CINRAD/SA雷達天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)測量方法研究

朱亞宗 董德保 何越 張廣元 田曉明 胡秋實

摘 要：CINRAD/SA雷達天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)包括天線增益、水平和垂直波束寬度。天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)的測量檢驗主要通過測量收發(fā)支路損耗和太陽法進行，文中重點介紹了收發(fā)支路損耗和太陽法的測量方法。太陽法是將太陽作為微波信號源，通過對比雷達應接收和實際接收的太陽射電功率，并計算波束寬度等，對包括天線、天線罩在內(nèi)的全雷達接收系統(tǒng)反射率標定的準確性和雷達天線波束寬度進行檢驗。該方法的研究對雷達回波強度定標、充分發(fā)揮雷達探測性能具有重要作用和顯著意義。

關鍵詞：CINRAD/SA;太陽法;反射率標定;波束寬度;支路損耗;波長

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

新一代天氣雷達是監(jiān)測臺風、暴雨等大范圍降水天氣和冰雹、龍卷等強對流天氣最有效的探測手段，是氣象現(xiàn)代化建設的重要組成部分，在氣象短臨預報、防災減災等工作中發(fā)揮著不可替代的作用。1998年開始，中國氣象局在全國范圍內(nèi)布設CINRAD新一代天氣雷達。CINRAD/SA雷達的波長為10 cm，因其波長的衰減小，可用于探測臺風、暴雨及冰雹。CINRAD/SA雷達作為降水測試系統(tǒng)的重要組成部分，提高其回波強度測試精度是確保雷達氣象預警預報準確性的可靠保障[1]，天氣雷達回波強度的測量誤差會極大地影響短時災害性天氣監(jiān)測和預報水平（尤其對降水定量估測和降水性質(zhì)判斷）[2]。國內(nèi)諸多專家對雷達定標做了很多工作，根據(jù)《新一代天氣雷達觀測規(guī)定（第二版）》（氣測函〔2018〕171號）的要求[2-11]，為規(guī)范新一代天氣雷達天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)測量的檢驗方法，確保測量檢驗結果準確可靠，雷達站必須對天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)進行至少每年一次的檢驗。

1 原 理

CINRAD/SA雷達天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)主要利用太陽法進行測量檢驗。太陽法檢驗的原理：根據(jù)地球與太陽的運動規(guī)律，利用雷達天線喇叭口所在經(jīng)緯度及北京時間計算出此時太陽在天空中的位置，即與地理北極的夾角（方位）和與地平面的夾角（仰角）。再利用這兩個數(shù)據(jù)指引雷達天線在此處一定范圍內(nèi)的天空搜索太陽的噪聲信號，一旦發(fā)現(xiàn)就立即記錄時間和天線指向的方位和仰角，全部搜索完成后，經(jīng)相關運算得出天線指向和實際太陽位置間的誤差，最后在雷達伺服系統(tǒng)上進行標定，以消除誤差。太陽法檢驗可對包括天線、天線罩在內(nèi)的全雷達接收系統(tǒng)反射率的標定準確性和雷達天線波束寬度進行檢驗。

2 前期準備工作

2.1 站址簡介

蚌埠雷達站塔樓建于蚌埠市錐子山東南坡，雷達站址位于東經(jīng)117度26分52秒，北緯32度55分05秒。雷達塔樓地面海拔高度為83.0 m。

2.2 測試儀表

測試儀器必須經(jīng)過專業(yè)設備的標校且應在校準有效期內(nèi)。測試儀器儀表包括信號源、功率計、功率探頭、測試電纜等，參考型號詳見表1。

測量檢驗雷達天饋系統(tǒng)的關鍵參數(shù)包括天線增益、水平和垂直波束寬度。

3.1 測量天線增益

3.1.1 測量收發(fā)支路損耗

為保證測試準確度，功率計應利用功率計顯示值和對信號源輸出功率誤差的最小區(qū)間進行測試。在-20～18 dBm范圍內(nèi)，間隔2 dBm改變信號源的輸出功率，分別查看功率計顯示值，記錄見表2所列。

用繪圖軟件作出信號源輸出功率（縱坐標單位為dBm，間隔為2 dBm）和功率計對應功率測量顯示值（橫坐標）的柱狀圖，如圖1所示。

由圖1和表2可知，功率計誤差最小區(qū)間在-6～-4 dBm，一般饋線損耗不會超過2 dB，因此選取信號源輸出功率為-4 dBm。

使用信號源、功率計、功率探頭、測試電纜等，按《新一代天氣雷達定標技術說明》[2]中的具體步驟和方法對收發(fā)支路損耗進行測量，記錄接收支路損耗值和發(fā)射支路損耗值，并對適配數(shù)據(jù)進行相應修改。

當更換收發(fā)支路中的關鍵器件（如接收機保護器、波導開關、旋轉(zhuǎn)關節(jié)等）時需對相應支路損耗重新進行測試，記錄測試數(shù)據(jù)、修改適配數(shù)據(jù)、重新做反射率標定，并用太陽法對反射率標定進行驗證。

3.1.2 計算太陽射電功率理論值

圖2所示為太陽活動預報中心提供的當天測試時間的太陽射電能流密度S10.7以及接收帶寬、天線方向性增益、波長、頻率等，利用太陽射電功率理論值計算公式（1），計算太陽射電被雷達接收并傳輸?shù)浇邮諜C的信號功率理論值。

3.1.3 獲取太陽射電功率實際測量值

利用CINRAD/SA雷達控制軟件將天線對準太陽，用雷達測量實際接收的太陽射電功率。選擇太陽高度角范圍25°～40°，具體操作方法與步驟如下。

（1）雷達RDA計算機系統(tǒng)時鐘和經(jīng)緯度校準。要求RDA計算機系統(tǒng)時間與北京時間誤差不超過1 s。在RDASOT軟件中的太陽法設置欄內(nèi)填入當?shù)販y繪部門提供的準確的雷達天線饋源經(jīng)緯度。

（2）雷達天線控制精度定標。按照定標流程，標校雷達方位、俯仰控制精度，使之符合技術指標（天線控制精度誤差不超過0.1°）要求且盡量調(diào)到最小。

（3）雷達波束空間指向誤差定標。按照定標流程標校雷達波束空間指向誤差，使之符合技術指標（雷達波束空間指向誤差不超過0.3°）要求且盡量調(diào)到最小。

（4）將雷達運行于太陽噪聲標定模式下，連續(xù)記錄雷達收到的射電功率，其中最大功率即為太陽射電功率測量值。

3.1.4 對比理論值和測量值

將雷達應接收到的太陽射電功率理論計算值與雷達實際接收的太陽射電功率進行對比。當測量值與理論值的差值不超過2.5 dB時，表示天線增益符合要求;若超過該指標，則需分析并查找出誤差原因并改進，之后重新進行太陽法檢驗，直到符合要求為止。

3.2 測量水平和垂直波束寬度

3.2.1 制作太陽射電功率曲線圖

根據(jù)CINRAD/SA雷達天饋系統(tǒng)位置信息（經(jīng)度、緯度）和雷達RDA計算機準確的時間數(shù)據(jù)，通過雷達中的RDASOT軟件自行計算出任意時刻太陽中心位置的高度角和方位角，控制天線在俯仰和方位兩個方向經(jīng)太陽中心位置各掃描一次，通過雷達RDA計算機獲得太陽射電功率，由RDASOT軟件自動畫出太陽射電功率曲線圖。

3.2.2 計算天線波束寬度

根據(jù)太陽射電功率曲線圖計算天線波束寬度。當天線進行方位角掃描時，計算出的波束寬度代表水平波束寬度;同理，當天線進行俯仰角掃描時，計算出的波束寬度代表垂直波束寬度。

計算方法：在太陽射電功率曲線圖（圖3為方位圖，圖4為俯仰圖）上找出太陽最大射電功率，在左、右兩側各找出一個比太陽最大射電功率小3 dB的點，并找出兩個點所對應的方位角（圖3中的A1和A2點）和俯仰角（圖4中的A3和A4點），A2和A1的差值即為水平波束寬度，A4和A3的差值即為垂直波束寬度。

3.2.3 檢驗雷達天線波束寬度

若用太陽法計算出的水平和垂直波束寬度值與雷達天線測試值的誤差在±0.2°范圍內(nèi)，則表示檢驗合格，否則需要查找原因進行改進，并重新測量檢驗。

4 結 語

目前CINRAD/SA雷達現(xiàn)場無法測試發(fā)射和接收支路的損耗，且不少雷達已更換過接收機保護器、無源限幅器、方位旋轉(zhuǎn)關節(jié)、波導開關等饋線微波器件，甚至部分雷達還進行了大修。由此可見，沿用之前雷達出廠時的收發(fā)支路損耗值對雷達回波強度進行標定是不準確的，必然會引入較大的系統(tǒng)定標誤差，導致雷達回波強度出現(xiàn)偏差。因此，開展對雷達天饋系統(tǒng)關鍵參數(shù)測量方法的研究十分必要。

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