兰州多普勒天气雷达灵敏度测试

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兰州多普勒天气雷达灵敏度测试
兰州理工大学机电学院 民航甘肃空管分局 田 方
本文主要通过详细的图示，以美国EEC 多普勒气象雷达DWSR －2500C 为例,介绍了雷达的接收机灵敏度的基本原理和测试，通过理论与实际相结合，详细讲述了一种不常见测试灵敏度的方法；对以后机务员对雷达的测试维护提供了参考和补充,有一定的普及实用价值。

1 简述
灵敏度是雷达接收机的最主要质量指标之一。

灵敏度表示了接收机接收微弱信号的能力。

能接收的信号越微弱，则接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离也就越远。

雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率S i min 来表示，如果信号功率低于此值，则表示信号将被淹没在噪声干扰信号之中，不能被可靠的检测出来。

（俞小鼎.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].气象出版社,2006）当接收机的输入信号功率达到S i min 时，接收机就能正常接收并且能在输出端检测出这一信号来。

由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制，因此要想提高它的灵敏度，就必须尽量减小噪声电平，同时还应该使接收机有足够的增益。

具体来讲，由于噪声总是伴随着微弱信号同时出现，所以要能检测信号，微弱信号的功率应该大于噪声功率或者可以和噪声功率相比。

在噪声背景下检测目标，接收机输出端不仅要使信号放大到足够的数值，更重要的是使其输出信号噪声比S O / N O 达到所需要的数值。

（丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西北电子科技大学出版社(第三版),1994）通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比。

接收机噪声系数F O 为：
(1)
输入信号的额定功率S i
为：
(2)
式中，为接收机输入端的额定噪声功率。

于是进一步
得到：
(3)
为了保证雷达检测系统发现目标的质量，接收机的中频输出必须提供足够的信号噪声比，令
时所对应的接收机输
入信号功率为最小可检测信号功率，即接收机实际灵敏度为：
(4)
通常，又可以把(S O / N O )min 称为“识别系数”，并用M 表示，所以灵敏度又可以写成：
(5)
为了提高接收机的灵敏度，即减少最小可检测信号功率S i min ，通常需要做到：(1)尽量降低接收机的总噪声系数F O ，所以通常采用高增益、低噪声高放；（卢小佳.多普勒天气雷达信号处理的研究[D].安徽大学,2014）(2)接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到
白噪声背景下输出最大信号噪声比；(3)识别系数M 与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。

在保证整机性能的前提下，尽量减小M 的数值。

为了比较不同接收机线性部分的噪声系数F O 和带宽B O 对灵敏度的影响，需要排除接收机以外的诸多因素，因此通常令M = 1，这
时接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”，其值为：
(6)
雷达接收机的灵敏度以额定功率表示，并且通常以相对的
分贝数计值，即：
(7)
将
的数值带入公式，S i min 取单位dBmW
，则计算公式为：
(8)
2 雷达概况
兰州机场采用美国EEC 公司DWSR2500C 型多普勒天气雷达，工作在C 波段，能够探测强度和速度。

雷达主要指标有：
峰值功率：250KW ，即84dbm 工作频率：5600Mhz 驻波比：1.25:1
雷达灵敏度：2.0μs -112dBm
3 测试原理
灵敏度的测试原理一般有两种。

（陈德生,谢君,曲楠,等.新一代多普勒天气雷达参数测量和性能标定[J].气象与环境科学,2006(4):88-89）第一，直接测试法，利用信号发生器注入射频信号，通过改变信号源的输出幅值，在输出端利用相应测试仪器找出杂波信号中的最小射频信号；第二，间接测试法，根据噪声系数与灵敏度的函数关系，在测得噪声系数和已知接收机带宽的条件下，利用公式进行计算，从而得出灵敏度值，也可以通过噪声系数与灵敏度相关公式的变形，在测得信噪比的条件下，通过计算得到灵敏度值。

本文采用的是不常用的一种间接测试法，也被称为“3dB 灵敏度测量法”。

3dB 灵敏度测量法：
一种常见的雷达厂家测试方法，对其信号发生器的要求非常高，要求信号源产生的高频低功率信号非常稳定。

3.1 测试准备
表1 测试仪表
序号名称数量备注1信号发生器1Agilent N5183A
2频谱仪1HP8696E 3转接头1SMA 4
测试电缆
2
N型
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3.2 测试方法
警告：
频谱分析仪有最大输入信号电平限制，短时超过规定的最大量程会导致设备损坏。

(1)频谱分析仪开机使用
功率计开机时有一个硬件初始化过程，当初始化完毕后，进入操作窗口；
测试设备长时间的预热和在小信号测试时进行正确校零，可减小仪器测试误差。

(2)信号发生器校准(3)测试连接图
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图1 3dB灵敏度测量法连接图
4 测试过程
4.1 信号发生器的设置
选择按键“Freq ”，设置连续波频率为5.6GHz ；选择按键“AmptD ”，设置幅值为-80dBm ；
选择按键“Pulse source ”，设置脉冲加载方式为“Free Run ”、脉冲周期“4.0ms ”、脉冲宽度“2.0μs ”；
选择按键“Pulse off/on ” 为on ， 打开调制脉冲设置开关；选择按键“Mod on/off ” 为on ，打开调制开关；选择按键“RF on/off ”为on ，打开射频发射开关；4.2 频谱仪的设置
设置中心频率为30MHz ；设置带宽Span 为30MHz ；设置带宽分辨率RBW 为100kHz ；设置视频分辨率VBW 为30kHz ；设置带宽扫描时间 Sweep time 为30msec ；4.3 灵敏度测试步骤
按照频谱仪灵敏度测试连接图连接测试设备；
基于DWSR2500C 型多普勒天气雷达的技术指标，对信号发生器进行设置，产生一组模拟的雷达射频信号；
从接收机的高频部分（V2）高频限制保护器输入端注入2μs 射频脉冲，从接收机A6—线性放大器RF OUT 端输出，用频谱仪进行检测；
选择按键“Mark peak search ”，找到中频频点；
选择按键“BW ”，选择子键“Avg ”，对信号进行平均；关闭信号源，信号图像幅度下降，待图像稳定后，在做一次平均，记录此时中频频点处的幅值，即为中频频点噪声；
打开信号源，逐渐增加信号输出功率，当中频频点值高出噪声值3dBm 时，记录此时信号源的输出功率；
通过公式，计算出灵敏度；测试图像如图2、图3所示：
图2 信号源输出-80dBm信号
图3 中频频点噪声-75.75dBm信号
4.4 测试结果
当信号发生器的输出功率为-80dBm 时，图像如图12所示，找到中频频点，显示30.45MHz ；关闭信号发生器，信号逐渐下降，待稳定后，如图13所示，记录中频频点噪声为-75.75dBm ；
打开信号源，增加信号输出功率，当中频频点值高出噪声值3dBm 时，记录此时信号源的输出功率为-93dBm ；将测试数据记录绘制成表，如表2所示。

表2 测试数据记录表
5 结论
综上所述不难发现，测试结果与理论值相比基本一致，3dB 测试方法较之平常常见的测试方法而言操作比较困难，而且需要对测试仪器有较为深入的理解，本文通过介绍这种测试方法也意在加强多普勒雷达机务员的维护维修技能。

作者简介：田方（1986—），男，工程师。