X 波段全固態(tài)天氣雷達(dá)降水探測能力的研究

史朝，范凱波，李學(xué)華1，，王旭1，

(1.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川成都610225;2.成都信息工程學(xué)院，四川成都610225;3.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

0 引言

天氣雷達(dá)的穩(wěn)定性對于高精度的氣象觀測與物理參數(shù)反演是至關(guān)重要的(周海光，2010;黃興友等，2011;魏鳴等，2011)。使用固態(tài)發(fā)射技術(shù)是天氣雷達(dá)今后發(fā)展成為全固態(tài)系統(tǒng)的重要技術(shù)途徑。相比大功率真空發(fā)射管，固態(tài)器件的穩(wěn)定性更好，壽命更長。中國氣象局氣象探測中心對我國新一代多普勒天氣雷達(dá)運行狀況的長期跟蹤發(fā)現(xiàn)(裴翀等，2010)，使用速調(diào)管的發(fā)射機是故障發(fā)生率較高的分系統(tǒng)之一，并且發(fā)射管平均壽命僅10 000～43 000 h，如果全年連續(xù)開機，則每年消耗約一只管子。而固態(tài)器件的平均無故障時間可超過五十萬小時(斯科尼克，2010)。不僅如此，由于固態(tài)器件無需熱陰極，進(jìn)一步節(jié)約了預(yù)熱時間，省去了燈絲電源與鈦泵電源等電路，減輕了業(yè)務(wù)使用期間的老練與保養(yǎng)工作。另外，固態(tài)技術(shù)還可以滿足雷達(dá)發(fā)射復(fù)雜波形以及改善數(shù)據(jù)質(zhì)量等要求。

目前，國內(nèi)外十分重視固態(tài)雷達(dá)的技術(shù)研發(fā)與氣象探測的應(yīng)用。日本東芝公司采用自研的微波晶體管研制出了X波段與C波段全固態(tài)天氣雷達(dá)(Masakazu et al.，2008)。Bharadwaj et al.(2009)設(shè)計了適合于全固態(tài)雙極化氣象雷達(dá)觀測的發(fā)射調(diào)制波形。George et al.(2008)分析了多脈沖方式與雙PRF法解決寬脈沖線性調(diào)頻模式下近場探測盲區(qū)與速度模糊等問題。不過當(dāng)前技術(shù)條件應(yīng)用于天氣雷達(dá)精細(xì)化探測需求還面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，一個固態(tài)組件提供的輸出功率還比較有限，為滿足探測需求，一般會并聯(lián)多個組件進(jìn)行功率合成。要達(dá)到與真空發(fā)射管相當(dāng)?shù)妮敵龉β仕?，其組件數(shù)量將十分龐大且造價昂貴。從可實現(xiàn)性角度考慮，將功率合成方式與脈沖壓縮技術(shù)相結(jié)合，即能滿足等效輸出功率與探測分辨力要求又可控制組件規(guī)模與成本。脈沖壓縮技術(shù)是確保全固態(tài)雷達(dá)實現(xiàn)氣象探測的關(guān)鍵。

引入脈沖壓縮技術(shù)的全固態(tài)雷達(dá)對氣象目標(biāo)探測能力的影響是多方面的:脈沖壓縮技術(shù)是通過較大的時寬帶寬積獲取高壓縮比以提高回波信噪比水平，大時寬會增加雷達(dá)近場探測盲區(qū);脈沖壓縮后泄露的距離副瓣將影響弱目標(biāo)的檢測與定量精度;加權(quán)處理后的主瓣展寬會降低雷達(dá)距離分辨力;由失配處理造成信噪比降低，進(jìn)一步影響雷達(dá)對降水目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測距離，等等。這些因素并非孤立存在而是相互關(guān)聯(lián)的，有必要從系統(tǒng)角度分析、試驗與改善脈沖壓縮技術(shù)下的全固態(tài)天氣雷達(dá)對降水觀測的實際能力。

本文以中國氣象局大氣探測重點開放實驗室的X波段全固態(tài)天氣雷達(dá)為試驗平臺，重點分析了雷達(dá)在空間探測分辨力、低距離副瓣脈沖壓縮與降水觀測最遠(yuǎn)探測距離3個方面的探測能力。

1 全固態(tài)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

X波段全固態(tài)相參天氣雷達(dá)由低副瓣天饋系統(tǒng)、天線伺服系統(tǒng)、固態(tài)發(fā)射機、具有固態(tài)保護器的高靈敏度大動態(tài)數(shù)字接收機系統(tǒng)、低相噪頻率源、高性能可編程數(shù)字信號處理機、控制終端和狀態(tài)采集裝置以及高性能的用戶終端和完善的氣象產(chǎn)品生成軟件等主要部分組成。雷達(dá)系統(tǒng)的主要探測參數(shù)為降水系統(tǒng)的基本反射率因子、徑向速度、與速度譜寬，并具有多種掃描模式切換、實時在線標(biāo)定、工作狀態(tài)監(jiān)視以及故障監(jiān)測等功能。雷達(dá)硬件的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 X波段全固態(tài)天氣雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters for X-band fully solid-state weather radar system

2 空間探測分辨力

天氣雷達(dá)空間探測分辨力主要包含方位、俯仰角度分辨力與距離分辨力。方位與俯仰角度分辨力取決于天線波束的主瓣寬度，二者乘積與天線增益成反比。為提高增益與角度分辨力，固態(tài)雷達(dá)天線直徑為1.6 m。天線增益極限值逼近44 dB，方位與俯仰角度分辨力極限值逼近0.9°。

距離分辨力與雷達(dá)發(fā)射帶寬成反比，關(guān)系為:

其中:C為光速，B為發(fā)射的調(diào)頻帶寬。在不改變發(fā)射功率與發(fā)射時寬的條件下，高調(diào)頻帶寬不僅可以提高徑向維上探測精細(xì)度，還能增大壓縮比從而提升氣象回波的信噪比水平。固態(tài)雷達(dá)調(diào)頻帶寬為3 MHz，－4 dB處的距離分辨力為50 m。不過在脈沖壓縮過程中為滿足抑制距離副瓣的需要，一般會有加權(quán)處理，這會導(dǎo)致壓縮后的主瓣展寬。那么可以依據(jù)展寬系數(shù)k，進(jìn)一步調(diào)整調(diào)頻帶寬為kB。確保展寬后的脈寬不超過距離分辨力要求。表2為一些常用加權(quán)函數(shù)的性能。

表2 常用加權(quán)函數(shù)的性能(吳順君和梅曉春，2008)Table 2 Capabilities of usual weighted functions

大脈寬發(fā)射雖然可以增加總的發(fā)射能量，但也會由此增加雷達(dá)近場的探測盲區(qū)。雷達(dá)收發(fā)共用一部天線，發(fā)射期間無法接收。例如:發(fā)射脈寬為33.3 μs，最小可探測距離為5 km。對于探測雷達(dá)近場的強天氣，這個距離是無法接受的。因而必須進(jìn)一步設(shè)計探測模式，彌補由于大時寬發(fā)射線性調(diào)頻信號所引起的最小探測距離增大的不良影響。

組合探測模式是指交替發(fā)射寬脈沖線性調(diào)頻信號與窄脈沖單點頻信號。寬脈沖信號用于遠(yuǎn)距離探測與定量測量，窄脈沖用于對寬脈沖觀測盲區(qū)的探測。窄脈沖觀測降水的有效范圍不能小于寬脈沖觀測盲區(qū)距離。圖1為在寬度為0.833 μs窄脈沖單點頻發(fā)射條件下雷達(dá)對水相粒子的探測能力。

在峰值功率50 W單點頻窄脈沖發(fā)射條件下，固態(tài)雷達(dá)可以獲得6 km處10 dBz的最小信號探測能力。窄脈沖模式可以有效觀測雷達(dá)近場5 km寬脈沖探測盲區(qū)范圍內(nèi)降水過程。

圖1 窄脈沖單點頻發(fā)射條件下的雷達(dá)最遠(yuǎn)探測距離Fig.1 Radar detectable maximum distance under the condition of narrow pulse and single frequency transmission

3 低距離副瓣脈沖壓縮

脈沖壓縮技術(shù)能夠滿足雷達(dá)在不降低距離分辨力的前提下增加發(fā)射脈寬來提高平均發(fā)射功率，進(jìn)而改善回波信噪比，擴大最遠(yuǎn)可探測距離。脈沖壓縮技術(shù)最適合發(fā)射峰值功率受限的情形，在目前的制造技術(shù)水平下，固態(tài)發(fā)射機的峰值輸出功率還十分有限，所以為獲得理想的探測性能必須采用脈沖壓縮技術(shù)。

氣象雷達(dá)應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)面臨最大的挑戰(zhàn)是如何降低距離旁瓣，因為氣象目標(biāo)呈分布式特征，信號變化范圍很寬。強回波的旁瓣泄漏會被誤認(rèn)為有目標(biāo)存在。比如，地物或海雜波的旁瓣泄漏的強度就要比0.5 mm/h降水回波強度強得多。所以，氣象雷達(dá)的峰值旁瓣抑制能力(peak sidelobe level，PSL)要大于50 dB，理想指標(biāo)60 dB。

常用降低距離旁瓣的方法是在接收時采用濾波器系數(shù)幅度加權(quán)進(jìn)行矢配濾波。該方法特點是以主瓣展寬為代價換取較低的距離旁瓣，常用窗函數(shù)的性能如表2所示。并且矢配方式進(jìn)行濾波會帶來回波信噪比的損失。回波信噪比損失1 dB，最遠(yuǎn)探測距離則縮短約10%，因而必須對設(shè)計的窗函數(shù)在失配濾波過程中引入的信噪比損失進(jìn)行估算，這樣才能了解雷達(dá)由于失配處理的而導(dǎo)致的最遠(yuǎn)探測距離的變化。信噪比損失的估算關(guān)系如下:

其中:s和h分別表示信號和濾波器響應(yīng)的離散信號;y(nc)為信號經(jīng)失配濾波輸出的峰值。選擇何種加權(quán)函數(shù)需兼顧考慮距離旁瓣抑制與信噪比損失等因素。由表2可見，漢明、余弦平方等常用窗函數(shù)的PSL均小于50 dB。

如果對發(fā)射信號進(jìn)行幅度加權(quán)調(diào)制，可減小菲涅爾起伏，進(jìn)一步降低距離旁瓣。該方法的代價是犧牲了部分發(fā)射功率。這個技術(shù)在ARMAR和APR-2 系統(tǒng)中被采用(Durden et al.，1994;Sadowy et al.，2003)，如:發(fā)射時信號進(jìn)行余弦平方加權(quán)，接收時的濾波器系數(shù)進(jìn)行漢明函數(shù)加權(quán)，這種雙向加權(quán)方式可獲得優(yōu)于－50 dB距離旁瓣抑制效果。但該方法對發(fā)射功率損失較大且對發(fā)射波形調(diào)制不易控制，表3模擬計算了在接收端濾波系數(shù)漢明加窗，發(fā)射端信號幅度在四種窗函數(shù)調(diào)制的條件下的脈沖壓縮性能。可以看出雙向加權(quán)優(yōu)于50 dB，但發(fā)射加窗一般造成4 dB以上的發(fā)射功率損失，進(jìn)而會減小最遠(yuǎn)可探測距離約40%左右。因而在峰值功率有限且時寬帶寬積較低的情況下，該方法無法滿足最遠(yuǎn)探測距離需求。

表3 發(fā)射幅度加權(quán)調(diào)制與接收漢明加權(quán)聯(lián)合抑制距離副瓣Table 3 Sidelobe suppression under weighted modulated transmission and hamming weighted receiving

有鑒于此，本文引入了以峰值旁瓣電平和主瓣展寬系數(shù)作為約束條件，用迭代最小二乘法(王麗萍和蘇濤，2008)設(shè)計最小二乘法(least square，LS)自適應(yīng)旁瓣抑制濾波器。其基本過程如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)旁瓣抑制濾波器框圖Fig.2 Block diagram of adaptive sidelobe suppression filter

模擬驗證了自適應(yīng)濾波抑制效果，參數(shù)設(shè)置為調(diào)頻帶寬1.2 MHz，脈寬33 μs。并與匹配濾波脈沖壓縮效果進(jìn)行了對比(圖3)。

圖3 自適應(yīng)旁瓣抑制濾波效果Fig.3 Adaptive sidelobe suppression filtering effect

自適應(yīng)旁瓣抑制濾波器達(dá)到了較好的旁瓣抑制效果，峰值旁瓣電平可達(dá)到約50 dB，且－3 dB主瓣展寬系數(shù)很小，近似為1，明顯低于漢明窗加權(quán)理論值為1.47的主瓣展寬系數(shù)。

進(jìn)一步驗證自適應(yīng)濾波器對雷達(dá)實際回波的單幀I/Q數(shù)據(jù)的處理性能。原始I/Q數(shù)據(jù)分別經(jīng)過匹配濾波脈壓、漢明加權(quán)脈壓與自適應(yīng)旁瓣抑制濾波三種處理過程。

由圖4可見，自適應(yīng)濾波對旁瓣泄露的實際抑制效果優(yōu)于匹配與漢明加權(quán)方式，減小了由于泄露的旁瓣能量對噪聲基底的提升，自適應(yīng)濾波的噪聲基底比其他二者低4 dB左右。而漢明加權(quán)方式的噪聲基底相比匹配方式略有減小，但效果并不明顯。另外，自適應(yīng)濾波的主瓣寬度控制好于漢明加權(quán)方式。

圖4 單幀回波的脈沖壓縮效果Fig.4 Pulse compression effect of single echo

圖5 真實回波脈沖壓縮后的反射率(單位:dBz) a.矩形匹配方式;b.漢明加權(quán)方式;c.自適應(yīng)方式Fig.5 Reflectivity of real echoes with pulse compression(units:dBz) a.rectangular matched method;b.hamming weighted method;c.adaptive method

脈壓后的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)一步被處理為基本反射率因子(圖5)。三者選擇了相同的檢測閾值，可以看出匹配脈壓方式的噪聲基底高于設(shè)定的檢測閾值，旁瓣泄露的能量不僅提升了噪聲基底，而且也增強了弱回波強度，擴大了回波區(qū)域。提升閾值雖可消除泄露造成的假回波，但也會削弱甚至淹沒弱回波，其結(jié)果將造成接收動態(tài)范圍降低，探測精度下降的不利影響，因而單純上調(diào)閾值無法解決矩形匹配脈壓造成的探測困境。由圖5可以看出，漢明加權(quán)方式在弱回波或無回波徑向上的噪聲基底接近檢測閾值，而在出現(xiàn)強回波的徑向上，噪聲基底由于強目標(biāo)的旁瓣泄露而略高于閾值。除此，通過對比發(fā)現(xiàn)漢明加權(quán)的強度估值低于匹配方式1～2 dB。而自適應(yīng)濾波方式強目標(biāo)估值與匹配方式接近，并且弱回波未被高估，噪聲基底低于檢測閾值。

4 發(fā)現(xiàn)降水的最遠(yuǎn)探測距離

固態(tài)雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)降水目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測距離直接取決于發(fā)射峰值功率、天線增益、接收靈敏度與信號處理檢測能力等系統(tǒng)參數(shù)。固態(tài)雷達(dá)可通過增大脈寬、相干積累等方式改善雷達(dá)最遠(yuǎn)探測距離。

由系統(tǒng)噪聲系數(shù)可知，接收靈敏度為:

Prmin=－114+NF+10lgB+10lgM。

其中:NF為接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù);B為接收帶寬;M為信號處理的檢測因子。設(shè)計固態(tài)雷達(dá)即要考慮最遠(yuǎn)探測距離，又要兼顧提高雷達(dá)的分辨力。該固態(tài)雷達(dá)選擇3 MHz作為接收帶寬，信號處理通過相干積累改善回波信噪比，降低回波的檢測因子。理論上，信號相干積累N次，檢測因子改善近似10lgN dB，并考慮到失配脈壓處理引入的信噪比損失L dB，則檢測因子為(10lgN－L)dB。固態(tài)雷達(dá)PPI掃描一周約30 s左右，雷達(dá)在高脈沖重復(fù)頻率下，可以處理不少于64次的回波樣本，因而在信號處理相干積累的作用下，固態(tài)雷達(dá)進(jìn)行匹配脈沖壓縮后通過相干積累靈敏度改善約18 dB。

增大脈寬可改善雷達(dá)最遠(yuǎn)作用距離，但也會增加探測盲區(qū)。窄脈沖可彌補大脈寬引入的探測盲區(qū)，但探測能力有限。為此，圖6模擬了在50 W峰值功率下，不同脈寬與滿足觀測5 dBz目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測距離的對應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯觯}寬在33.3 μs處可以獲得170 km的探測能力。

圖6 雷達(dá)最遠(yuǎn)探測距離與固定調(diào)頻帶寬下的發(fā)射脈寬的關(guān)系Fig.6 Relation between radar detectable maximum distance and transmission pulse width under the fixed modulated frequency width

由脈沖壓縮性能分析可知，失配處理引入的信噪比損失會低估強度估值，即影響雷達(dá)作用距離。相比其他失配濾波方式，匹配脈壓方式?jīng)]有信噪比損失，可獲得理想的最遠(yuǎn)探測距離。在此基礎(chǔ)上，使用自適應(yīng)濾波方式進(jìn)一步改善旁瓣抑制效果。在渭南地區(qū)進(jìn)行外場實驗中，固態(tài)雷達(dá)與C波段713型雷達(dá)進(jìn)行了探測效果對比。

圖7 713型雷達(dá)(a)與固態(tài)雷達(dá)(b)在渭南地區(qū)的探測效果對比Fig.7 Comparisons in detecting effect between(a)the 713 weather radar and(b)the solid-state weather radar in Weinan area

通過對實際探結(jié)果分析，固態(tài)雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)強于10 dBz的降水目標(biāo)，但對小于5 dBz以下的弱回波探測能力明顯不夠。

5 結(jié)論

通過理論分析與試驗，全固態(tài)天氣雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)并定量測量150 km以內(nèi)強于10 dBz的降水回波，弱云回波的探測能力有限。由于采用自適應(yīng)旁瓣抑制濾波器，脈沖壓縮后的峰值旁瓣抑制能力近似－50 dB。相比經(jīng)典加權(quán)方式，信噪比損失小，且主瓣寬度未明顯展寬，對弱回波的改善近似4 dB。

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