雷达信号跳变对自动化系统的影响和解决办法探讨

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　　摘要：本文从雷达的工作原理出发，对雷达的工作原理进行了概述，结合雷达探测的过程，从信号检测错误、高度跳变现象、杂波干扰三个方面分析了雷达信号跳变的影响，并针对性的提出了解决办法。以莱斯自动化系统软件为例，进行了针对性的升级，并将新软件应用于测试平台，经过多次测试，系统运行可靠。
　　关键词：雷达信号；信号跳变；自动化系统；影响；解决办法
　　雷达在探测目标时，不受天气因素的影响，全天不停歇探测，并且具有一定的穿透力。因为这个原因，雷达被广泛应用于军事行业、航空领域，像常见的天气预报、环境监测、天体研究等都会用到雷达。这些行业所属的自动化系统的信号皆来源于雷达信号，雷达信号的准确性、全面性决定了自动化系统的运行，一旦雷达信号跳变，极易引起对应的自动化系统运行故障。本文以航空领域及天气预报领域的雷达系统为例，针对雷达信号跳变对自动化系统的影响和解决方案进行阐述，以促进航空领域的运行安全，提升天气预报的准确性。
　　1.雷达的工作原理
　　雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线，天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。
　　为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。雷达是利用目标对电磁波的反射（或称为二次散射）现象来发现目标并测定空间任一目标所在位置，可用下列三个坐标来确定：目标的斜距R、方位角a、仰角B。同时也就是说根据雷达接收到的信号检查是否含有目标反射回波，并从反射回波中测出有关目标状态的数据。
　　2.雷达信号跳变类型
　　2.1信号检测错误
　　雷达的关键作用是探测目标，然后将探测的目标相关坐标数据信号传回接收端，然而在探测的信号中常常会出现各种噪音的干扰，这种信号干扰性较强，需要进行雷达信号的检测。检测系统通过必要的运算处理和对雷达信号进行处理，从而判断信号的精确性。如果在雷达信号检测的过程中，因为数据限制取值的不同，可能会导致检测结果的错误，把噪声误认为雷达探测到的目标。反之，在检测的过程中也会出现把目标信号错认为噪声的现象，这样就会错过雷达探测到的目标。
　　2.2高度跳变现象
　　如两航班航路同向飞行，地理坐标相同，有一定的高度差，当两航班种的一个航班发生高度跳变，与另一航班处于非常接近的高度时，由于两个航班的雷达地理位置接近，两航班的雷达在较短时间内会失去高度显示，失去雷达信号。
　　以莱斯自动化系统为例，莱斯自动化系统作为一个先进的多雷达信号跟踪与航迹融合处理的信息平台，是航空领域管控监视系统的核心，由于多雷达交叉覆盖存在盲区，两架飞机进入盲区后，因地理位置重叠，造成系统主选高度跳变。
　　2.3杂波干扰
　　在天气预报领域，杂波干扰是影响新一代天气雷达探测数据质量的主要原因。新一代天气雷达是通过发射电磁波并接收探测空间反射的电磁波信号来探测云雨回波的方式工作的，在其探测波束范围内的任意目标物均会产生反射回波信号。当地面非气象目标造成的雷达回波信号被处理进入基数据时，就产生地物杂波。地物杂波对基数据的进一步准确分析影响很大。由于全部雷达产品和算法是建立在基数据上的，因此地物杂波既影响基本产品，也影响导出产品，特别敏感的是对定量降水估计的影响。
　　3.解决方法
　　3.1加强信号检测系统
　　对于雷达信号的检测，事先无法确定目标出现的概念，更难预测一次漏检带来的损失，所以加强信号检测系统是关键。加强信号检测系统，通常采用的准则是纽曼—皮尔逊准则，即在保持某一规定的虚警概率下，使漏检概率达到最小，或使正确检测概率达到最大。根据这一准则，可推测出雷达信号的最佳检测系统，雷达信号最佳接收系统是由一个似然比计算器和一个门限判决器组成，不同的准则体现在门限值不同。其中，似然比定义为：有信号时有噪声时的概率密度函数之比，并且对于相加性平稳高斯白噪声时的似然比计算器的核心就是匹配滤波器。
　　雷达检测的背景随机过程包括两种：第一是由天线接收进来的和由接收机前端产生的噪声，是功率谱密度为常数的平稳随机过程，称为白噪声；第二是发射信号受到带有随机起伏的物体，如地物、云雨、箔条等的反射而造成的杂波，由于起伏有相关性，其功率谱密度不是常数，称为非白噪声或色噪声。人为干扰依相对谱宽可分别归入上述两种。
　　3.2加强动态监测
　　假设共有多部雷达，将各雷达对同一目标进行跟踪获得的航迹数据均放在同一个坐标系下，根据一定的数据统计方法，计算出各雷达输出航迹的距离和方位的权值。此方法以各雷达信号质量动态评估分值作为加权因子，根据信号质量进行权值分配，信号质量好的雷达分配较大权值，反之则较小。在具体应用中，以位于盲区边缘的航迹中心点为初选条件，当飞机进入某部雷达盲区时，该雷达提供的数据在进行多雷达数据融合时需降低其权重。
　　3.3雜波处理
　　地物杂波消除是消除雷达回波信号中由周围地物所产生回波分量的措施。通常采用动目标显示装置来消除地物杂波的影响，但是动目标显示技术是利用目标具有一定的径向速度来区分目标与地物的，如果目标的径向速度很小或为零，例如飞机对雷达作切线飞行，那就无法利用速度区分，在这种情况下要能检测出目标，仍然只能采用恒虚警率处理。
　　地物杂波和气象海浪杂波不同，它沿距离或方位的变化十分剧烈，使单元平均恒虚警率电路难于应用，但是同距离方位单元里的地物杂波，它的振幅随时间的起伏是很小的，因而可采用“时间单元”平均恒虚警率的处理方法，在时间上取平均值估值，这时将雷达周围的二维平面分成许多方位距离单元，把方位距离单元的接收信号存入一个存储器中，每个存储单元对应一个方位距离单元，并且随着天线的扫描，每个单元存储的信号进行递推更新这就得到幅度杂波图。
　　总结
　　本文以航空领域及天气预报领域雷达的应用为重点研究对象，分析雷达信号跳变的种种原因，一一给出解决方法。按照上述解决方案，加强了雷达信号检测，建立了动态监测模式，对雷达信号质量进行权值分配，调整了多雷达融合处理方式，以莱斯自动化系统软件为例，进行了针对性的升级，并将新软件应用于测试平台，经过多次测试，系统运行可靠，为雷达信号质量对众多领域自动化系统的影响提供参考依据。
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　　（作者单位：内蒙古空管分局）
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