星載降水測量雷達有源定標(biāo)技術(shù)研究*

楊 卓，劉 昊，楊潤峰，江柏森，張振華

星載降水測量雷達有源定標(biāo)技術(shù)研究*

楊 卓，劉 昊，楊潤峰，江柏森，張振華

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094）

針對降水測量雷達的定標(biāo)需求，提出基于四個有源雷達定標(biāo)器的多站有源定標(biāo)方法，給出定標(biāo)器布設(shè)方式，并設(shè)計有源定標(biāo)時序。分析定標(biāo)過程中的誤差源及其對定標(biāo)精度的影響，仿真驗證表明，四站有源定標(biāo)的波束匹配偏差定標(biāo)精度優(yōu)于0.01°，系統(tǒng)定標(biāo)精度優(yōu)于1dB。方法在滿足高精度定標(biāo)的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)在降水觀測模式下對雷達性能的評估，降低天地定標(biāo)試驗的復(fù)雜度。

星載降水測量雷達；有源定標(biāo)；有源雷達定標(biāo)器；天線方向圖；多站定標(biāo)

引 言

星載降水測量雷達PR（Precipitation Radar）是主動式微波氣象遙感儀器[1]，與被動載荷相比，其能夠發(fā)射微波脈沖，通過測量不同高度降水粒子的雷達反射率因子，獲得降水的垂直廓線與三維結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對全球中低緯度地區(qū)全天時的降水測量。目前國外有兩顆星載PR成功應(yīng)用，分別是1997年美日聯(lián)合發(fā)射的降水測量雷達（TRMM-PR）和2014年發(fā)射的雙頻降水測量雷達（GPM-DPR）[2]。中國也正在開展星載Ka/Ku雙頻降水測量雷達的研制工作[3]。

星載PR是定量遙感儀器，其自身參數(shù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性將直接關(guān)系到降水的測量精度[4]。雷達在長期在軌工作期間，系統(tǒng)參數(shù)可能會因為時鐘漂移、儀器老化等原因發(fā)生變化，因此需要對雷達進行在軌定標(biāo)，保障雷達對反射率因子的高精度測量。

針對星載PR在軌定標(biāo)需求，國外的TRMM-PR和GPM-DPR兩部雷達都采用有源定標(biāo)技術(shù)[5-8]，在地面利用一個有源雷達定標(biāo)器ARC（Active Radar Calibrator）來測量雷達的天線方向圖和系統(tǒng)參數(shù)。此時雷達需要在地面控制系統(tǒng)的指令下切換至特定的定標(biāo)模式，無法獲得正常的降水觀測數(shù)據(jù)，且定標(biāo)流程從前期準(zhǔn)備到開展實施較為復(fù)雜。針對上述問題，本文提出了多站有源定標(biāo)方法，利用多個ARC對雷達波束進行空間采樣，獲得雷達系統(tǒng)定標(biāo)參數(shù)。該方法可以在保障定標(biāo)精度的同時，實現(xiàn)雷達正常降水觀測模式下的定標(biāo)。

1 雷達定標(biāo)需求分析

根據(jù)氣象雷達工作原理[9]，降水測量雷達回波功率P與降水粒子的等效雷達反射率因子Z的關(guān)系如式（1）所示。

令sys為雷達系統(tǒng)參數(shù)，它是只與雷達自身有關(guān)的參數(shù)，其定義為

另外，降水測量雷達是Ka/Ku雙頻有源相控陣雷達，降水觀測時，要求波束在地面的足跡重疊，對雷達波束匹配精度要求較高；同時相控陣天線的發(fā)射與接收不是互易的，因此需要能夠?qū)走_接收、發(fā)射、收發(fā)特性分別進行定標(biāo)。

綜上分析，星載降水測量雷達在軌定標(biāo)的主要內(nèi)容有：

① 對雷達天線的接收/發(fā)射特性定標(biāo)，包括天線的波束指向、雙頻天線的波束匹配特性、波束寬度，測量雷達天線方向圖，監(jiān)測雷達天線旁瓣電平；

② 對雷達增益定標(biāo)，包括雷達等效全向輻射功率、雷達接收增益、收發(fā)環(huán)路增益等。

2 有源定標(biāo)技術(shù)

2.1 有源定標(biāo)原理

雷達在軌定標(biāo)主要有兩種方法：無源定標(biāo)和有源定標(biāo)[10]。無源定標(biāo)主要利用角反射器、定標(biāo)球等無源設(shè)備來測量雷達的雙程天線方向圖及增益。有源雷達定標(biāo)器是常用的有源定標(biāo)設(shè)備之一，其自身參數(shù)已經(jīng)經(jīng)過精確標(biāo)定[11-13]，與無源定標(biāo)設(shè)備相比，ARC的雷達散射截面大，可以降低對定標(biāo)背景的要求；具有接收、發(fā)射、延時轉(zhuǎn)發(fā)三種工作模式，定標(biāo)功能全面；具備延時功能，可以對接收信號進行延時轉(zhuǎn)發(fā)，消除地雜波的影響。因此，星載降水測量雷達采用有源定標(biāo)技術(shù)，利用ARC對雷達特性進行全面定標(biāo)。

為了減小大氣衰減對定標(biāo)精度的影響，定標(biāo)選擇在晴朗天氣的條件下進行。以雷達接收特性定標(biāo)為例，此時ARC工作在發(fā)射模式下。當(dāng)衛(wèi)星平臺相對地面ARC過頂飛行時，ARC發(fā)射連續(xù)波信號，由于衛(wèi)星平臺的運動，雷達與ARC連線和雷達波束中心指向的夾角在沿軌方向不斷地變化，雷達接收到不同的信號功率。由雷達接收功率P，可以獲得不同沿軌角度下的雷達接收天線增益G

其中，t_ARC為ARC發(fā)射功率，t_ARC為ARC發(fā)射天線增益，G為接收天線增益，air為大氣傳播損耗。

根據(jù)雷達不同沿軌角度下天線增益的采樣值，重建雷達沿軌天線方向圖。用ARC進行雷達有源定標(biāo)的示意圖示于圖1。

在對天線方向圖進行測量時，由于降水測量雷達的波束較窄僅為0.7°，當(dāng)?shù)孛嬷挥幸粋€ARC（即單站定標(biāo)）時，受衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制誤差、位置誤差、波束指向誤差等因素影響，雷達的天線波束軸在一次過頂飛行中可能無法掃過ARC，因此無法獲得準(zhǔn)確的天線增益值。

圖1 用ARC進行雷達有源定標(biāo)的示意圖

基于上述問題，國外同類產(chǎn)品在雷達工作模式上特意設(shè)計雷達定標(biāo)模式，該模式下雷達波束在跨軌方向進行掃描，掃描范圍降低至2.66°，掃描步進由降水觀測模式時的0.71°減小至0.177°。此時，由于雷達波束的掃描和衛(wèi)星平臺運動，以天線波束為參考基準(zhǔn)，則地面ARC等效為在不同的時刻出現(xiàn)在雷達波束地面足跡內(nèi)的不同位置，即對雷達波束在跨軌方向（波束掃描方向）和沿軌方向（衛(wèi)星飛行方向）進行了0.177°×0.215°的二維空間采樣，如圖2所示。根據(jù)獲得的波束增益采樣值，重建雷達二維天線方向圖。由此獲得雷達沿軌天線方向圖及接收增益最大值，實現(xiàn)對雷達接收特性的定標(biāo)。

圖2 ARC等效雷達波束二維空間采樣示意圖

為了完成雷達定標(biāo)任務(wù)，首先需要進行天氣預(yù)報，選擇晴空天氣，確定定標(biāo)試驗開展時間；其次需要進行軌道預(yù)測，計算定標(biāo)試驗時雷達與ARC之間的相對關(guān)系，確定天線波束掃描時的中心指向；最后通過地面站上注定標(biāo)指令和必要的參數(shù)，開展定標(biāo)試驗。

2.2 多站定標(biāo)技術(shù)

由上面分析可知，國外星載降水測量雷達定標(biāo)時需要進入專門的定標(biāo)模式，且雷達定標(biāo)試驗從準(zhǔn)備到實施涉及的環(huán)節(jié)較多，控制鏈路較長。因此，希望通過地面定標(biāo)儀器數(shù)量和位置布局的合理設(shè)計，在保證定標(biāo)精度的前提下，降低定標(biāo)流程的復(fù)雜性，使雷達能夠在正常的觀測模式下完成定標(biāo)工作。

圖3 地面ARC的布局

基于上述思想，在此提出了多站定標(biāo)方法，即用多個ARC對雷達波束進行空間采樣，在不改變雷達正常掃描步進的前提條件下來提高雷達天線的采樣率。在地面放置四個ARC，布局如圖3所示。圖中S為衛(wèi)星平臺，ARC布設(shè)于正方形的A，B，C，D四個頂點處，其中AB邊平行于衛(wèi)星飛行方向，BC邊平行于波束掃描方向（即跨軌方向），相鄰兩個ARC的間距為2.5km。

雷達在正常降水觀測模式下，由于衛(wèi)星軌道高度為407km，則相鄰ARC與衛(wèi)星平臺的等效張角約為0.35°。此時雷達的波束掃描步進為0.7°，雷達波束在跨軌和沿軌方向的等效采樣間隔可減小至0.35°×0.35°。采用多站定標(biāo)時，地面只需根據(jù)雷達掃過ARC時刻的天氣狀況，確定該數(shù)據(jù)是否能用于定標(biāo)，通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)雷達定標(biāo)。

雷達在多站定標(biāo)時，多個ARC發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)的信號可能會同時到達降水測量雷達上或時間上有交疊，導(dǎo)致雷達無法區(qū)分出哪個信號來自于哪個ARC。針對該問題，可以通過發(fā)射信號的時序配合，使得在任意時刻，不會有2個ARC同時發(fā)射信號。

因此，為了使得降水測量雷達能夠區(qū)分其所接收的信號是來自于地面哪個ARC，令所有的ARC都工作在統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)下（如GPS），采用時分的方式進行區(qū)別，即給每個ARC分配不同的時間片。四個ARC依次交替發(fā)射信號，雷達發(fā)射的脈沖地面ARC發(fā)射信號的時延關(guān)系如圖4所示。

圖4 地面四個ARC發(fā)射信號的時序關(guān)系

由上述內(nèi)容可知，利用四個有源雷達定標(biāo)器的多站定標(biāo)，可以在晴天條件下，實現(xiàn)對降水測量雷達的定標(biāo)。在雨天條件下，大氣、云、降水等會造成雷達回波的衰減，因此可以利用ARC作為雷達散射截面積已知的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)，實現(xiàn)對雷達測量的積分路徑衰減值PIA（Path-Integrated Attenuation）的監(jiān)測。

當(dāng)ARC工作在延時轉(zhuǎn)發(fā)模式下時，ARC對接收到的雷達信號進行放大、延時并轉(zhuǎn)發(fā)給雷達。通過選擇晴朗時ARC的回波作為參考回波，同時比較降水時回波與參考回波之間的差異，可以計算出PIA。由于ARC的等效雷達散射截面積只與其發(fā)射天線增益、接收天線增益、放大增益等參數(shù)有關(guān)，因此雷達接收到的ARC的回波信號比較穩(wěn)定。利用該方法可以對雷達降水觀測時PIA算法的有效性進行評估與檢驗，為后繼算法改進、提高降水反演精度提供依據(jù)。

2.3 天線模型參數(shù)估計

降水測量雷達天線波束為筆狀波束，其天線的主瓣方向圖可以近似為二維高斯函數(shù)[14]。天線方向圖單位為dB，表達式如下：

3 有源定標(biāo)精度分析

降水測量雷達有源定標(biāo)精度受多項因素共同影響，由式（3）雷達接收參數(shù)的定標(biāo)方程可知，雷達接收特性的絕對定標(biāo)誤差可表示為

因此，定標(biāo)過程中的誤差源主要分為三個部分，分別是雷達接收功率獲取時的誤差dP、地面有源雷達定標(biāo)器自身的定標(biāo)誤差A(yù)RC、大氣傳輸損耗帶來的誤差air：

① 雷達接收功率獲取時的誤差dP

② 地面有源雷達定標(biāo)器自身的定標(biāo)誤差A(yù)RC

地面ARC自身的精度也會對定標(biāo)產(chǎn)生影響；

③ 信號傳播過程中，大氣傳輸損耗帶來的誤差air

在信號傳播過程中，大氣損耗L會給雷達接收功率帶來不確定性，影響雷達的定標(biāo)精度。

GPM-DPR是目前唯一在軌運行的星載降水測量雷達，包含Ka降水測量雷達（KaPR）和Ku降水測量雷達（KuPR）這兩部雷達。表1為GPM-DPR的基本參數(shù)[15]。

基于GPM-DPR的參數(shù)，綜合考慮誤差源的影響，對雷達四站有源定標(biāo)進行仿真。仿真范圍在跨軌方向±0.71°內(nèi)，采用蒙特卡洛仿真1000次，引入的誤差參數(shù)如表2所示。

表1 GPM-DPR基本參數(shù)

表2 仿真中的誤差參數(shù)

雷達接收天線方向圖仿真結(jié)果如圖5所示。其中，藍色點為考慮誤差源影響后，獲得的雷達接收增益測量值；曲面為根據(jù)測量值擬合得到的雷達接收天線立體方向圖。根據(jù)二維方向圖，對雷達的波束指向、波束寬度、接收增益等進行定標(biāo)。統(tǒng)計誤差對四站定標(biāo)結(jié)果的影響，如表3所示。

綜合仿真結(jié)果可知，雷達接收功率的誤差主要影響雷達波束指向、波束寬度的定標(biāo)精度，ARC定標(biāo)誤差和大氣損耗不確定度主要影響雷達絕對增益的定標(biāo)精度。從表3可知，當(dāng)采用四站有源定標(biāo)時，沿軌波束指向定標(biāo)誤差約為0.005°，波束寬度定標(biāo)誤差為0.007°。假設(shè)Ka雷達和Ku雷達沿軌波束指向測量誤差是獨立的，則波束匹配偏差估計方差是二者的平方和，即波束匹配偏差定標(biāo)精度為0.007°。Ku雷達增益定標(biāo)精度約為0.40dB，Ka雷達約為0.46dB。

因此，星載降水測量雷達采用四站有源定標(biāo)時，波束匹配偏差定標(biāo)精度優(yōu)于0.01°，系統(tǒng)定標(biāo)精度優(yōu)于1dB，能夠滿足雷達系統(tǒng)的高精度定標(biāo)要求。

圖5 雷達接收天線方向圖仿真結(jié)果

表3 綜合誤差影響下的雷達四站定標(biāo)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出了一種星載降水測量雷達四站有源定標(biāo)方法，可使雷達在降水觀測模式下實現(xiàn)在軌定標(biāo)及性能評估，而不需要進入專門的定標(biāo)模式；同時該定標(biāo)方法能夠評估和檢驗雷達降水觀測時積分路徑衰減算法的有效性。本文設(shè)計了四個ARC的布設(shè)方式和發(fā)射信號時序，并通過詳細建模和仿真分析驗證了該方法的有效性。四站有源定標(biāo)滿足系統(tǒng)的定標(biāo)精度要求，能夠為星載降水測量雷達未來在軌應(yīng)用提供支撐。

[1] 楊潤峰, 張曉玲, 張振華, 等. 星載主動式微波氣象遙感載荷技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 遙測遙控, 2017, 38(6): 17–22. YANG Runfeng, ZHANG Xiaoling, ZHANG Zhenhua, et al. Development status and trend of spaceborne active microwave meteorological remote sensing payload[J]. Telemetry Tracking and Command, 2017, 38(6): 17–22.

[2] 尹紅剛. 星載降水測量雷達技術(shù)研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心, 2008. Yin Honggang. Study on spaceborne precipitation radar technology[D]. Beijing: Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, 2008.

[3] 尹紅剛, 商建, 吳瓊, 等. 風(fēng)云三號降水測量雷達技術(shù)性能分析[J]. 氣象科技, 2017,(5): 33–41,62. YIN Honggang, SHANG Jian, WU Qiong, et al. Technical performance analysis of fengyun-3 precipitation measurement radar [J]. Meteorological Science and Technology, 2017,(5): 33–41,62.

[4] IGUICHI T, SETO S, TAKAHASHI N, et al. Uncertainties in the rain retrieval algorithm for the GPM dual frequency precipitation radar[C]. 25th IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2005: 3384–3387.

[5] MASAKI T, KUBOTA T, OKI R. Current status of GPM/DPR level 1 algorithm development and DPR calibration[C]. IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing Symposium, 2015: 2615–2618.

[6] HANADO H, NAKAGAWA K, KAWAMURA S, et al. Onboard calibration of the dual-frequency precipitation radar (DPR) installed on the global precipitation measurement (GPM) core observatory[C]. General Assembly & Scientific Symposium, 2014.

[7] HOU A Y, KAKAR R. K, NEECK S. The Global Precipitation Measurement Mission[J]. Bulletin of the American Meteoro logical Society, 2014, 95(5): 701–722.

[8] KOJIMA M, IGUCHI T. Dual-frequency precipitation radar (DPR) development on the global precipitation measurement (GPM) core observatory[J]. Cerebellum, 2012, 8528(3): 202–13.

[9] 張培昌, 杜秉玉, 戴鐵王. 雷達氣象學(xué)[M]. 北京: 氣象出版社, 2000. ZHANG Peichang, DU Bingyu, DAI Tiewang. Radar Meteorology[M]. Beijing: China Meteorological Pess, 2000.

[10] ANTHONY FREEMAN. SAR Calibration: an Overview[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1992, 30(6): 1107–1119.

[11] LENZ R, SCHULER K, YOUNIS M. High accuracy digitally controlled active radar ground calibrator system for TerraSAR-X[C]. IEEE Transactions on International Radar Conference, 2005.

[12] KUMAGAI H, KOZU T, SATAKE M, et al. Development of an active radar calibrator for the TRMM precipitation radar[J]. IEEE Transactions on Geoscience AND Remote Sensing, 1995, 33(6): 1316–1318.

[13] KIMURA T. TRMM precipitation radar: calibration and data collection strategies[C]. International Geoscience & Remote Sensing Symposium, 1994.

[14] PIERRE S, FRANCOIS L, OLIVIER P. Use of gaussian beams to compute antenna pattern[J]. Annales Des Télécommu- nications, 2002, 57(7-8): 775–797.

[15] FURUKAWA K, KOJIMA M, MIURA T, et al. Satellite system test status of the Dual-Frequency Precipitation Radar on the global precipitation measurement core spacecraft[C]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing Symposium, 2014.

Research on active calibration of spaceborne precipitation radar

YANG Zhuo, LIU Hao, YANG Runfeng, JIANG Bosen, ZHANG Zhenhua

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China）

In this paper, an active calibration method using four active radar calibrators is presentedbased on the calibration requirements of the precipitation radar. The layout of the active radar calibrators is given, and the timing of the active calibration is designed. The sources of errors in the calibration process and its influence on the calibration accuracy are analyzed. The simulation results show that the calibration accuracy of the radar beam matching is better than 0.01°, and the calibration accuracy is better than 1 dB. While satisfying high-precision calibration requirements, this method can evaluate the performance of the radar in the precipitation observation mode, and reduce the complexity of the calibration experiment.

Spaceborne precipitation radar; Active calibration; Active radar calibrator; Antenna pattern; Multi-station calibration

TN959.4

A

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國家氣象局“風(fēng)云”三號衛(wèi)星項目支持

2019-04-05

楊 卓 1993年生，碩士，主要研究方向為雷達信號處理。

劉 昊 1976年生，研究員，主要研究方向為天線設(shè)計。

楊潤峰 1976年生，研究員，主要研究方向為雷達信號處理與系統(tǒng)設(shè)計。

江柏森 1982年生，研究員，主要研究方向為氣象雷達系統(tǒng)總體設(shè)計。

張振華 1977年生，研究員，主要研究方向為雷達信號處理與系統(tǒng)設(shè)計。