CINRAD/SA-D雷達(dá)差分反射率金屬球標(biāo)定試驗(yàn)

朱毅 周紅根* 趙宇 劉俊 杜云東 儲(chǔ)晨曦 王新

(1 江蘇省氣象探測(cè)中心，南京 210009； 2 徐州市氣象局，徐州 221006； 3 泰州市氣象局，泰州 222008； 4 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100086; 5 重慶市氣象局，重慶 400703)

引言

經(jīng)“十三五”時(shí)期的建設(shè),我國(guó)在網(wǎng)天氣雷達(dá)數(shù)達(dá)270余部，針對(duì)天氣雷達(dá)定標(biāo)工作，中國(guó)氣象局制定了新一代天氣雷達(dá)出廠(現(xiàn)場(chǎng))驗(yàn)收測(cè)試大綱(2018版)及新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)巡檢規(guī)定(試行)(2009版)等一系列的業(yè)務(wù)文件，并規(guī)定了SA雷達(dá)定標(biāo)測(cè)試項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者也開展了特定研究，并取得了一定進(jìn)展，王立軒等[1](2001)介紹新一代天氣雷達(dá)參數(shù)測(cè)試，用機(jī)外儀表對(duì)機(jī)內(nèi)自動(dòng)標(biāo)校結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)；柴秀梅等[2](2007)分析CINRAD/CC自動(dòng)標(biāo)校的技術(shù)原理，對(duì)其存在的問題提出解決方案；潘新民等[3-4](2010)論述了回波強(qiáng)度定標(biāo)與故障的診斷分析方法及定標(biāo)故障診斷流程；王志武等[5-6](2008)分析了雷達(dá)定標(biāo)相關(guān)的適配參數(shù)，對(duì)定標(biāo)和檢查中可能出現(xiàn)的各種報(bào)警給出對(duì)策；周紅根等[7](2016)從雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量需求出發(fā)，在4個(gè)方面對(duì)CINRAD/SA標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了研究，從而提高了回波強(qiáng)度定標(biāo)的客觀性和一致性。

我國(guó)從2015年開始對(duì)新一代天氣雷達(dá)進(jìn)行雙偏振升級(jí)改造，目前新建業(yè)務(wù)雷達(dá)均為雙偏振雷達(dá)，并且全國(guó)不少CINRAD/SA雷達(dá)已經(jīng)升級(jí)為雙偏振雷達(dá)CINRAD/SA-D。雙偏振雷達(dá)通過垂直和水平兩個(gè)通道回波信號(hào)的微小差異，來識(shí)別探測(cè)目標(biāo)物的物理特征。針對(duì)雷達(dá)的定標(biāo)問題，魏洪峰等[8](2008)分析和研究雷達(dá)發(fā)射、接收支路饋線損耗、雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不一致等引入差分反射率(ZDR)測(cè)量誤差的因素。胡東明、胡漢峰、蔡康龍等[9-11]分別對(duì)敏視達(dá)公司生產(chǎn)的S/C/X波段雙偏振天氣雷達(dá)方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)造成的雷達(dá)ZDR測(cè)量誤差進(jìn)行了檢測(cè)和分析，表明雷達(dá)重要器件旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)影響了雙偏振天氣雷達(dá)雙通道信號(hào)的一致性和ZDR精度；趙世穎等[12]針對(duì)車載C波段雙偏振多普勒雷達(dá)，使用交叉與平行法對(duì)雷達(dá)收發(fā)支路損耗進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算出雷達(dá)兩通道的偏差值，從而訂正ZDR，此方法對(duì)車載雷達(dá)等不含天線罩雷達(dá)標(biāo)定效果較好；李喆等[13-14](2016、2014)用比較小雨法(即垂直指向法的標(biāo)定)、太陽法等對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)ZDR標(biāo)定，小雨法對(duì)天氣條件要求高，太陽法僅標(biāo)定全鏈路接收通道；詹棠等[15](2019)分析對(duì)比小雨法和太陽法等對(duì)S波段雙偏振天氣雷達(dá)ZDR的標(biāo)定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)小雨法標(biāo)定受到位于天線罩頂部的航空障礙燈和維護(hù)窗的影響，使得ZDR標(biāo)定結(jié)果出現(xiàn)偏差；李兆明等[16]開展用系留艇懸掛金屬球定標(biāo)X波段固態(tài)天氣雷達(dá)試驗(yàn)，差分反射率平均值為2 dB，與理論值0 dB存在較大偏差。雖然上述工作已從多方面研究了我國(guó)雙偏振雷達(dá)的差分反射率的標(biāo)定，但其研究對(duì)象仍集中于科研雷達(dá)為主[17-18]，對(duì)我國(guó)目前布網(wǎng)的業(yè)務(wù)雷達(dá)研究較少。目前國(guó)內(nèi)還沒有開展過金屬球?qū)I(yè)務(wù)雷達(dá)CINRAD/SA-D進(jìn)行雙偏振參量ZDR定標(biāo)的工作，對(duì)ZDR標(biāo)定主要依靠小雨法、太陽法等，定標(biāo)結(jié)果受多種因素影響，存在不確定性和偏差。雙偏振天氣雷達(dá)對(duì)氣象目標(biāo)ZDR[19]的精確測(cè)量是我國(guó)新一代天氣雷達(dá)雙偏振升級(jí)過程中必須解決好的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上[20-24]，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)保證雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，才能更好地為預(yù)報(bào)服務(wù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1 金屬球定標(biāo)雙偏振雷達(dá)原理

新一代天氣雷達(dá)SA升級(jí)為雙偏振雷達(dá)，采用同時(shí)發(fā)射同時(shí)接收模式。差分反射率ZDR是波束體積內(nèi)水平通道反射率因子ZH和垂直通道反射率因子ZV之比[19](取對(duì)數(shù)，單位為dB)。

(1)

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)金屬球，水平通道反射率因子ZH和垂直通道反射率因子ZV相等，ZDR為零。小的雨滴形狀趨于球形，ZH和ZV近似相等，ZDR值接近為零。雨滴尺度越大，形狀越扁，ZDR越大。

把標(biāo)準(zhǔn)金屬球作為散射目標(biāo)用于雙偏振雷達(dá)定標(biāo)，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的雷達(dá)定標(biāo)方法(圖1)。雖然金屬球?yàn)辄c(diǎn)目標(biāo)，但標(biāo)定時(shí)，雷達(dá)波束內(nèi)沒有其它目標(biāo)填充，使之可以作為氣象體目標(biāo)標(biāo)定的合理替代。一般用無人機(jī)、飛艇、氣球、風(fēng)箏等懸掛1個(gè)已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)金屬球，對(duì)于S波段雙偏振雷達(dá)(SA-D型)，確保金屬球距離雷達(dá)不小于1.6 km，既保證理論上符合電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)的要求，也保證雷達(dá)波束填充。當(dāng)金屬球進(jìn)入雙偏振雷達(dá)探測(cè)波束區(qū)，雷達(dá)就能探測(cè)到金屬球的水平和垂直兩個(gè)方向的后向散射信號(hào)，由于金屬球的散射截面RCS是已知的，因此用金屬球?qū)﹄p偏振雷達(dá)進(jìn)行ZDR定標(biāo)是可行的。

圖1 無人機(jī)攜帶金屬球定標(biāo)雷達(dá)示意

2 雙偏振雷達(dá)自定義掃描模式控制參數(shù)

2.1 雙偏振雷達(dá)參數(shù)

2019年2月，徐州新一代天氣雷達(dá)完成雙偏振升級(jí)改造，3月完成雷達(dá)天線、饋線等參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。2020年4月20日完成徐州雙偏振雷達(dá)天線系統(tǒng)、發(fā)射、接收等系統(tǒng)定標(biāo)[7]，太陽法進(jìn)行全鏈路回波強(qiáng)度定標(biāo)檢查，雷達(dá)所有指標(biāo)全部合格。徐州雷達(dá)主要參數(shù)如表1。

表1 S波段雙偏振天氣雷達(dá)主要參數(shù)

2.2 無人機(jī)參數(shù)

XH230E無人機(jī)系統(tǒng)是一款具有通用掛載能力的大載重長(zhǎng)航時(shí)純電動(dòng)六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)參數(shù)如表2?？蓪?shí)現(xiàn)全自主起降及巡航能力，雙冗余飛行控制系統(tǒng)以及多個(gè)安全控制策略保證飛行使用的安全可靠性。

表2 XH230E無人機(jī)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 雷達(dá)控制參數(shù)設(shè)置

為提高數(shù)據(jù)測(cè)試的有效時(shí)間，獲取更多的雷達(dá)數(shù)據(jù)，雷達(dá)掃描采用自定義VCP-sect方式，采用目標(biāo)方位±5°的扇掃組合，且關(guān)閉地物等所有雷達(dá)濾波算法，窄脈沖、距離庫250 m、天線掃描速度4 °/s、采樣數(shù)256。VCP-sect體掃配置見圖2，圖2中的仰角設(shè)置依據(jù)后文“無人機(jī)飛行高度及計(jì)算金屬球預(yù)飛高度”計(jì)算結(jié)果確定，由于關(guān)閉地物等所有雷達(dá)濾波算法，測(cè)試點(diǎn)離雷達(dá)站10 km范圍內(nèi)，地物回波會(huì)比較強(qiáng)，因此雷達(dá)測(cè)試仰角必須大于1.5°。表3是VCP-sect配置參數(shù)表。

圖2 VCP-sect掃描配置

表3 VCP-sect配置參數(shù)表

3 無人機(jī)飛行高度及計(jì)算金屬球預(yù)飛高度

XH230E型六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，在合適的抗風(fēng)條件和高度下，無人機(jī)懸停高度能穩(wěn)定在0.2～4 m以內(nèi)，對(duì)于固定仰角連續(xù)測(cè)試金屬球十分有利，明顯優(yōu)于用飛艇或風(fēng)箏等，不易控制好金屬球方位/仰角變化的放飛方式。

確定了無人機(jī)飛行最高高度后，根據(jù)放飛點(diǎn)與雷達(dá)站直線距離、海拔高度、懸掛金屬球線纜長(zhǎng)度等參數(shù)，方便計(jì)算出金屬球高度、掃描仰角等。表4為第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，距離徐州雷達(dá)站7.33 km，方位316.22°，線纜長(zhǎng)度68 m時(shí)，計(jì)算出仰角與金屬球高度等相關(guān)數(shù)據(jù)，方便預(yù)先配置VCP-sect掃描仰角。

表4 金屬球飛行高度、探測(cè)仰角等參數(shù)表

根據(jù)圖1所示，測(cè)試點(diǎn)無人機(jī)飛行高度(相對(duì)地面)為h2，懸掛金屬球線長(zhǎng)度L2，金屬球預(yù)飛高度為h2-L2，測(cè)試點(diǎn)的海拔高度為h3，雷達(dá)饋源海拔高度為h1，測(cè)試點(diǎn)離雷達(dá)站直線距離為L(zhǎng)1。雷達(dá)波束中心點(diǎn)在仰角α?xí)r的海拔高度H[19]及測(cè)試點(diǎn)波束展寬高度Hw分別為：

H=L1tanα+h1

(2)

Hw=L1tan(α+0.5)-L1tan(α-0.5)

(3)

為避免無人機(jī)進(jìn)入到雷達(dá)掃描工作α角度中,首先要保證金屬球預(yù)飛高度(相對(duì)于地面，因?yàn)闊o人機(jī)飛行高度是相對(duì)地面的)在工作波束中心附近，即L1tanα。由于在第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，0.2°仰角高度差抬高25.6 m，無人機(jī)與金屬球的線長(zhǎng)為68 m時(shí)，不考慮風(fēng)的影響，應(yīng)該能滿足無人機(jī)不在工作仰角α波束中，從而減少無人機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

4 試驗(yàn)地點(diǎn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2020年4月25—29日，在徐州雷達(dá)站周邊共選擇了2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，放飛金屬球試驗(yàn)。選擇測(cè)試點(diǎn)要求周邊比較空曠，無高壓線，地面相對(duì)平坦，人員稀少，距離雷達(dá)站直線距離2～10 km范圍內(nèi)。

第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，離徐州雷達(dá)站5.18 km，方位317.24°，是一個(gè)公園，第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，離徐州雷達(dá)站7.33 km，方位316.22°，是一個(gè)廢棄的待建工地(圖3)。

圖3 無人機(jī)起飛地點(diǎn)與雷達(dá)站位置

在第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)由于無人機(jī)帶金屬球的線纜長(zhǎng)度為40 m及周圍地物的影響，測(cè)試數(shù)據(jù)并不理想；第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，無人機(jī)線纜長(zhǎng)度68 m，周邊地勢(shì)較為平坦，使地物影響相對(duì)較小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，旁瓣金屬球反射率因子Z旁=-23.01 dBz，由于旁瓣散射能量很小，因此地物回波的旁瓣對(duì)主瓣的影響較小。

通過第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無人機(jī)對(duì)金屬球的標(biāo)校有一定影響。因此，在第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)加長(zhǎng)了線纜長(zhǎng)度，但為避免測(cè)試天氣，特別是風(fēng)的影響，依據(jù)體掃的仰角度數(shù)在目標(biāo)點(diǎn)的波束展寬對(duì)無人機(jī)的飛行高度進(jìn)行了計(jì)算。測(cè)試參數(shù)依據(jù)表4。

29日第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，13：21無人機(jī)開始起飛，第1次飛行高度500 m，13:29調(diào)整無人機(jī)飛行高度為490 m，實(shí)際GPS顯示飛行高度491.4 m。13:30開始懸停采集數(shù)據(jù)，13:38無人機(jī)電機(jī)出現(xiàn)問題，控制無人機(jī)降落。

第2次起飛14：32，無人機(jī)飛行高度490 m后懸停。在490 m，測(cè)試仰角約在1.8°和2.0°，仰角間高度差25.6 m，線纜長(zhǎng)度68 m采用了2倍落差以外的仰角間高度差，用以減少無人機(jī)的影響(雷達(dá)自身仰角精度抖動(dòng)暫不考慮)。工作現(xiàn)場(chǎng)垂直定位見圖4，金屬球和無人機(jī)間的高度差隨氣流有一定變化，且金屬球有時(shí)存在轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 無人機(jī)懸掛金屬球示意

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了分析實(shí)際反射率Z和ZDR的數(shù)值范圍，選取4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表5。

表5 2020年4月29日Z和ZDR的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5是2020年4月29日13:31的雷達(dá)產(chǎn)品，仰角設(shè)置為1.8°，圖中圓圈對(duì)應(yīng)無人機(jī)位置(下同),此時(shí)金屬球與雷達(dá)站之間的距離(簡(jiǎn)稱金屬球距離)為7.33 km,Z為37 dBz,ZDR為-0.375 dB,徑向速度V為0 m/s,相關(guān)系數(shù)phv為0.97。

圖5 2020年4月29日13:31 1.8°仰角時(shí)雷達(dá)反射率因子Z(a),差分反射率ZDR(b),徑向速度V(c)和相關(guān)系數(shù)phv(d)水平垂直剖面 (圖中圓圈對(duì)應(yīng)無人機(jī)位置,下同)

圖6為14:40無人機(jī)經(jīng)過調(diào)整后重新起飛得到的雷達(dá)產(chǎn)品，仰角1.8°，此時(shí)金屬球距離為7.33 km,Z為37.5 dBz；ZDR為-0.125 dB,V為0 m/s,phv為0.97。

圖6 2020年4月29日14:40 1.8°仰角時(shí)雷達(dá)反射率因子Z(a), 差分反射率ZDR(b),徑向速度V(c)和相關(guān)系數(shù)phv(d)水平垂直剖面

通過分析這4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，無人機(jī)在空中由于控制精度及空氣流動(dòng)等影響，距離誤差為10 m左右。根據(jù)雷達(dá)天線測(cè)試的相關(guān)參數(shù)，第一旁瓣約為-30 dB(指標(biāo)要求≤-27 dB)，金屬球的實(shí)際反射率因子Z(dBz)：

Z=C+Pr+20lgR+RLat

(4)

其中,C為雷達(dá)常數(shù)，Pr為輸入信號(hào)功率，R為距離，Lat為S波段大氣損耗。

集合本次定標(biāo)工作的雷達(dá)相關(guān)參數(shù)，金屬球在距離雷達(dá)7.33 km處，大氣損耗S波段為0.011 dB/km，主瓣測(cè)得金屬球的Z=35.93 dBz，旁瓣測(cè)得金屬球的Z旁=-23.01 dBz，因此，由定量分析可知旁瓣散射能量對(duì)主瓣散射能量的影響很小。探測(cè)到的金屬球有較大的Z，較小的ZDR，徑向速度等于0 m/s說明金屬球靜止，以及較強(qiáng)的phv。特別值得注意的是當(dāng)時(shí)為晴空大氣，其晴空湍流的Z小(小于20 dBz)；而金屬目標(biāo)物的散射強(qiáng)，所以從Z(35.93 dBz)與周圍回波的強(qiáng)弱對(duì)比可知，探測(cè)到的目標(biāo)物的確是金屬球。

此外，ZDR的數(shù)值平均值為-0.265 dB(雷達(dá)系統(tǒng)軟件ZDR數(shù)據(jù)補(bǔ)償系數(shù)0.15 dB，產(chǎn)品顯示值中未扣除)，增加補(bǔ)償系數(shù)后的ZDR約為-0.115 dB，數(shù)值在允許存在誤差范圍內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)使用需求。

5 結(jié)論與討論

本文利用無人機(jī)在徐州對(duì)雙偏振雷達(dá)的ZDR進(jìn)行定標(biāo)。通過幾次飛行試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

(1)由于無人機(jī)對(duì)回波強(qiáng)度的干擾，在尋找金屬球及比對(duì)相應(yīng)的ZDR時(shí)，金屬球所在距離庫不能選擇最大回波強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行提取數(shù)據(jù)。

(2)在第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，回波強(qiáng)度在35～38 dBz時(shí)，ZDR誤差比較小(雷達(dá)系統(tǒng)軟件ZDR數(shù)據(jù)補(bǔ)償系數(shù)0.15 dB，PUP顯示值中未扣除)，當(dāng)回波強(qiáng)度提升在42 dBz以上時(shí)，ZDR約在±0.8 dB并且會(huì)隨強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)回波強(qiáng)度在50 dBz時(shí)，ZDR達(dá)到±7 dB。無人機(jī)的介入，嚴(yán)重影響金屬球ZDR的標(biāo)校結(jié)果。

(3)為了避免無人機(jī)的干擾，將無人機(jī)與金屬球間牽引線加長(zhǎng)，對(duì)無人機(jī)安全起飛和降落的控制要求較高。此外，由于線纜的加長(zhǎng)，高空的氣流對(duì)試驗(yàn)測(cè)試也有很大影響，表現(xiàn)最重要的是續(xù)航能力和金屬球的飄動(dòng)穩(wěn)定性。

(4)對(duì)于體掃任務(wù)，仰角間隔差0.3°，測(cè)試點(diǎn)仰角高度差38.5 m;仰角間隔0.2°，仰角高度差25.6 m。采用68 m線長(zhǎng)，應(yīng)用0.2°仰角間隔。

(5)CINRAD/SA天氣雷達(dá)，反射面直徑8.5 m天線，波束形成的最小距離約1.45 km，對(duì)于相同飛行高度的無人機(jī)來說，測(cè)試點(diǎn)越接近雷達(dá)，波束展寬越小，越能進(jìn)行更高仰角測(cè)試，排除地物影響，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試效果越好。