濟(jì)南雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量分析評(píng)估

楊傳鳳，刁秀廣，張騫，魏海文

(山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031)

引言

雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱“雙偏振雷達(dá)”)通過(guò)交替發(fā)射或者同時(shí)發(fā)射水平和垂直偏振波，并接收兩個(gè)偏振方向回波信號(hào)的方法，不僅能探測(cè)識(shí)別粒子的反射率因子(Z)、多普勒速度(V)和速度譜寬(W)信息，更能通過(guò)探測(cè)到差分反射率因子(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(CC)、差分傳播相移(ΦDP)、差分傳播相移率(KDP)等雙偏振參量，進(jìn)一步識(shí)別降水粒子的形態(tài)、相態(tài)及滴譜分布等更為具體的信息。相比單偏振雷達(dá)，雙偏振雷達(dá)在定量估測(cè)降水、相態(tài)識(shí)別等方面更具有優(yōu)勢(shì)。2013年美國(guó)完成了WSR-88D雷達(dá)的雙偏振升級(jí)，2015年國(guó)內(nèi)開展對(duì)業(yè)務(wù)組網(wǎng)雷達(dá)進(jìn)行雙偏振升級(jí)改造試點(diǎn)工作，2017年全國(guó)各地陸續(xù)開展新一代天氣雷達(dá)雙偏振技術(shù)升級(jí)。為更好地應(yīng)用雙偏振雷達(dá)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在雙偏振雷達(dá)應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究，針對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究也取得了不少的成績(jī)[1-11]。雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究基本上是基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)及生成的雷達(dá)產(chǎn)品展開的，主要解決的是由外界原因如地物遮擋、超折射、電磁波干擾、海浪、昆蟲等引起的非氣象回波等方面的質(zhì)量問(wèn)題，基于雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線自動(dòng)標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究相對(duì)較少。雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的主要特點(diǎn)是通過(guò)水平(H)和垂直(V)雙通道回波信號(hào)的微小差異來(lái)識(shí)別所探測(cè)降水粒子的特征[12-19]，為保證探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，雙偏振雷達(dá)升級(jí)對(duì)硬件性能方面提出了更高的要求。水平和垂直雙通道的一致性和隔離度、系統(tǒng)噪聲及信號(hào)強(qiáng)度衰減等都是影響雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線自動(dòng)標(biāo)定測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線自動(dòng)標(biāo)定測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量下降將直接影響著雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的下降。據(jù)文獻(xiàn)[1,20-26]，以反射率因子Z為40 dBZ為例，如果反射率因子Z的測(cè)量精度達(dá)到±1 dB，差分反射率因子ZDR的測(cè)量精度達(dá)到±0.20 dB時(shí)，則降水估計(jì)偏差可控制在18%以下；當(dāng)ZDR的測(cè)量精度達(dá)到±0.10 dB時(shí)，也可區(qū)分不同類型的降水。所以開展天氣雷達(dá)雙偏振升級(jí)后的標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估是一項(xiàng)急需且重要的工作。2019年5月29日濟(jì)南CINRAD/SA雷達(dá)完成雙偏振(CINRAD/SA-D)技術(shù)升級(jí)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，作為國(guó)內(nèi)比較早進(jìn)行雙偏振升級(jí)改造的業(yè)務(wù)組網(wǎng)雷達(dá)之一，有必要對(duì)CINRAD/SA-D雷達(dá)運(yùn)行在線自動(dòng)標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量開展分析評(píng)估，為后續(xù)雙偏振技術(shù)升級(jí)數(shù)據(jù)的可靠性及穩(wěn)定性、質(zhì)量控制、定量估測(cè)降水及粒子相態(tài)識(shí)別等業(yè)務(wù)開展打下基礎(chǔ)。

1 CINRAD/SA-D雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)與技術(shù)要求

CINRAD/SA-D雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定按照標(biāo)定信號(hào)源安裝位置和注入點(diǎn)的不同分為標(biāo)定信號(hào)1和標(biāo)定信號(hào)2(圖1)。標(biāo)定信號(hào)1包括：1)晶振頻率源(4A1)J3輸出的CW射頻連續(xù)波測(cè)試信號(hào)；2)發(fā)射機(jī)高頻脈沖形成器3A5輸出的RFD射頻激勵(lì)信號(hào)；3)延遲10 μs發(fā)射機(jī)速調(diào)管輸出的KD測(cè)試信號(hào)；4)射頻噪聲源輸出的NOISE測(cè)試信號(hào)。標(biāo)定信號(hào)1經(jīng)接收機(jī)四位開關(guān)四選一，通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)功分器、接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲放大器后進(jìn)入數(shù)字中頻WRSP，用來(lái)檢查安裝在設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)的接收通道狀態(tài)。標(biāo)定信號(hào)2(TS連續(xù)波測(cè)試信號(hào))安裝在天線反射體背面，該標(biāo)定信號(hào)經(jīng)過(guò)天線內(nèi)功分器、定向耦合器、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、環(huán)形器及機(jī)房?jī)?nèi)接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲放大器后進(jìn)入接收機(jī)WRSP，用來(lái)檢查天線罩和設(shè)備機(jī)房在內(nèi)的所有接收鏈路的狀態(tài)。兩路標(biāo)定信號(hào)在線標(biāo)定包含了機(jī)房?jī)?nèi)兩路接收通道的幅度和相位一致性、全鏈路接收通道的幅度和相位一致性、接收機(jī)噪聲溫度和噪聲電平、反射率標(biāo)定、發(fā)射機(jī)功率及系統(tǒng)的地物雜波抑制能力等，各參數(shù)在線標(biāo)定周期見表1。兩路標(biāo)定信號(hào)在在線自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程中互補(bǔ)，避免了因標(biāo)定信號(hào)本身的問(wèn)題帶來(lái)的誤修訂，對(duì)檢驗(yàn)接收鏈路雙通道幅度和相位的一致性至關(guān)重要。CINRAD/SA-D雷達(dá)不僅具備完善的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、標(biāo)定功能，同時(shí)還增加了相位編碼技術(shù)與Burst混頻標(biāo)定技術(shù)，射頻脈沖信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)定向耦合器1DC耦合輸出的延遲10 μs發(fā)射機(jī)速調(diào)管輸出的KD測(cè)試信號(hào)與頻率源(4A1)J2送來(lái)的本振(Stalo)信號(hào)進(jìn)行Burst混頻，得到帶有發(fā)射機(jī)輸出脈沖信息的信號(hào)送入數(shù)字中頻WRSP進(jìn)行后期標(biāo)定處理，對(duì)射頻脈沖進(jìn)行采樣分析，作為I/Q信號(hào)修正和相位編碼基準(zhǔn)，以確保CINRAD/SA-D雷達(dá)標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。依據(jù)S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)及新一代天氣雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試大綱[1-2,27-29]要求，表2給出濟(jì)南CINRAD/SA-D雙偏振雷達(dá)的部分主要性能參數(shù)。

圖1 CINRAD/SA-D雙偏振天氣雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定信號(hào)流程Fig.1 Flow of automatic online calibration signal of CINRAD/SA-D dual-polarization Doppler weather radar

表1 CINRAD/SA-D主要性能參數(shù)在線自動(dòng)標(biāo)定周期

表2 CINRAD/SA-D主要性能參數(shù)指標(biāo)

2 CINRAD/SA-D雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定數(shù)據(jù)分析評(píng)估

CINRAD/SA-D雷達(dá)在運(yùn)行的每個(gè)體掃(VCP)間隔期間，都會(huì)進(jìn)行性能參數(shù)在線自動(dòng)標(biāo)定，以檢測(cè)雷達(dá)運(yùn)行是否正常，當(dāng)體掃標(biāo)定的性能參數(shù)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，表明該體掃雷達(dá)運(yùn)行正常，如果體掃標(biāo)定的性能參數(shù)未達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求或者超出惡化極限閾值，表示該體掃雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)性能下降或者變壞，則該體掃雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量也隨之下降或者變壞。雷達(dá)每個(gè)體掃的標(biāo)定數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等均記錄在雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元(RDA)狀態(tài)性能數(shù)據(jù)RDA/Per/LOG文件下。統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)來(lái)源于2019年6—10月在線運(yùn)行狀態(tài)LOG文件下的Calibration和Status運(yùn)行狀態(tài)日志。對(duì)雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定的性能參數(shù)、監(jiān)控信息、報(bào)警信息進(jìn)行梳理，依據(jù)雷達(dá)氣象方程結(jié)合回波強(qiáng)度定標(biāo)方法[2,20-23]，遴選對(duì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響最大的性能參數(shù)：發(fā)射機(jī)輸出峰值功率Pt、相位噪聲σφ、噪聲系數(shù)NF、反射率標(biāo)定系數(shù)ΔSYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分傳播相移ΦDP，通過(guò)對(duì)在線每個(gè)體掃標(biāo)定數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，繪制出每個(gè)參數(shù)長(zhǎng)期運(yùn)行軌跡，能夠分析評(píng)估雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。

2.1 發(fā)射峰值功率數(shù)據(jù)分析

發(fā)射峰值功率Pt是指發(fā)射脈沖持續(xù)期間對(duì)不同工作比時(shí)的發(fā)射機(jī)輸出功率的測(cè)量。發(fā)射信號(hào)經(jīng)高頻功分器等分后經(jīng)大功率雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別向天線的H和V通道注入，H和V通道峰值功率分別記為Pt-H、Pt-V。目前，CINRAD/SA-D雷達(dá)在運(yùn)行期間功率監(jiān)控器能夠?qū)?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的發(fā)射機(jī)峰值功率數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集監(jiān)控單元(DAU)，但是H和V通道發(fā)射功率尚不具備監(jiān)測(cè)功能，其功率測(cè)試值是從發(fā)射機(jī)輸出功率通過(guò)相關(guān)饋線損耗換算得出。

Pt-H=Pt/2 -LH

(1)

Pt-V=Pt/2 -LV

(2)

式(1)、(2)中LH、LV分別代表H、V發(fā)射通道支路損耗。

雷達(dá)運(yùn)行的每個(gè)VCP期間進(jìn)行發(fā)射機(jī)功率監(jiān)測(cè)，與其他性能參數(shù)標(biāo)定不同，發(fā)射機(jī)峰值功率數(shù)據(jù)位于LOG/Status。發(fā)射峰值功率技術(shù)指標(biāo)要求Pt≥650 kW，低于400 kW 或者超出900 kW，系統(tǒng)則產(chǎn)生功率過(guò)低或者功率過(guò)高報(bào)警。統(tǒng)計(jì)分析雷達(dá)運(yùn)行的33 385個(gè)體掃峰值功率，除周、月、年停機(jī)維護(hù)無(wú)數(shù)據(jù)外，在線運(yùn)行輸出峰值功率比較穩(wěn)定，基本維持在679.68 kW(圖2)，但統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)有時(shí)出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，最大值為738.07 kW，最小值為658.45 kW，經(jīng)核實(shí)是由于雷達(dá)設(shè)備停機(jī)維護(hù)，開機(jī)時(shí)設(shè)備溫度較低引起，待雷達(dá)運(yùn)行幾個(gè)體掃后溫度趨于穩(wěn)定，雷達(dá)輸出功率隨之穩(wěn)定。H和V雙通道峰值功率Pt-H、Pt-V均值分別為208.56 kW、207.76 kW，長(zhǎng)期運(yùn)行基本一致且穩(wěn)定。

圖2 2019年6—10月在線峰值功率(Pt)以及水平和垂直通道峰值功率(Pt-H/Pt-V)隨時(shí)間的變化軌跡Fig.2 Trajectory of online peak power Pt and peak power of horizontal and vertical channels Pt-H/Pt-V from June to October 2019

2.2 噪聲系數(shù)與噪聲電平數(shù)據(jù)分析

噪聲溫度(TN)的標(biāo)定來(lái)源于射頻噪聲源的NOISE信號(hào)(圖1)，噪聲溫度標(biāo)校每個(gè)體掃執(zhí)行一次，利用噪聲源的ON和OFF狀態(tài)，測(cè)試接收機(jī)輸出噪聲功率，根據(jù)噪聲源的超噪比計(jì)算接收系統(tǒng)的噪聲溫度。如果運(yùn)行標(biāo)定的噪聲溫度超出預(yù)定值，則產(chǎn)生相應(yīng)的告警。

接收機(jī)噪聲系數(shù)NF表示接收機(jī)輸入端信噪比與其輸出端信噪比的比值。在線標(biāo)定噪聲系數(shù)是通過(guò)每個(gè)體掃標(biāo)定的噪聲溫度轉(zhuǎn)化獲得，換算公式為：

NF=10lg[TN/290+1]

(3)

噪聲電平E表示接收機(jī)接收到的外界噪聲信號(hào)與本底噪聲信號(hào)疊加在一起而產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(shù)與噪聲電平的關(guān)系為：

NF=REN-(EHot-ECold)

(4)

式(4)中，REN為噪聲源的超噪比，超噪比的大小與噪聲源的型號(hào)和被測(cè)雷達(dá)的工作頻率相關(guān)，ECold、EHot分別為噪聲源處于OFF和ON狀態(tài)時(shí)接收的冷、熱態(tài)噪聲電平。

統(tǒng)計(jì)分析33 385個(gè)體掃噪聲系數(shù)在線標(biāo)定數(shù)據(jù)(圖3a)，發(fā)現(xiàn)噪聲系數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中存在異常數(shù)據(jù)，噪聲系數(shù)超標(biāo)3 dB達(dá)131個(gè)體掃，占總數(shù)的0.39%(H通道噪聲系數(shù)NF-H超標(biāo)90個(gè)，V通道噪聲系數(shù)NF-V超標(biāo)41個(gè)，見表3)，超標(biāo)數(shù)據(jù)較集中在7月24—30日、8月26日—9月18日和10月2—6日，極大值出現(xiàn)在8月28日01:43(UTC)高達(dá)19.92 dB(H通道)和11.06 dB(V通道)，為查找嚴(yán)重超標(biāo)原因，深入分析H和V雙通道冷、熱態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)(ECold -H、EHot-H、ECold-V、EHot-V)，由圖3b可見，H和V雙通道熱態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)穩(wěn)定且擬合較好，而冷態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)波動(dòng)較大且與系統(tǒng)噪聲系數(shù)關(guān)聯(lián)吻合，熱態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明雷達(dá)接收系統(tǒng)正常，噪聲系數(shù)的異常波動(dòng)完全來(lái)源于噪聲源處于關(guān)閉狀態(tài)的冷態(tài)噪聲電平，即噪聲系數(shù)的異常數(shù)據(jù)是外界干擾所致，外界干擾影響了接收系統(tǒng)內(nèi)噪聲信號(hào)的在線標(biāo)定，抬高了噪聲電平和噪聲系數(shù)，結(jié)果直接影響到探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，在雷達(dá)產(chǎn)品多表現(xiàn)為射線狀、雜點(diǎn)、環(huán)狀等異?；夭?圖4)。采用基數(shù)據(jù)分析法，發(fā)現(xiàn)因干擾影響造成50 km處最小可測(cè)回波強(qiáng)度降低為-3.5 dBZ(圖5a)，而未受干擾時(shí)50 km處最小可測(cè)回波強(qiáng)度能達(dá)到-5.0 dBZ(圖5b)，由外界干擾造成探測(cè)靈敏度降低了1.5 dB，為保障雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有必要開展雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究。

圖3 2019年6—10月噪聲系數(shù)NF(a)和冷、熱態(tài)噪聲電平ECold、EHot(b)隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curve of noise figure NF(a) and cold and hot noise level ECold and EHot(b) from June to October 2019

表3 體掃噪聲系數(shù)異常次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 2019年8月28日01:43(UTC)噪聲電平和噪聲系數(shù)因干擾升高引起的雷達(dá)回波異常(a.反射率因子Z，b.差分反射率因子ZDR，c.相關(guān)系數(shù)CC，d.差分傳播相移率KDP)Fig.4 Radar echo anomaly caused by noise level and noise figure being disturbed at 01:43 UTC 28 August 2019 (a. reflectivity factor Z, b. differential reflectivity factor ZDR, c. correlation coefficient CC, d. differential propagation phase shift rate KDP)

圖5 接收機(jī)靈敏度對(duì)比(a.有外界干擾，b.無(wú)外界干擾)Fig.5 Comparison of receiver sensitivity under external interference (a) and under no external interference (b)

排除受外界干擾時(shí)間段的數(shù)據(jù)后，H和V雙通道的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定且具有較好一致性，H和V雙通道噪聲系數(shù)均值維持在1.66 dB和1.73 dB，滿足噪聲系數(shù)NF≤3.0 dB的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 反射率標(biāo)定系數(shù)SYSCAL數(shù)據(jù)分析

反射率標(biāo)定RDA/Per/LOG/{Cali1/CW&RFDi+Cal 2/SYSCAL}(i=1,2,3)是對(duì)反射率進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，以保證反射率測(cè)量精度。根據(jù)雷達(dá)工作頻率、天線增益、發(fā)射支路損耗、接收支路損耗、接收機(jī)增益等參數(shù)計(jì)算出反射率的校正參數(shù)，記為SYSCAL(system calibration)。SYSCAL的變化體現(xiàn)接收機(jī)增益等性能參數(shù)的變化，并直接影響雷達(dá)反射率因子的計(jì)算結(jié)果。反射率標(biāo)定信號(hào)來(lái)源于頻率源(4A1)J3的CW測(cè)試信號(hào)及發(fā)射機(jī)脈沖形成器3A5的RFD測(cè)試信號(hào)(圖1)。RFD的標(biāo)定分為高、中、低三組不同信噪比的信號(hào)，可以在線動(dòng)態(tài)地對(duì)反射率強(qiáng)度值進(jìn)行標(biāo)校，標(biāo)校CW&RFD的實(shí)測(cè)值記錄在LOG/Cali1/CW & RFDi中，用dBZ表示。每一組標(biāo)定的期望值Expected與實(shí)測(cè)值Measured之間的差值分別記為ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3。四組信號(hào)期望值與實(shí)測(cè)值之間的差值的平均值作為SYSCAL的變化，記為ΔSYSCAL，計(jì)算如下：

ΔSYSCAL=(ΔCW+ΔRFD1+ΔRFD2+ΔRFD3)/4

(5)

當(dāng)每一組標(biāo)定數(shù)據(jù)滿足要求∣期望值-實(shí)測(cè)值∣≤2 dB，即∣(ΔCW=CWExpected-CWMeasured)∣≤2 dB，∣(ΔRFDi=RFDiExpected-RFDiMeasured)∣ ≤2 dB，則實(shí)時(shí)訂正反射率標(biāo)定系數(shù)SYSCAL，這個(gè)訂正后的SYSCAL將用于下一個(gè)體積掃描中計(jì)算反射率因子，即下一個(gè)體掃SYSCALn+1與當(dāng)前體掃SYSCALn的關(guān)系是：

SYSCALn+1=SYSCALn+ΔSYSCAL

(6)

如自動(dòng)在線檢查結(jié)果，ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3分別為0.0、0.1、0.1、0.0，根據(jù)公式(5)計(jì)算ΔSYSCAL為0.05 dB，應(yīng)用于下一個(gè)體積掃描的SYSCALn+1值相比本次掃描變化了0.05 dB，即接收到同樣幅度的信號(hào)時(shí)，反射率因子的值會(huì)增加0.05 dB。如果標(biāo)定數(shù)據(jù)∣期望值-實(shí)測(cè)值∣超出設(shè)定閾值(一般為2 dB)，即∣(ΔCW=CWExpected-CWMeasured)∣>2 dB，∣(ΔRFDi=RFDiExpected-RFDiMeasured)∣>2 dB，表明雷達(dá)系統(tǒng)性能下降或者變壞，系統(tǒng)則自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息。

統(tǒng)計(jì)分析33 385個(gè)體掃SYSCAL標(biāo)定數(shù)據(jù)(H通道)，根據(jù)公式(5)計(jì)算ΔSYSCAL值，計(jì)算結(jié)果(圖6)：11 208個(gè)ΔSYSCAL為正值，均值為0.015 dB，最大值為0.25 dB；10 887個(gè)ΔSYSCAL為負(fù)值，均值為-0.016 dB，最小值為 -0.46 dB；11 290個(gè)ΔSYSCAL為0值；ΔSYSCAL滿足±2 dB技術(shù)指標(biāo)要求。ΔSYSCAL值為雷達(dá)機(jī)內(nèi)四個(gè)標(biāo)定信號(hào)(3個(gè)RFD信號(hào)，1個(gè)CW信號(hào))測(cè)量誤差平均差值，用于補(bǔ)償下一個(gè)體掃的SYSCAL值。ΔSYSCAL越小，表明接收系統(tǒng)增益和發(fā)射機(jī)輸出功率越穩(wěn)定。所以通過(guò)監(jiān)測(cè)SYSCAL長(zhǎng)期運(yùn)行的變化情況，能夠檢驗(yàn)雷達(dá)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖6 2019年6—10月SYSCAL (a)和ΔSYSCAL(b)值隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Variation curve of SYSCAL (a) and ΔSYSCAL (b) from June to October 2019

2.4 相位噪聲數(shù)據(jù)分析

相位噪聲表征雷達(dá)系統(tǒng)的相干性，即表征雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)各信號(hào)的穩(wěn)定性。將雷達(dá)發(fā)射射頻信號(hào)經(jīng)衰減延遲后注入接收機(jī)前端，對(duì)該信號(hào)放大、相位檢波后的I/Q值進(jìn)行多次采樣，由每次采樣的I/Q值計(jì)算出信號(hào)的相位，求出相位的均方根誤差σφ來(lái)表征系統(tǒng)的相位噪聲。技術(shù)指標(biāo)要求σφ≤0.1°，當(dāng)該測(cè)試值超限時(shí)，系統(tǒng)報(bào)地物雜波抑制能力變壞報(bào)警。

根據(jù)臺(tái)站設(shè)置不同(2～72 h標(biāo)定一次)，統(tǒng)計(jì)分析203次相位噪聲在線標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果(H通道)：最大值0.095°，最小值0.034°，平均值為0.051 3°。由圖7a可看出系統(tǒng)相位噪聲在線標(biāo)定數(shù)據(jù)曲線比較穩(wěn)定，表明系統(tǒng)相干性較好。

圖7 2019年6—10月相位噪聲σφ(a)和濾波前后功率比R(b)隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Variation curve of phase noise σφ(a) and power rate R before and after filtering (b) from June to October 2019

當(dāng)相位噪聲σφ小于5°時(shí)可近似地用來(lái)估算系統(tǒng)的地物雜波抑制能力S，其轉(zhuǎn)換公式為：

S=-20lg(sinσφ)

(7)

由公式(7)計(jì)算均值為61.08 dB，此結(jié)果與采用在線標(biāo)定濾波前后功率比R估算的地物雜波抑制結(jié)果61.36 dB(均值，15.73/-45.63)吻合(圖7b)。

圖8為雷達(dá)觀測(cè)地物雜波對(duì)消抑制前dBT與對(duì)消抑制后dBZ基數(shù)據(jù)分析實(shí)例，在80.9°、82.04 km處(箭頭加十字所指)對(duì)消前地物雜波強(qiáng)度值為66.5 dBZ，對(duì)消后地物雜波強(qiáng)度值為6.5 dBZ，對(duì)消前、后差值代表雷達(dá)實(shí)際地物雜波對(duì)消為60 dB。實(shí)例分析結(jié)果與采用在線標(biāo)定相位噪聲法及在線標(biāo)定濾波前后功率比法估算地物雜波抑制結(jié)果基本吻合，表明系統(tǒng)相干性和地物雜波對(duì)消抑制能力較好。

圖8 2019年9月30日07:02濟(jì)南雷達(dá)地物雜波抑制前后反射率因子對(duì)比(a.抑制前，b.抑制后)Fig.8 Comparison of reflectivity factor before (a) and after (b) clutter suppression of Jinan radar at 07:02 UTC 30 September 2019

2.5 差分反射率因子與差分傳播相移數(shù)據(jù)分析

水平和垂直雙通道的一致性，對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)的探測(cè)性能起著決定性的作用[14-19]。為了在線測(cè)量和檢驗(yàn)接收機(jī)雙通道幅度和相位的一致性，系統(tǒng)采用機(jī)內(nèi)雙信號(hào)源法，位于設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)的接收機(jī)頻率源(4A1)J3輸出的連續(xù)波CW信號(hào)經(jīng)功分后分別注入H和V接收通道，用來(lái)檢驗(yàn)機(jī)房?jī)?nèi)的H和V接收雙通道信號(hào)幅度和相位的一致性，H和V雙通道信號(hào)幅度差記為ZDR-CW，相位差記為ΦDP-CW；位于天線俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之上的標(biāo)定信號(hào)源輸出的連續(xù)波TS信號(hào)經(jīng)功分后注入包括俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在內(nèi)的接收鏈路的H和V通道，用來(lái)檢驗(yàn)雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在內(nèi)的接收全鏈路雙通道信號(hào)幅度和相位的一致性，幅度差記為ZDR-TS，相位差記為ΦDP-TS。CW和TS信號(hào)標(biāo)校流程見圖1。技術(shù)指標(biāo)要求雙通道幅度標(biāo)準(zhǔn)差ZDR≤0.2 dB，相位標(biāo)準(zhǔn)差ΦDP≤3°。如果標(biāo)定結(jié)果超限，表明接收雙通道一致性差，ZDR-CW、ΦDP-CW超限重點(diǎn)檢查設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)接收雙通道一致性，ZDR-TS、ΦDP-TS超限重點(diǎn)檢查雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)接收鏈路雙通道的一致性的影響。

ZDR-CW和ΦDP-CW標(biāo)定是每個(gè)VCP間隔做一次。分析33 385個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)(圖9a、圖9b)，ZDR-CW最小值為0.18 dB，最大值為0.35 dB，均值為0.26 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.025 8 dB；ΦDP-CW最小值為107.86°，最大值為113.54°，均值為110.82°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.735°。TS信號(hào)標(biāo)定不同于CW信號(hào)標(biāo)定，TS信號(hào)標(biāo)定是在天線逐仰角360°掃描完成一次標(biāo)定，如VCP21D掃描，9個(gè)仰角進(jìn)行11次360°掃描(0.5°、1.5°仰角，強(qiáng)度和速度各掃描1次)，本體掃結(jié)束后再進(jìn)行一次VCP標(biāo)定，所以VCP21D一個(gè)體掃結(jié)束后有12組標(biāo)定數(shù)據(jù)， 結(jié)果TS測(cè)試信號(hào)標(biāo)定數(shù)據(jù)是CW測(cè)試信號(hào)標(biāo)定數(shù)據(jù)的12倍。分析400 620個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)(圖9c、圖9d)，ZDR-TS最小值為0.42 dB，最大值為0.77 dB，均值為0.611 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.044 dB；ΦDP-TS最小值為224.42°，最大值為232.70°，均值為228.73°，標(biāo)準(zhǔn)差為1.116°。

圖9 2019年6—10月ZDR-CW(a)、ΦDP-CW(b)、ZDR-TS(c)、ΦDP-TS(d)隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Variation curve of ZDR-CW(a), ΦDP-CW(b), ZDR-TS(c), and ΦDP-TS(d) from June to October 2019

采用雙信號(hào)源的CW、TS標(biāo)定法，接收雙通道幅度和相位的標(biāo)準(zhǔn)差都滿足接收機(jī)雙通道一致性技術(shù)指標(biāo)要求，并且標(biāo)定數(shù)據(jù)波動(dòng)具有較強(qiáng)的一致性(圖9)。雖然雙信號(hào)源標(biāo)定法同步且互補(bǔ)，但兩個(gè)信號(hào)標(biāo)定結(jié)果還是存在一定的差異，但CW信號(hào)標(biāo)定結(jié)果明顯小于TS信號(hào)標(biāo)定結(jié)果。這是由于TS標(biāo)定通道增加了雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，導(dǎo)致ZDR-TS和ΦDP-TS標(biāo)定結(jié)果比ZDR-CW和ΦDP-CW出現(xiàn)更大的誤差，這種變化難以通過(guò)調(diào)整H和V兩通道的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償消除，因此隨著雙偏振雷達(dá)的長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來(lái)的幅度和相位固有偏差進(jìn)行測(cè)試和訂正非常重要。在線標(biāo)定對(duì)機(jī)內(nèi)測(cè)試通道硬件性能的準(zhǔn)確性和環(huán)境溫度要求較高，如果在條件允許的情況下，有必要采用離線標(biāo)定法：“太陽(yáng)法”“小雨法”“金屬球”等方法進(jìn)行接收全鏈路標(biāo)定和訂正。

3 結(jié)論與討論

新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)具備完善的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、標(biāo)定功能，雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定數(shù)據(jù)的精度直接反映出探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本文闡述了CINRAD/SA-D雙偏振雷達(dá)的標(biāo)定技術(shù)，分析評(píng)估了2019年6—10月濟(jì)南雙偏振多普勒天氣雷達(dá)運(yùn)行在線自動(dòng)標(biāo)定的峰值功率Pt、相位噪聲σφ、噪聲系數(shù)NF、反射率標(biāo)定系數(shù)SYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分傳播相移ΦDP性能參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，評(píng)估結(jié)論如下：

1)峰值功率維持在679.68 kW，H和V雙通道的峰值功率長(zhǎng)期運(yùn)行吻合一致性較好，峰值功率的不穩(wěn)定與設(shè)備溫度密切相關(guān)。

2)H和V雙通道噪聲系數(shù)均值維持在1.66 dB和1.73 dB，雙通道噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)總體分布穩(wěn)定且具有較好一致性。但是如果外界有干擾，接收機(jī)接收來(lái)自天線的干擾信號(hào)影響了系統(tǒng)內(nèi)噪聲信號(hào)的在線標(biāo)定，引起噪聲電平和噪聲系數(shù)的升高。噪聲電平和噪聲系數(shù)的升高必定影響探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，雷達(dá)產(chǎn)品多表現(xiàn)為射線狀、環(huán)狀、雜點(diǎn)等異?；夭?；外界干擾的同時(shí)也降低了接收機(jī)的靈敏度，因干擾造成接收機(jī)靈敏度降低了1.5 dB。為保障雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有必要開展雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究。

3)反射率自動(dòng)標(biāo)校是保證雷達(dá)回波強(qiáng)度測(cè)量精度的重要手段，ΔSYSCAL值為四個(gè)機(jī)內(nèi)定標(biāo)信號(hào)(3個(gè)RFD信號(hào)，1個(gè)CW信號(hào))測(cè)量誤差平均差值用于補(bǔ)償SYSCAL值，ΔSYSCAL越小，表明接收系統(tǒng)增益和發(fā)射機(jī)輸出功率越穩(wěn)定。

4)相位噪聲均值為0.051 3°，實(shí)際地物雜波對(duì)消能力60 dB與估測(cè)地物雜波抑制能力61.36 dB結(jié)果基本吻合，證實(shí)了雷達(dá)系統(tǒng)具有較好的地物雜波抑制能力。

5)H和V雙通道的一致性是雙偏振雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)長(zhǎng)期ZDR與ΦDP數(shù)據(jù)分析可以檢驗(yàn)接收雙通道的一致性。采用雙信號(hào)源的CW、TS標(biāo)定法，接收雙通道幅度和相位的標(biāo)準(zhǔn)差：ZDR-CW和ΦDP-CW分別為0.025 dB和0.735°，ZDR-TS和ΦDP-TS分別為0.044 dB和1.116°，滿足接收機(jī)雙通道一致性技術(shù)指標(biāo)，但CW信號(hào)標(biāo)定結(jié)果明顯小于TS信號(hào)標(biāo)定結(jié)果。這是由于TS標(biāo)定通道增加了雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，導(dǎo)致ZDR-TS和ΦDP-TS標(biāo)定結(jié)果比ZDR-CW和ΦDP-CW出現(xiàn)更大的偏差，這種變化難以通過(guò)調(diào)整H和V兩通道的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償消除，因此隨著雙偏振雷達(dá)的長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來(lái)的幅度和相位固有偏差進(jìn)行測(cè)試和訂正非常重要。

目前，CINRAD/SA-D雷達(dá)在線自動(dòng)標(biāo)定只能獲取H通道的SYSCAL、相位噪聲、濾波前后功率比數(shù)據(jù)，為更好的檢驗(yàn)H和V雙通道一致性，建議改進(jìn)增加V通道在線標(biāo)定數(shù)據(jù)。

機(jī)內(nèi)CW和TS標(biāo)定信號(hào)法可以對(duì)接收雙通道的一致性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和標(biāo)校，但是對(duì)機(jī)內(nèi)測(cè)試通道硬件性能的準(zhǔn)確性和環(huán)境溫度要求較高。為保障ZDR的測(cè)量精度，在條件滿足的情況下，有必要采用“太陽(yáng)法”“小雨法”“金屬球”等方法進(jìn)行接收全鏈路標(biāo)定和訂正。