常规高空气象探测系统电磁环境测试探讨

常规高空气象探测系统电磁环境测试探讨
■杨露吴楷
一、概述
常规高空气象探测是指采用气球自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间空气运动的状态（风向、风速）和气象要素（气压、温度、湿度）的变化进行探测、收集、处理的活动和工作过程。

常规高空气象探测的仪器包括探空气球、探空仪以及地面跟踪接收设备等。

无线电技术在常规高空气象探测系统中主要用于地面跟踪接收设备对升空的探空仪的跟踪捕捉、通讯及数据传输、测距等。

我国目前在用的常规高空探测系统主要工作在两个频段：395～405MHz（400MHz频段）与1669～1681MHz（L波段）。

工作在400MHz频段的设备有GTS(U)2-1 型数字式电子探空仪、GZZ2型电码式探空仪与701型二次测风雷达等；工作于L波段的设备有GTS1型数字探空仪与GFE(L)1型二次测风雷达等。

根据中国气象局探空的发展规划，电子探空仪-L波段二次测风雷达是未来为主的过渡体制，逐步取代701系列探空系统。

这也符合《中华人民共和国频率划分规定》对“气象辅助”业务工作频段的划分：“气象辅助”业务应工作在27.5～28MHz、400.15～406MHz、1668.4～1700MHz频段内。

随着卫星导航定位系统，特别是美国的全球定位系统(Global Position System，GPS)的发展，人们开始将GPS技术利用到气象探测中，采用GPS探空仪与地面GPS自动跟踪接收系统配合，完成从地面到高空温、压、湿、风综合气象要素的实时探测。

把GPS利用于高空气象探测是国际上公认的最新技术，GPS高空气象探测系统主要工作在400.15～406MHz。

对常规高空气象探测系统的电磁环境保护主要是考虑对其地面跟踪接收设备的电磁环境兼容性分析，根据探空系统的发展趋势及应用规模，本文针对电子探空仪-L波段二次测风雷达系统展开探讨。

二、无线电干扰保护门限计算
电子探空仪主要由传感器、采集处理器、无线电发射机及电池等部分组成。

传感器感应空间的温度、湿度和气压的变化，然后经采集处理器的采集和变换并以一定形式调制发射机，发射机将采集的数据用高频信号发射出来，同时对二次雷达询问信号产生回答信号，提供给二
表1：GTS1型数字探空仪主要电气性能参数
L波段二次测风雷达是集跟踪雷达与数字无线电通信于一体的综合系统。

GFE(L)1型雷达雷达采用了假单脉冲二次雷达工作体制，实现了角度自动跟踪、自动测距、自动数据处理、近
表2：GFE(L)1型二次测风雷达主要电气性能参数
表2中的技术参数要优于GB/T 12506-1990《测风雷达通用技术条件》的要求。

根据表2，折算到L 波段二次测风雷达天线口面的最小可测功率（min r P ）约为-129dBm(3MHz)。

考虑电子探空仪-L 波段二次测风雷达的探测最大作用距离（d ）为200km 、工作频率（f ）为1675MHz ，以及自由空间的传播损耗（0L 、dB ）：
0()32.4520l g (/)20l g (/)L d B f M H z d k m =++ ① 根据表1可以计算出在直线距离200km 外的探空仪发射到接收天线口面的功率（A P ）为-115.45dBm （考虑探空仪的天线增益1.5dB ）。

比较min r P 及A P ，
设置min r P （-129dBm/3MHz ）作为电子探空仪-L 波段二次测风雷达系统的无线电同频干扰保护门限。

对于L 波段二次测风雷达接收机输入端对通频带外临频干扰信号的可容许干扰（n P 、
dBm ），根据GB13618-1992《对空情报雷达站电磁环境防护要求》，并考虑雷达接收天线的增益以及馈线损耗，按式②、式③计算：
122.1n f P K ∆=-+
②
110.3n f P K ∆=-+
③
式②对应于调幅干扰信号计算、式③对应于调频干扰信号计算，式中：f K ∆是干扰信号频率偏移接收机工作频率f ∆时的接收机带外抑制系数（dB ），取值见表3
[10]。

表3：接收机带外抑制系数
三、电磁环境测试系统的构建
（一）电磁环境测试系统性能论证
电磁环境测试系统的性能主要体现在测试灵敏度方面，对于被测系统，测试系统的灵敏度应满足高于被测系统接收灵敏度的要求。

本文以Agilent N9020A 频谱分析仪为核心构建电磁环境测试系统如图1所示：
图1：电磁环境测试系统框图
图1中0.8m 抛物面在L 波段天线增益（r G ）约为23dB ，低噪声放大器增益（n G ）42dB 、噪声系数（f N ）≤2dB ，N9020A 频谱分析仪平均显示噪声电平为-166dBm/Hz 。

考虑低噪声放大器的噪声功率（n P 、dBm ）
： n f P kTB N =⋅
④
式中：为玻尔兹曼常数（231.3810
/J K -⨯），为天线温度（一般取290K ），为接收机带宽
（Hz ）。

低噪声放大器输出端的噪声功率（、dBm ）为： O n n N P G =+
⑤ 当B 取1Hz 时，图1所示的系统的o N 为-130dBm ，大于N9020A 频谱分析仪平均显示噪声电平为-166dBm/Hz ，即经低噪声放大器输出的信号频谱分析仪均能正常接收。

因此，系统等效到天线口面的灵敏度（S 、dBm ）可表示为：
n r S P G L
=-+
⑥
式中：r G 为天线增益（dB ），L 为馈线损耗（dB ）。

当B 取6
310⨯Hz(3MHz)、L 取0.8dB ，计算图1所示系统的S 约为-130.5dBm ，大于电子探空仪-L 波段二次测风雷达系统的无线电同频干扰保护门限-129dBm/3MHz 。

该系统满足相关电磁环境测试要求。

（二）电磁环境测试要求
采用图1所示的电磁环境测试系统对电子探空仪-L 波段二次测风雷达系统进行测试，有如下基本要求：
1、测试地点应选择在地面L 波段二次测风雷达的预选站址或其邻近地点，且来波不应受建
筑物或地形影响；连续测试时间应不少于24小时。

2、测试相关参数按照电子探空仪-L 波段二次测风雷达系统的技术参数设置，检波方式采用峰值检波，电磁环境测试必须在方位角0°～360°、俯仰角0°～90°全方位进行，还应分别采用不同极化方式进行测试。

3、根据无线电干扰保护门限，对测试频段内超过门限的已有信号以及不明信号要进行必要的分析，对干扰信号需要进一步调查测试，并尽可能分析查明干扰源的性质和位置。

四、对邻近频段内气象卫星接收系统的干扰计算
对于L 波段二次测风雷达的电磁环境测试除分析雷达可使用频段内干扰信号的频谱分布特征外，还要根据雷达的发射技术参数计算其设台后对邻近无线电设备的影响，本文以同为气象部门使用的风云3号气象卫星接收系统为例进行说明。

风云3号气象卫星采用L 波段和X 波段进行数据广播，其中L 波段频率（1698～1710MHz ）与电子探空仪-L 波段二次测风雷达系统工作频率（1669～1681MHz ）较为接近。

根据计算，风云3号气象卫星接收系统L 波段接收机输入端最大容许干扰电平为-104.08dBm/6.8MHz 。

当L 波段二次测风雷达天线主波束以相对于风云3号气象卫星接收天线主波束中心轴48°～180°的角度发射信号时（即不考虑两者天线直接互相照射的情况），干扰方向的增益按式⑦计算
[12]：
⑦ 式中：()G ϕ为干扰方向的天线增益（dB ），ϕ为偏离天线主波束中心轴的角度（°），λ为气象卫星接收天线直径（m ），为工作波长（m ）。

参考表2的发射参数以及风云3号气象卫星接收系统L 波段接收机输入端的最大容许干扰电平，在考虑100dB 的频偏损耗[4]（最小频差为17MHz ）、20dB 的极化（圆极化与垂直极化）及馈线等损耗时，根据式①、式⑦（D 取4.2m ）计算得L 波段二次测风雷达与风云3号气象卫星接收系统的最小隔离距离不小于72.53m ，即若L 波段二次测风雷达设置在风云3号气象卫星接收系统72.53m 范围内会造成对气象卫星接收系统的干扰。

五、结束语
本文简要地对常规高空气象探测系统中的电子探空仪-L 波段二次测风雷达系统的电磁环境测试工作进行了探讨。

对于一个综合型的气象观测站，其内部除部署有一般常规高空气象探测系统外还可能部署了多种型号的风廓线雷达、多普勒天气雷达、雷电监测系统以及气象卫星接收系统等，对于这些雷达或系统可以参照本文的方法进行电磁环境测试和电磁兼容性分析。

（作者单位：湖南省无线电监测站） ()1010lg D G ϕλ
=-。