雙線偏振雷達標定技術應用

■ 虞海峰

隨著雙線偏振雷達技術的成熟和廣泛應用，對雙偏振量標定方法、精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。使用雙偏振標定技術可以全面檢查雷達系統(tǒng)的狀態(tài)，實時在線校正雷達系統(tǒng)偏差，提高雙線偏振雷達數據質量。

隨著雙線偏振天氣雷達技術不斷成熟和部署，對雷達數據質量和數據穩(wěn)定性提出了更高的要求。雙線偏振雷達較傳統(tǒng)的單偏振雷達新增的三個基本物理量分別為水平和垂直線極化幅度差異差分反射率（ZDR）、相位差異差分傳播相移（φDP）和兩通道相關系數（CC）。其中，ZDR和φDP準確和穩(wěn)定測量是保證雙線偏振雷達數據質量的重要前提。如何獲取這兩個基本物理量的系統(tǒng)偏差，以及標定并修正隨時間帶來的隨機誤差顯得尤為重要。

雙線偏振雷達標定的方法分為手動離線和自動在線兩種方式，不同的標定方法發(fā)揮不同的作用。通過手動離線和自動在線標定相結合的方式，可以獲取雙線偏振雷達的系統(tǒng)偏差并校正隨時間帶來的誤差。標定技術的應用可以提高雙線偏振雷達的數據準確性和長期穩(wěn)定性，為更好地發(fā)揮雙線偏振雷達的定量降水測量和降水分類等技術特點提供了有效的方法。

1 標定方法

雙線偏振雷達的標定方法分為手動離線標定和自動在線標定兩種，手動離線標定需要雷達操作人員干預，并且需要在特定的天氣條件下進行。自動在線標定不需要操作人員干預，在軟件設定的時間自動標定雙線偏振雷達幅度和相位一致性、噪聲電平和反射率等參數。

1.1 手動離線標定

1.1.1 太陽法

太陽法標定是以太陽作為機外標定的噪聲源，利用太陽可以輻射全頻段微波能量的特性來檢查天線的指向精度和兩路接收通道的幅度偏差。圖1為雙線偏振雷達接收來自太陽的全極化射頻能量示意圖。

太陽法離線標定受時間和天氣的影響，需要在晴天，且太陽高度角在一定范圍時才能進行。

1）天線指向精度標定

圖1 太陽法離線標定示意圖

太陽法可以用來檢查和校正天線的指向精度，地球上任何地點都可以獲得當地任意時刻太陽相對于本地的角度，通過將雙線偏振雷達天線實際檢測到的太陽中心位置和根據時間和經緯度計算的太陽理論位置相比較，得出雷達天線在方位和俯仰方向上的指向偏差。太陽法之所以能實現對天線指向精度的檢查和校正，是因為隨著天線指向位置和太陽所在實際位置的角度偏差會影響雷達接收到的太陽射頻功率的幅度。雙線偏振雷達以兩個字節(jié)表示信號幅度，即幅度分辨率為0.01 dB；天線角碼數據為14位，角度顯示精度為0.022°。高精度的幅度和角度分辨率可以保證天線的指向精度標定。

為減少地面輻射等因素對天線指向精度檢查結果帶來的影響，通常太陽法檢查時要求太陽的高度角在8°～50°，軟件控制系統(tǒng)時間誤差不大于1″，天線座的水平度不大于60″，天線的定位精度不大于0.1°，雷達站經緯度誤差不大于1″。圖2為太陽法標定結果軟件界面，對話框內顯示方位角度偏差為-0.05°，俯仰角度偏差為-0.07°，滿足最大偏差≤0.2°的指標要求。

2）接收通道全鏈路標定

圖2 太陽法檢查結果

太陽作為一個外置的信號源，除了可以檢查天線指向精度外還可以檢查雷達系統(tǒng)兩路接收通道幅度的一致性和收到的太陽功率的信噪比。使用雙線偏振雷達標定軟件進行太陽法檢查，分析太陽法標定記錄文件“Suncheck.txt”中的數據，可以讀取水平通道H和垂直通道V所接收到的太陽功率值。圖3中水平通道H獲取的最大太陽功率在信號處理端讀數為-67.8 dB，垂直通道V為-68.0 dB。兩個通道幅度差值為0.2 dB，這個差值包含了天線罩損耗、天線增益、接收通道損耗、接收機增益等在內的所有接收鏈路的差異，反映了整個接收系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差。多次離線太陽法檢查所得到的兩個通道幅度差異還可以反映出接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 太陽法數據分析

1.1.2 動態(tài)范圍

雙線偏振雷達可以通過動態(tài)范圍標定程序同時檢查包括接收機前端、信號處理等在內的兩個通道的動態(tài)范圍及兩個通道幅度和相位的一致性。動態(tài)特性的測量采用信號源（機內或者機外）產生的連續(xù)波測試信號，經過二路功分器后由接收機前端注入，在數據終端讀取信號的輸出數據，改變注入信號的功率，測量接收系統(tǒng)的輸入輸出特性。根據輸入輸出數據，采用最小二乘法進行擬合。由實測曲線與擬合直線對應點的輸出數據差值≤1.0 dB來確定接收系統(tǒng)低端下拐點和高端上拐點，下拐點和上拐點所對應的輸入信號功率值的差值為系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

動態(tài)范圍標定還可以反映出兩個接收通道在全動態(tài)范圍內的幅度和相位的一致性，避免在不同信噪比條件下兩個通道一致性存在較大波動。圖4和圖5為動態(tài)范圍標定的曲線圖，圖4中水平通道（H）和垂直通道（V）在全動態(tài)范圍內兩個通道的幅度一致性很好，波動很小。圖5中在低信噪比區(qū)域兩個通道的幅度出現了較大的差異，這個差異會對不同強度降水的ZDR和φDP產品帶來額外偏差，極大影響雙線偏振雷達的數據質量，需要進行檢修后再投入運行，也體現出動態(tài)范圍定期離線標定的重要性。

圖4 動態(tài)范圍測試曲線1

1.1.3 發(fā)射和接收支路損耗檢查

雙線偏振雷達的反射率、差分反射率由兩通道的接收支路損耗、發(fā)射支路損耗、天線增益和接收機增益等參數決定。發(fā)射支路損耗和接收支路損耗可以在系統(tǒng)安裝后進行測量，測量結果輸入到適配參數里，用于標定參數計算。圖6為雙線偏振雷達發(fā)射和接收支路損耗測量示意圖。其中測量點P1到P3段為發(fā)射支路，測量點P3到P4段為接收支路。天線增益測量時選取測量點P3與測試儀表連接，P3為天線增益和發(fā)射/接收支路損耗測量的公共點。

圖6 發(fā)射和接收支路損耗示意圖

1.1.4 天頂標定

雙線偏振雷達在本站小雨、無風的天氣環(huán)境下，將天線指向俯仰90°，此時降落雨滴的水平和垂直極化的分量近似相同，理論上雷達可以獲取的ZDR值應為0 dB。標定后所得到的偏差即為ZDR系統(tǒng)偏差，標定后需要手動修改適配參數使得ZDR系統(tǒng)偏差為0 dB。天頂標定對降水條件要求較高，很難遇到合適的天氣。圖7為天頂標定的軟件控制界面，包含質量控制參數設置、標定數據示意圖和數據分析結果等信息。

開始天頂掃描之前要合理設置參數，合理的參數設置才能計算出系統(tǒng)的真實ZDR偏差值。圖7中紅色方框內為參數設置和數據存貯設置區(qū)域，藍色方框內為數據分析區(qū)域，綠色方框內為數據結果區(qū)域。

天頂標定起始距離的選擇要求大于雷達的盲區(qū)并滿足天線的遠場條件（天線波束形成）的最小距離要求。對于S波段新一代天氣雷達盲區(qū)為1.0 km，天線波束形成距離為1.5 km，所以最終確定起始距離為1.5 km。結束距離的選取與雷達站點的海拔高度、經緯度和季節(jié)相關，所選的結束距離不能超過融化層高度，所有參數的設置和參數說明詳見表1。

圖7 天頂標定軟件界面

圖7數據分析區(qū)域中的 “反射率因子（R）”、“差分反射率（ZDR）”和“協相關系數（CC）”在垂直距離約4.7 km處發(fā)生了突變，這個突變的高度為融化層高度。所以結束距離設置為4.5 km（距離分辨率為0.25 km），沒有超過融化層高度。徑向速度和反射率因子的范圍根據小雨無風天氣特征進行設置。

天頂標定結束后，標定結果顯示在圖7所示綠色框內，第一組天頂標定結束的時間為2018年7月16日16:52:49，標定結果為-0.003 dB，有效的距離庫數為2172個，滿足設置的大于500個的要求。第二組天頂標定結束的時間為2018年7月16日16:53:05，標定結果為0.002 dB，有效的距離庫數為14 473個，滿足設置的大于500個的要求。兩次標定結果均滿足≤0.2 dB的指標要求。

1.2 自動在線標定

圖8 自動在線標定連接示意圖

自動在線標定按照標定信號源安裝位置和注入點不同分為標定信號1和標定信號2，圖8為自動在線標定連接示意圖。標定信號1來自接收機內部四位開關的輸出，先后經過功分器、接收機保護器、低噪聲放大器后進入接收機，用來檢查安裝在設備機房內的接收通道狀態(tài)。四位開關的輸入分別為CW、RFD、NOISE和KD信號，分別代表連續(xù)波、射頻脈沖激勵、噪聲和速調管輸出延時信號。

標定信號2安裝在天線反射體背面，輸出的連續(xù)波信號經過功分器、定向耦合器、俯仰關節(jié)、方位旋轉關節(jié)、環(huán)形器、接收機保護器、低噪聲放大器后進入接收機，用來檢查天線罩和設備機房在內的所有接收鏈路的狀態(tài)。兩路標定信號都經過機房內的接收機保護器、低噪聲放大器后進入接收機。

自動在線標定包含機房內兩路接收通道的幅度和相位一致性、接收機噪聲溫度和噪聲電平、全鏈路接收通道的幅度和相位一致性及反射率標定等。

1.2.1 機房內兩路接收通道幅度一致性標定

差分反射率受發(fā)射支路損耗、天線增益、接收支路損耗、接收通道增益和信號處理器等幾個因素影響，其中僅接收通道增益就包含多個有源放大器等敏感器件，容易受到環(huán)境溫度和老化等因素影響，其余部分均為穩(wěn)定性更高的無源器件。用標定信號1中的CW信號對接收通道進行自動在線標定，檢查兩路接收通道的幅度和一致性。為了與系統(tǒng)差分反射率ZDR進行區(qū)分，將標定結果記為CWZDR，表示用連續(xù)波測試信號檢查兩路接收通道的幅度差值，這個差值包含了水平H和垂直V兩路接收機保護器的耦合比差異和兩路接收通道增益差異總和。

圖9為CWZDR連續(xù)24 h標定結果變化曲線，橫坐標為時間，縱坐標為標定結果，圖中最大變化范圍0.03 dB（0.25～0.28 dB），即接收通道增益差值變化了0.03 dB。

圖9 CW ZDR標定結果24 h變化曲線

1.2.2 機房內兩路接收通道相位一致性標定

與接收機幅度標定原理相同，可以使用標定信號1自動在線檢查兩個通道的相位一致性，標定結果記為CWPHIDP，表示連續(xù)波測試信號檢查兩路接收通道的相位差值。圖10為連續(xù)24 h標定結果變化曲線，橫坐標為時間，縱坐標為標定結果，最大變化范圍0.34°（186.06°～186.40°），即兩個通道的相位差值變化了0.34°。

圖10 CW PHIDP標定24 h變化曲線

1.2.3 全鏈路兩路接收通道幅度一致性標定

雙通道幅度的一致性影響因素還包括天線罩內的波導和旋轉關節(jié)等饋線部分，標定信號2從俯仰關節(jié)之上的定向耦合器注入接收通道，可以在線檢查天線罩和設備機房內的兩路接收鏈路的幅度一致性。標定信號2在每兩個360°掃描間隔進行，標定結果記為TSZDR，表示測試信號檢查兩路接收通道的幅度差值。雷達在切換俯仰角度時刻進行標定，標定結果記為天線在方位角和俯仰角位置時兩個通道幅度一致性。多次標定后數據將覆蓋所有方位角度和俯仰角度得到整個體積掃描內兩個通道幅度一致性變化曲線。圖11為連續(xù)48 h標定結果，數據按照方位角度從0°～360°進行排列。圖中標識顯示在方位角為58.62°、俯仰角為9.58°時標定結果最小值為-0.01 dB；在方位角為172.18°、俯仰角為0.48°時標定結果最大值為0.03 dB，最大變化范圍為0.04 dB（-0.01～0.03 dB），標準差為0.01 dB。

圖11 TS ZDR標定48 h變化曲線

1.2.4 全鏈路兩路接收通道相位一致性標定

標定信號2可以在線檢查兩個通道的相位一致性，標定結果記為TSPHIDP。圖12為連續(xù)48 h標定結果，數據按照方位角度從0°～360°進行排列。圖中標識顯示在方位角為351.12°、俯仰角為0.79°時標定結果最小值為218.22°；在方位角為199.12°、俯仰角為19.47°時標定結果最大值為219.64°，最大變化范圍為1.42°（218.22°～219.64°），標準差為0.34°。

圖12 TS PHIDP標定48 h變化曲線

1.2.5 機房內兩路接收通道噪聲電平/噪聲溫度標定

噪聲電平可以檢查接收機噪聲狀態(tài)，判斷是否有外界干擾信號影響雷達數據質量；噪聲溫度可以反映系統(tǒng)的噪聲系數。雙線偏振雷達的噪聲溫度標定通過接收機內置的可以獨立控制開/關的噪聲源產生熱噪聲信號，即測試信號1中NOISE信號。測試信號同樣經過二路功分器等器件后進入兩路接收通道。

圖13為噪聲電平和噪聲溫度在線標定結果，水平通道H的噪聲電平為-80.96 dB，垂直通道V的噪聲電平為-80.90 dB；水平通道H的噪聲溫度為183T，垂直通道V的噪聲溫度為180T。按照式（1），可以計算出兩個通道的噪聲系數分別為1.63和1.62 dB。公式為

式中，NF為噪聲系數，T為測量的噪聲溫度，T0為絕對溫度290 K。

圖13 噪聲電平和噪聲溫度標定結果

1.2.6 機房內接收機反射率標定檢查

根據雷達工作頻率、天線增益、發(fā)射支路損耗、接收支路損耗、接收機增益等參數計算出反射率的校正參數，記為SYSCAL（System calibration）。SYSCAL的變化將體現接收機增益等性能參數的變化，并直接影響雷達反射率因子的計算結果。用標定測試信號1中的連續(xù)波信號CW和脈沖信號RFD來檢查雷達系統(tǒng)的SYSCAL值，脈沖功率RFD的檢查又分為高、中、低三組不同信噪比的信號，可以在線檢查接收機動態(tài)范圍內的線性度。每一組標定的期望值EXPECTED與測量值MEASURED之間的差值分別記為ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3。四組信號測量值與期望值之間的差值的平均值作為SYSCAL的變化，記為ΔSYSCAL。計算如下

這個變化后的SYSCAL′將用于下一個體積掃描中計算反射率因子。圖14為自動在線檢查結果，計算可得ΔSYSCAL＝[0.0＋（-0.1）＋（-0.2）＋0.0]/4=-0.075(dB)。應用于下一個體積掃描的SYSCAL′值相比本次掃描變化了-0.075 dB，即接收到同樣幅度的信號時，反射率因子的值會減小0.075 dB。

圖14 反射率標定檢查結果

以上6個自動在線標定都在體積掃描開始前或掃描間隔進行。自動在線標定分別檢查了接收機的幅度和相位一致性、噪聲電平、噪聲溫度和反射率標定等對雙線偏振雷達數據質量有直接影響的參數。有了自動在線標定使得雷達數據質量有了很好的保證。

2 實例應用

2.1 實例1

圖15 CW ZDR標定變化曲線

圖16 CW PHIDP標定變化曲線

圖17 標定正常時刻反射率因子產品圖

圖15所示為某雷達站2018年2月7—27日共計3個星期運行期間CWZDR標定結果的變化曲線，變化范圍為0.01 dB（0.09～0.10 dB）。圖16為CWPHIDP標定結果的變化曲線，變化范圍為0.35°（19.13°～19.48°）。幅度和相位的標定結果分別滿足雙線偏振雷達幅度一致性≤0.2 dB和相位一致性≤3°的指標要求。圖17～圖20為2018年2月24日的雷達產品圖，其中圖17為反射率因子產品圖，圖18為ZDR產品圖，圖19為φDP產品圖，圖20為CC產品圖。從產品圖中可以看出ZDR和反射率因子的正確對照關系，反射率弱的回波區(qū)域對應的ZDR數值小，反射率強的回波區(qū)域對應的ZDR數值大，符合降水粒子的雙偏振物理特性。在弱回波區(qū)域ZDR數值約為0.10～0.20 dB，說明沒有明顯系統(tǒng)偏差。φDP產品的相位變化幅度和趨勢也與反射率因子能嚴格地對照起來，CC數值在降水區(qū)域也在0.97～1.00內，符合降水回波的雙偏振特性。標定結果和雷達產品能夠很好地吻合，在此次降水過程中雙線偏振雷達的數據質量可靠，能夠滿足使用的要求。

2.2 實例2

圖21所示為2018年6月8—13日運行期間CWZDR連續(xù)標定結果變化曲線。在6月9日CWZDR標定結果發(fā)生了變化，比正常值高約0.85 dB，超過了雙線偏振雷達幅度一致性≤0.2 dB的指標要求。查看報警記錄和報警期間雙線偏振雷達反射率因子、差分反射率產品。報警記錄顯示“476 DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED”，即系統(tǒng)差分參考值標定變壞。

圖18 標定正常時刻差分反射率產品圖

圖19 標定正常時刻差分傳播相移產品圖

圖20 標定正常時刻協相關系數產品圖

圖21 CW ZDR標定變化曲線

圖22 標定異常時刻反射率因子產品圖

圖23 標定異常時刻差分反射率產品圖

圖24 系統(tǒng)ZDR偏差分析結果

圖22為反射率因子產品圖，與正常時刻產品對比沒有發(fā)現明顯異常，但圖23中的ZDR產品圖能看到明顯的異常，在弱降水區(qū)域ZDR值遠大于0.10～0.20 dB的典型范圍，ZDR產品整體數值偏高。圖24為使用基數據分析系統(tǒng)ZDR偏差圖，分析結果顯示雷達系統(tǒng)ZDR值偏高0.83 dB，與CWZDR標定結果顯示的偏高0.85 dB吻合。

報警信息“476 DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED”提示技術人員雷達系統(tǒng)出現故障，技術人員到現場后進行故障排查，最終更換了接收機垂直通道內的混頻放大器后雷達恢復正常運行。檢查雷達系統(tǒng)報警門限和自動修訂參數設置，CWZDR維護報警門限為0.2 dB，變壞報警門限為0.5 dB。CWZDR標定結果與預設的參考值差異超過0.2 dB即產生“477 DIFFERENTIAL REFL CAL MAINT REQUIRED”報警，提示雷達需要進行維護，但ZDR系統(tǒng)偏差會自動在線修訂，不會影響雷達產品。當標定結果與預設的參考值差異超過0.5 dB即產生“476 DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED”報警時，提示雷達需要維修并且不再修正系統(tǒng)ZDR偏差。2018年6月9日故障時刻CWZDR標定結果與預設的參考值差異為0.85 dB，超過了預設的0.5 dB限值，所以產生了報警信息，提示技術人員雷達系統(tǒng)需要維修，不進行ZDR偏差在線修正。有了自動在線標定的記錄、修正和報警功能，可以在一定范圍內校正系統(tǒng)ZDR和φDP偏差，保證雙線偏振雷達的數據質量。

2.3 實例3

圖25所示為某雷達站2018年3月17—22日運行期間噪聲電平標定結果變化曲線。在3月20日和21日噪聲電平標定結果發(fā)生了較大的變化，遠高于正常值。

圖25 噪聲電平標定結果變化曲線

圖26為對應時刻的反射率因子產品，可以看到有大面積的干擾信號，嚴重影響雷達數據質量。噪聲電平標定可以作為監(jiān)控是否有外界同頻干擾的一個在線檢查方式，結合噪聲電平報警時刻的反射率因子產品，可以有效判斷是否存在同頻干擾。

圖26 有干擾的反射率因子圖

2.4 實例4

標定信號可以檢查雷達系統(tǒng)的幅度和相位的一致性，但也存在標定信號1或者標定信號2標定結果異常是因標定信號或標定通道本身出現問題的可能性。避免因標定信號和標定通道本身的故障導致誤報警或者誤修正，需要判斷標定信號1和標定信號2兩個標定通道的結果。在兩個標定信號結果都存在異常且變化曲線和規(guī)律一致的情況下，基本可以判斷是雷達系統(tǒng)本身的問題，并非標定信號的故障。圖27為用標定信號1在線標定的CWZDR變化曲線，圖28為用標定信號2在線標定的TSZDR變化曲線。在相同時間段兩個標定結果均出現了異常，且變化趨勢和規(guī)律一致，可以認為是雷達系統(tǒng)本身出現了故障。標定信號1和2的標定結果同時檢測，避免因某一個標定信號本身的問題而誤修正了主通道的參數影響雷達產品。

圖27 CW ZDR標定結果變化曲線

圖28 TS ZDR標定結果變化曲線

3 小結

雙線偏振雷達對數據精度和穩(wěn)定度有了更高的要求，標定技術的應用可以更全面和準確地反映雷達系統(tǒng)的狀態(tài)。詳細的標定記錄和報警信息為故障提示、故障分析和故障解決提供了參考和依據。自動在線標定的修正功能提高了雷達系統(tǒng)的幅度和相位準確度及一致性，離線和自動在線標定技術的應用提高了雙線偏振雷達的數據可靠性和準確性。

深入閱讀

Choudhury S, Chandrasekar V, 2007. Wideband reception and processing for dual-polarization radars with dual transmitters.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 24: 95-101.

Melnikov V, Zrnic D, 2015. Feasibility of monitoring ZDR calibration using ground clutter. NOAA/NSSL report.

Melnikov V, Zrnic D, Schmidt M, et al., 2013. ZDR calibration issues in the WSR-88Ds. NOAA/NSSL report.