双基地多普勒天气雷达系统是又一项雷达新技术在大气探测领域的应用。早在20世纪60年代, 已有气象学家将双基地雷达系统应用于探测气象回波的探索^[1-2]。1993年后, Wurman等^[3]研制了第一套双基地雷达样机, 该系统由一部常规多普勒天气雷达和多个远程低增益宽波束天线的被动接收机组成, 像多部雷达探测一样, 实现对同一散射体同时进行多视角监测。该样机系统首先于1993在美国Colorado的Boulder进行了试验。这一双基地雷达系统几经改造, 先后在美国、加拿大、德国、日本等地进行外场试验, 在不同方面取得了研究进展。双基地天气雷达探测是一种可获取二维风场的技术方法之一, 它对于局地灾害天气预报、航空安全保障、人工影响天气等特殊用途具有潜在的应用前景。

我国在单基地多部雷达探测^[4-6]中做了大量的工作, 但双基地雷达的研究起步较晚, 20世纪80年代在军事上开始了研究和应用, 气象探测在2001年和2002年973项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”中进行了首次运用。安徽四创电子股份有限公司研制了我国第一部双基地多普勒天气雷达系统, 2004年获取了两批可供分析的资料。中国气象科学研究院参加了项目的研究, 主要通过对双基地多普勒天气雷达系统的探测理论、风场反演方法、反演精度等研究^[7-8], 为设备研制和改进提供依据。研究中发现, 双基地雷达系统天线架设高度对目标探测最低高度有影响, 同样旁瓣污染对观测资料质量也有影响, 它们的影响程度如何?本文将就这些问题做一些探讨。

双基地雷达采用收发分置, 以粒子的侧向散射理论为探测基础, 根据收发时间差和回波信号的强度与频率变化判断目标物的位置及运动速度。对于军事上的点目标, 它的应用较为容易, 而对于大气中的弥散目标困难就较大。为了适应大气探测的弥散目标跟踪, 双基地多普勒天气雷达采用窄波束发射, 宽视角接收且方向固定的天线以保证扫描的同步。正是由于宽波束、低增益和接收侧向散射信号的特点, 造成了它的探测能力较弱; 同时, 由于同一距离等值线上的回波都同时到达被动雷达, 造成了较强的旁瓣影响, 这也是制约探测资料质量的主要因素之一。

双基地雷达距离方程的推导^[9]类似于单基地雷达。假设双基地雷达截面为常数, 主动雷达至目标、目标至被动雷达之间无任何遮挡, 考虑到主动雷达和被动雷达天线的方向图因子及大气传播损耗的影响, 当回波功率P_r为最小可检测功率时, 最大作用距离为

(1)

它用最大距离乘积表示, 有别于单基地雷达的距离平方。式 (1) 中, R_T为主动雷达至目标的距离, R_R为被动雷达至目标的距离, P_T为主动雷达发射功率, G_T, G_R分别为发射天线和被动雷达接收天线增益, λ为波长, σ_B为双基地雷达截面, f_T, f_R分别为主动雷达和被动雷达的天线方向图函数, k为玻尔兹曼常数, T_s是接收机的噪声温度, B_n为接收机检波前滤波器的噪声带宽, (S/N)_min是正常检测时接收机输入端需要的最小信噪比, L_T, L_R分别为发射和接收损耗因子。用k_B表示 (R_TR_R)_max, 即

和单基地雷达类似, 双基地雷达的覆盖范围也是由灵敏度和电磁波传播情况决定的。如果目标、主动雷达和被动雷达天线高度给定, 双基地雷达所观测的目标必须同时位于主动雷达和被动雷达的视线内。对于给定的目标高度, 两雷达观测目标的视线要求由各雷达为圆心的覆盖圆来决定。考虑到地球曲率影响, 对于4/3地球模型, 覆盖圆的半径^[9]近似为

(2)

(3)

式 (2) 和 (3) 中, h_t为目标高度, h_T, h_R分别为主动雷达和被动雷达天线高度, 单位均为km。

在双基地雷达中, 当基线长度L和最大探测距离乘积k_B给定时, 通过主动雷达和被动雷达至目标的最大作用距离以及式 (2) 和 (3) 可求得天线最低架设高度, 即目标高度h_t所需的最低雷达天线高度由式 (4) 决定

(4)

安徽四创电子股份有限公司双基地雷达在合肥地区进行了两次外场试验。2004年5月第1次试验的基线长度为L₁=9.9 km, L₂=22.7 km; 2004年11月第2次外场试验的基线长度为L₃=26.8 km, L₄=22.9 km。设k_B=50² km²(等效的单基地最大探测距离=50 km), 当要求探测目标最低高度不同时, 由式 (4) 计算的双基地雷达天线架设高度 (假设发射天线高度为0) 如图 1所示。

图 1

图 1. 双基地雷达天线架设高度 Fig 1. Relationship between bistatic radar (with different baselines) antenna setting altitude and its lowest detectable object height

对于L₁=9.9 km情况, 当天线架设在0.5 m的高度处, 可看到目标的最低高度为200 m, 将天线架设在180 m的高度处, 就能看到地面 (高度为0) 的目标物。同样, 在L₃=26.8 km的情况下, 当天线在3 m高度处, 能看到的最低目标高度为200 m, 将天线架设在251 m的高度处, 能够看到高度为0的目标物。天线高度的不同, 导致了双基地雷达探测的最低目标高度范围也不同。基线越长, 探测同样高度的目标, 天线需要架设在更高的位置。所以在给定的双基地结构中, 雷达的天线架设高度可按式 (4) 设计, 实践中具有可操作性。只要合理布局, 双基地雷达可以探测到离地面很低的高度, 与单基地多部雷达相比, 在近地面附近的探测更具优势。

与多部雷达探测相比, 双基地雷达尽管有不可替代的优势, 但还存在着明显的缺点, 宽视角低增益接收天线会造成双基地雷达对旁瓣污染更加敏感^[10]。理论上讲, 被动雷达的回波范围和强度都小于主动雷达, 但在资料分析中也发现, 被动雷达的信号有时比主动雷达的还强, 具有比较严重的资料质量问题。在分析中初步认为, 这主要是旁瓣污染造成的。下面就旁瓣污染的成因及影响进行分析, 以求得到更加可靠的双基地雷达探测资料。

对于一个抛物面天线雷达发射的电磁波, 最大能量方向是天线所指的方向, 旁瓣和尾瓣能量要小得多。单基地雷达的等相位表面是半径为R_t的圆, 主波束从距离R_t接收的后向散射能量是P_m, 同时旁瓣和尾瓣在等距离R_t上接收的能量总和为P_s, 那么雷达接收的总功率就是所有能量之和, 用P_m+s表示, 即P_m+s=P_m+P_s, 如图 2所示。

图 2

图 2. 单基地雷达接收的总散射能量示意图 (T为主动雷达) Fig 2. Schematic diagram of total scattering energy received by monostatic radar ("T" denotes active radar site)

P_m与P_s比较, 当P_s很小可以忽略时, 就能用P_m代替总的接收能量。为了得到很小的P_s值, 要求天线有很低的旁瓣。标准抛物面天线通常依照设计要求, 而特别降低旁瓣电平, 如安徽四创电子股份有限公司设计的双基地系统, 作为发射用的3830C波段雷达的天线增益≥43 dB, 而它的第一副瓣电平≤-29 dB。单基地雷达的发射与接收都是用同一个天线, 弱的旁瓣发射信号被同样弱的旁瓣接收, 接收信号的功率就更小。

但双基地雷达的旁瓣影响却是另一种形式, 污染示意图如图 3所示。假若发射雷达主瓣探测的是层状云降水区域, 而天线旁瓣指向同相位椭圆上一个更强的回波区, 产生虚假回波, 而这两个信号将同时到达被动雷达的接收机, 这样旁瓣照射的高散射区信号就污染了主瓣指向的区域, 这一信号污染主要是由于接收机的宽视角造成的。安徽四创电子股份有限公司研制的波导裂缝被动接收天线, 在水平方向形成50°左右的波束宽度^[8]。该天线增益 > 20 dB, 第一副瓣电平≤-14 dB。

图 3

图 3. 双基地雷达旁瓣污染示意图 (T为主动雷达, R为被动雷达) Fig 3. Schematic diagram of side-lobe contamination of bistatic radar ("T, R" denote active and passive radar sites, repectively)

由于双基地雷达系统的宽波束接收天线引入了更多的污染信号, 故其旁瓣污染较单基地雷达更为复杂。

小球形粒子瑞利散射情况下, 假设:①产生散射作用的粒子半径r比入射波长λ小得多, 即r « λ; ②散射粒子的电学特性是各向同性的; ③散射粒子不带自由电荷; ④入射波是周期变化的平面偏振波; ⑤散射粒子不是导电体, 复折射指数 (也称折射率) 不太大。双基地雷达截面^[8]为

(5)

式 (5) 中, σ_B为双基地雷达截面, σ_m是雷达截面, α表示入射波电场矢量振动方向与任意散射方向 (被动雷达接收方向) 的夹角。在这种假设的理想情况下, 双基地反射率因子可写为

(6)

式 (6) 中, Z_B表示双基地反射率因子, Z_m表示单基地反射率因子。该式就是已知主动雷达的反射率因子估算双基地雷达反射率因子的公式。

用式 (6) 可从单基地反射率因子Z_m计算出双基地反射率因子Z_B。因为在推导双基地雷达方程中没有考虑发射天线旁瓣的贡献, 故计算得到的双基地反射率因子Z_B可以看作是理想情况下的“真值”。而双基地雷达测量得到的反射率因子Z′_B则包含了各种误差因素, 也包括旁瓣污染带来的误差在内。比较测量值Z′_B和计算值Z_B之间的差异就可以定性判断数据测量质量。在网格点内设定一个常数阈值, 如果差值超出该阈值, 很可能就是受到了污染。当然反射率因子中包含了多种因素, 比如双基地雷达天线图因子, 大雨的衰减, 不适当的瑞利散射假设, 不同的动态范围, 不同的接收机系统损失等。所以不能保证所有超出阈值的数据都是由于旁瓣污染, 但是只要受到了旁瓣污染影响, 基本上能被发现。用这种方法能够进行有效数据的筛选和数据质量控制。

本文基于双基地雷达探测原理, 对双基地雷达天线架设高度设计和旁瓣污染等问题进行了分析。文中给出了在给定基线长度和最大探测距离乘积条件下, 以目标探测高度为参数的雷达天线架设的最低高度设计方案, 该方案具有实用价值。对于给定的探测高度, 基线越长, 要求发射或接收天线架设的高度越高。

由于被动雷达接收天线视角宽, 旁瓣污染是影响双基地雷达系统探测精度不可忽视的问题。可以用被动雷达的测量值和理论计算值比较的方法来进行有效数据的筛选和数据质量控制, 如果差值超出了设定阈值, 资料很可能已被旁瓣污染。在外场试验得到的资料中, 由于接收机天线增益变化较大, 且水平方向和垂直方向分布完全不同, 安装也没有给出准确的方向性, 所以在旁瓣污染方面还没有得到典型的资料。因此, 在这里没有进行实际资料的分析研究, 仅提供一种旁瓣污染分析的思路, 为今后进一步研究提供参考。