号，通过计算机控制，实现对干扰信号的波束零陷，达到对目标的有效识别与干扰信号的剔除。由于成千上万个小辐射源同时工作，相控阵雷达的发射波束功率与机械扫描雷达相比成倍增加，使其对空间目标的探测能力大幅提高，并且抗干扰性能也相应增强，使其具备远程警戒的优异性能。

二、资料及测量偏差分布

1、测试资料。X波段一维相控阵天气雷达在某气象局进行了两个月的外场测试，用于资料对比验证的C-POL雷达架设在同一位置。C-POL是一种C波段双线偏振雷达，其采用单发双收模式，峰值功率高，动态范围大，经严格标定，观测资料可靠性高。对于X-PAR，其接收波束宽度比C-POL窄，距离分辨率高，所以与C-POL的测量偏差主要来自相控阵天线参数差异引起的标定误差。

资料比对时，C-POL和X-PAR地理位置完全相同，每个仰角的观测资料可直接使用，无需经纬度插值。由于X-PAR距离分辨率是C-POL的4倍，以4个库的间隔进行平滑处理。在垂直方向，C-POL采用VCP11扫描策略，能与同样使用单波束扫描的X-PAR精细测量模式19.5°仰角以下资料比对。对于X-PAR的20.5°～39.5°仰角观测资料，C-POL无相应资料。因此，通过精细测量资料与快速观测模式比较，分析4°宽波束与单波束探测差异。需注意的是，两台雷达分别位于C波段和X波段，在不同波长下衰减存在差异，这种差异随距离增加和降水类型的不同而变化，不易定量表表示，在资料比较期间，将尽可能选择衰减较小区域分析。此外，由于X-PAR采用VRHI扫描方式，垂直时空分辨率远高于常规天气雷达。在强对流天气时，X-PAR垂直结构与C-POL有一定不同。为准确分析雷达测量偏差，选取降水过程相对稳定、观测模式丰富的9次个例对比分析。

2、X-PAR和B-POL测量偏差分布。取出X-PAR和C-POL同一位置观测资料，经点对点比较，得到各仰角平均回波强度测量偏差。为减少大规模降水中不同波长衰减差异造成的影响，选择距离雷达最近的无遮挡雨带分析，数值范围控制在15km内。

X-PAR精细测量模式观测资料可靠性高，与C-POL测量偏差稳定分布在2.67～3.38db之间，随仰角变化很小，验证了雷达方程修正项订正的合理性。然而，快速观测模式和精细测量间偏差以4°的周期反复变化，4°展宽波束的第1、2号波位，快速观测模式观测结果基本较弱，而第3、4号波位明显较强。同时，不同展宽波束之间(4°仰角为间隔)快速观测模式测量偏差也不同，2°仰角附近的测量偏差明显低于22°仰角，这与不同波位增益变化有关。

三、测量偏差产生原因和初步订正

1、X-PAR单波束照射体积对回波强度的影响。对使用单波束扫描的精细测量模式，仰角间差异小，但与C-POL整体相比，存在约3dB固定测量偏差，这种差异与雷达常数计算有关。对常规体系(如C-POL)天气雷达，雷达常数近似从圆形抛物面天线计算得出。

当前，X-PAR天线增益G通过计算波束宽度θφ得来。根据天线理论，增益与实际波束宽度成反比，波束宽度与天线有效截面成反比，而回波强度与波束宽度和增益平方成反比关系。因此，X-PAR的回波强度和θφ成正比关系，因低估了天线的有效截面，波束宽度过大，导致高估了雷达常数和计算的回波强度。

经计算，X-PAR有效截面存在约的低估，相应雷达常数将高估10lg()，即X-PAR实际回波强度将比理论值强约1dB。外场测试完后，对X-PAR天线性能进行了测试，发射功率、收发增益及内部损耗等参数与设计值略有不同，和天线有效截面差异共同导致约3dB测量偏差。在X-PAR精细测量条件下，对雷达常数进行3dB整体修正后，X-PAR精细测量模式与C-POL间的测量偏差可控制在±0.4dB以内。

2、X-PAR展宽波束对回波强度的影响。对使用4°展宽波束的快速观测模式，只需10次扫描即可在40°空域完成观测，效率比精细测量高4倍。该模式下不同波位测量偏差以4°为周期性变化，这与发射波束宽度一致，所以推测展宽波束实际方向图与理论值有一定差异。

图1

在标定X-PAR期间，假设展宽波束中每个接收波束位置处的天线发射增益一致，但雷达展宽波束的实际方向图与理论值并不完全一致，由此产生的差异已反映在图1b中深色部分，并周期性影响回波强度准确性。此外，统计分析出展宽波束中接收波束四个波位处回波强度的平均测量偏差结果，该结果用于订正X-PAR快速观测模式的数据，并再次将其与精细测量进行比较，获得测量偏差廓线。可发现，新误差廓线更平滑，以4°为周期的波动基本消失。

3、X-PAR发射增益对回波强度的影响。根据雷达性能，X-PAR天线增益将随着扫描角度偏离阵面法向而恶化，因此需按(cosvt)-1修正雷达增益参数。该方法对单波束收发的精细测量模式有较好效果，各仰角测量偏差基本不随仰角变化而变化。然而，在快速观测模式下，各仰角测量偏差不一致，其中低仰角较弱，高仰角较强。据推测，4°展宽波束发射增益不会根据(cosvt)-1规律发生变化，不同波位处与理论值间差异会导致测量偏差。

四、订正后X-PAR和C-POL回波结构比对

对比前，按初步订正方法，将X-PAR精细测量模式的每个仰角按-3dB修正测量偏差，在此基础上，在快速观测模式下，对展宽波束中增益差及不同发射波束间的增益差进行修正，得到以15°方位角的垂直剖面。订正后的X-PAR精细测量模式的垂直结构与快速观测模式几乎一致，与C-POL相比，降水回波位置和强弱分布合理，准确反映了降水过程的发展特征，而且验证了订正方法的可靠性。由于直接数字合成技术的应用，X-PAR扫描范围及波束指向灵活，以1°步进角完成40层扫描垂直分辨率远高于分布在VCP11中的C-POL，有利于精细探测天气过程。

参考文献：

[1]程明虎.相控阵天气雷达波束特性[J].应用气象学报，2015(01)．

刘黎平.相控阵雷达扫描方式对回波强度测量的影响[J].应用气象学报，[2]2014(04).