美国国家海洋和大气管理局特别报告测量风廓线仪电磁兼容性特性

风廓线仪电磁兼容性测量报告总结

第一部分：简介

• 背景：风廓线仪在50～1000MHz范围内运行，重点关注200～500MHz频段，因其适合NOAA国家风廓线仪网络建设。目前风廓线仪主要应用于研究机构，NOAA已运营31台风廓线仪示范网络并计划扩大至100-200台，预计政府和非政府机构也将使用。
• 目标：确定风廓线仪的辐射频谱（高低模式）、谐波和次谐波功率、天线频率响应、近地面辐射天线增益，以及雷达性能对选定发射波形干扰的敏感性。
• 方法：在科罗拉多州普拉特维尔对Unisys风廓线仪（404.37 MHz）进行测量，假设其特性对200-500MHz频段的风廓线仪适用。

第二部分：风廓线测量系统

• 系统描述：风廓线仪为垂直定向地面脉冲多普勒雷达，利用无线电折射指数不规则性或降水散射测量风速和风向。系统采用线性极化相控阵天线，按顺序在三个方向（东、北、垂直）扫描，每6分钟通过卫星发送数据至NOAA。
• 系统时序/波形：系统工作在六种模式（HE、LE、HN、LN、HV、LV），每种模式包含36个距离门，正常操作中每种模式工作约1分钟。
• 系统硬件：分析器采用共轴同轴（COCO）天线进行发射和接收，包括频率发生器、射频功率放大器、接收器（射频、中频、模数组件）。
• 数字信号处理：FFT处理器执行平均、累加、直流分量去除、复FFT和汉宁窗处理，主计算机计算功率谱并进行非相干平均。中心节点进行一致性平均以防止异常速度偏置。

第三部分：对轮廓仪的干扰分析

• 干扰类型：分为相干干扰（如相位码处理或宽带噪声源引起的干扰）和非相干干扰（如数据或语音调频信号）。
• 相干干扰：对速度剖面操作最具破坏性，因相干干扰信号会被系统解释为有效信号。相移信号可提供约20 dB的抑制效果。
• 非相干干扰：通过降低信噪比影响系统，导致高度覆盖范围损失。系统噪声平均增加x分贝，高度覆盖范围损失约x/2至x公里。
• 系统噪声温度：运行温度为5开尔文，宇宙天空噪声温度和热地面温度贡献较小，主要考虑天线损耗和接收机噪声温度。
• 系统频率响应：相干平均器频率响应为梳状滤波器，在PRF = 1/PRT时重复低通滤波函数。
• 系统后处理噪声功率：根据系统噪声温度和频率响应计算得出。
• 最低可探测信号功率：根据系统噪声功率和FFT点数计算得出。
• 干扰分析：考虑干扰源功率电平、距离、频率谱、时间依赖性，分析对系统信噪比的影响。

第四部分：风廓线测量

• 发射光谱测量：测量短脉冲（1.67μs）和长脉冲（6.67μs）的辐射频谱，发现频谱关于载波不对称，具有良好的光谱保持特性。
• 谐波与次谐波辐射功率测量：次谐波（202 MHz）、二次谐波（808 MHz）和三次谐波（1212 MHz）发射信号比基波低37至60 dB，四次谐波（1616 MHz）至少低70 dB。
• 天线选择性测量：COCO天线在404.37 MHz处回波损耗为-19.9 dB，在±10 MHz范围内保持良好阻抗匹配。
• 天线增益测量：地面天线增益相对于主波束的增益为-57 dB，主波束增益为+32 dBi。
• 风廓线仪干扰敏感性测试：
  • 调谐连续波信号注入：-135 dBm时系统噪声增加约3 dB，-125 dBm时高模式大气信号消失。
  • 失谐连续波信号注入：-70 dBm时未观察到干扰。
  • 调谐FM信号注入：-130 dBm时系统噪声增加约3 dB，-100 dBm时未显示干扰。
  • 非FMed调谐脉冲信号注入（“连续”）：300 pps下10 μs脉冲阈值为-80 dBm，1 μs脉冲阈值为-70 dBm。
  • 非FMed调谐脉冲信号注入（“间歇”）：间歇性注入时干扰阈值显著提高。
  • 调频、谐频信号注入（连续）：1 MHz或更高的啁啾信号阈值为-60 dBm。
  • 调频脉冲信号注入（间歇式）：间歇性注入时干扰阈值提高。

第五部分：摘要与结论

• 天线增益：地面水平处的平均增益为-25 dBi（±8 dB标准偏差），低旁瓣电平可提高兼容性。
• 干扰敏感性：模拟440-450 MHz频段的实际雷达操作时，干扰敏感性水平显著提高。雷达的干扰程度随脉冲宽度增加或脉冲重复频率提高而加剧，线性调频范围越宽，干扰程度越低。
• 发射光谱：Unisys风廓线仪高低模式发射光谱关于载波不对称，具有良好的光谱保持特性。
• 谐波与次谐波：二次谐波（202 MHz）、三次谐波（808 MHz）和四次谐波（1212 MHz）发射强度比基波低37至60 dB。
• 干扰阈值：440-450 MHz频段内，导致四种典型操作信号信噪比下降3 dB的干扰阈值水平范围为：调谐连续波信号-135 dBm，调谐FM信号-130 dBm，非FMed调谐脉冲信号-80 dBm至-85 dBm，非FMed调谐间歇脉冲信号-60 dBm。
• 对陆上移动/业余操作的影响：风廓线仪的辐射信号在距离超过1.6公里的地方无法被接收机区分，表明其运行应与大多数陆地移动/业余操作兼容。
• 天线选择性：不会提高风廓线仪对频率在风廓线仪工作频率±10 MHz范围内的系统干扰的抵抗能力，但可提高与中心频率超过100 MHz的系统兼容性（约30 dB抑制）。