新一代天氣雷達運行性能評估與技術升級分析

王簫鵬，陳玉寶，劉 潔，邵 楠，楊 亭

(1.中國氣象局氣象探測中心，北京100086；2貴州省大氣探測保障中心，貴陽550000)

0 引言

中國從20世紀90年代中期開始大規(guī)模建設具有定量測量降水和獲得大氣動力場結構能力的數(shù)字化全相參多普勒天氣雷達網(wǎng)，在定量測量降水以及對大尺度、中尺度天氣系統(tǒng)的結構、演變的監(jiān)測能力方面得到了廣泛的應用[1-3]。隨著運行年限的增加，天氣雷達設備硬件老化，可靠性和性能參數(shù)降低，導致雷達故障和回波異常情況逐漸增多，影響了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，阻礙了雷達建設效益進一步發(fā)揮。2016年6—8月，中國氣象局氣象探測中心對全國170部業(yè)務運行雷達進行了檢查[4]。文章重點抽取了全國CINRAD/SA等6種型號27部雷達，結合獲取的現(xiàn)場測試結果和雷達自身運行數(shù)據(jù)，評估了組網(wǎng)雷達業(yè)務運行性能，分析了雷達運行性能下降的原因，并基于現(xiàn)有國內(nèi)外成熟技術，提出了在現(xiàn)有雷達體制下設備端所應進行的技術升級內(nèi)容，目的在于提高中國組網(wǎng)雷達設備運行的穩(wěn)定性、可靠性和現(xiàn)代化應用水平。

1 天氣雷達業(yè)務運行技術性能分析

1.1 評估內(nèi)容與方法

文章綜合考慮布網(wǎng)新一代天氣雷達的地域分布、運行年限、運行情況、抽查比例及維修頻次等因素，同時結合由于氣候情況和主汛期時段劃分的差異導致雷達觀測時間不同的情況，共抽取了截至2016年6月在網(wǎng)運行的6種型號27部雷達進行技術性能評估，約占全國業(yè)務運行雷達的15.9%。圖1(a)為27部雷達中各型號雷達占該型號全國業(yè)務運行雷達總數(shù)的比例，分別約為：8.2%、20.0%、30.8%、40.0%、7.3%及19.0%；圖1(b)為抽測雷達運行年限分布，可以看出，抽測的27部雷達作為評估的樣本滿足此次對全國雷達性能評估的要求。

性能分析分兩部分：1)對雷達機外發(fā)射功率、相位噪聲等14個關鍵技術參數(shù)進行現(xiàn)場檢查和測試，評估雷達當前性能；2)基于雷達連續(xù)運行在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對雷達機內(nèi)發(fā)射功率、噪聲系數(shù)及雜波抑制能力3個關鍵技術參數(shù)進行分析，評估雷達運行穩(wěn)定性和可靠性。各項評估指標設計如下：

1)單部/單項雷達指標合格率(PS)，指單部雷達滿足指標要求的參數(shù)個數(shù)(T)在評估總參數(shù)量(M)所占百分比，或樣本中某項參數(shù)合格數(shù)(T)在樣本總量(M)所占百分比。該指標用于對單部雷達系統(tǒng)質(zhì)量或單項指標可靠性的考量，是作為現(xiàn)場評估的主要依據(jù)。

(1)

(2)

式中，N為參與測試雷達的數(shù)量。

1.2 主要技術指標現(xiàn)場測試分析

通過對比雷達發(fā)射功率機內(nèi)、機外測量結果發(fā)現(xiàn)(已剔除因軟件或硬件故障出現(xiàn)的機內(nèi)功率為0、無顯示等異常情況)，CB雷達發(fā)射功率機內(nèi)、機外測量平均誤差最大，達到0.62 dB，最大誤差為2.11 dB。SC、CD雷達機內(nèi)發(fā)射功率測量不準確，發(fā)射機輸出功率變化時，隨機功率計測量功率值無變化，或者根本采集不到數(shù)值。CC雷達在現(xiàn)場檢測中因測試儀表原因，未進行發(fā)射功率機內(nèi)、機外一致性檢測。各型號雷達機內(nèi)、機外動態(tài)范圍較為一致。CD雷達噪聲系數(shù)自動測試中，采樣值變化幅度大且不穩(wěn)定，其他型號雷達噪聲系數(shù)自動測試中，機內(nèi)(機外)測量值一致性較好，但各型號雷達噪聲系數(shù)普遍存在機內(nèi)與機外一致性差的問題。

1.3 雷達業(yè)務運行性能分析

基于雷達運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對各型號雷達的重要技術參數(shù)進行統(tǒng)計分析，以評估機內(nèi)監(jiān)測標定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因無法獲取SC、CC和CD雷達完整的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，文章只對其機內(nèi)發(fā)射功率測量性能進行分析。

1.3.1 SA/SB雷達

由于梧州(SB)、臺州(SA)、桂林(SB)3部雷達在業(yè)務檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對徐州等8部SA/SB雷達進行了相關分析。

分析8部雷達發(fā)射功率在3個月內(nèi)的幅度變化情況可知，泰州、南通、常州3部雷達機內(nèi)功率測量值穩(wěn)定且均符合指標要求，其余5部雷達的功率測量值變化區(qū)間較大，即機內(nèi)功率測量值不穩(wěn)定，功率最大變化約210 kW，且存在以下2個問題：一是雷達開高壓運行后(冷熱狀態(tài)變換)的3～5個體掃內(nèi)，機內(nèi)發(fā)射功率值會出現(xiàn)虛高，隨著運行時間增加逐漸恢復穩(wěn)定；二是機內(nèi)功率在運行中存在跳變情況，且跳變幅度較大，如柳州雷達功率值主區(qū)間為638～694 kW，最小值約540 kW，最大值約750 kW。

地物抑制能力主要由雷達系統(tǒng)相位噪聲(相干性)決定，地物抑制能力下降不利于速度產(chǎn)品資料分析和質(zhì)量控制，從而影響小尺度災害性天氣速度特征分析。8部雷達的地物抑制能力變化情況可得出2016年1—3月8部雷達地物抑制能力滿足指標要求，其中徐州、安慶、銅陵3部雷達穩(wěn)定性較好且指標合格率高，常州、柳州、萬州3部雷達地物抑制能力穩(wěn)定性次之。

統(tǒng)計分析8部雷達的噪聲系數(shù)變化可知，8部雷達機內(nèi)噪聲系數(shù)在3個月內(nèi)均滿足指標要求(小于4 dB)，且穩(wěn)定性較好(平均變化幅度小于1 dB)。

1.3.2 SC/CD雷達

由于綿陽(SC)、畢節(jié)(CD)2部雷達在業(yè)務檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對成都等6部SC/CD雷達進行了相關分析。圖2是2016年5月對6部雷達機內(nèi)發(fā)射機功率值的分析，表明樂山雷達機內(nèi)發(fā)射機功率均為0，銅仁雷達機內(nèi)發(fā)射機功率有跳變，原因為機內(nèi)發(fā)射機功率測量裝置出現(xiàn)故障或運行不穩(wěn)定，導致相關時間段無法獲取功率測量值；其余4部雷達發(fā)射機功率值隨時間基本無變化，但機外多次功率測試數(shù)據(jù)表明，發(fā)射機功率應該是處于波動狀態(tài)，所以機內(nèi)功率記錄值與實際值有偏差，這種情況會導致雷達標定誤差[6]。

圖2 貴陽等6部SC/CD雷達機內(nèi)發(fā)射機輸出功率變化

1.3.3 CB雷達

由于綿陽和漢中雷達在業(yè)務檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對大同等4部雷達的性能穩(wěn)定性進行了分析。圖3為2015-12-27—2015-03-18 4部雷達發(fā)射機輸出功率變化情況，PS分別為：99.1%、98.9%、56.9%、9.3%，標準偏差依次為：21.1 kW、11.9 kW、12.0 kW、73.3 kW，大同和榆林雷達功率波動變化超過了0.3 dB(約18 kW)的指標要求，榆林雷達發(fā)射機功率最大波動時段出現(xiàn)在更換速調(diào)管附近時段和發(fā)射機發(fā)生故障時段，波動范圍可達50～350 kW。由于相參信號相噪不穩(wěn)定導致大同等4部雷達地物抑制能力超限且變化幅度大、不穩(wěn)定，地物抑制比標準差最大達14.3 dB(圖4)。圖5表明4部雷達噪聲系數(shù)比較穩(wěn)定，運行期間基本符合小于等于4 dB的指標要求。

圖3 西安等4部CB雷達發(fā)射機輸出功率變化

圖4 西安等4部CB雷達地物抑制能力變化

圖5 西安等4部CB雷達噪聲系數(shù)變化

1.3.4 CC雷達

由于齊齊哈爾和白山雷達在業(yè)務檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對麗江等2部雷達的性能穩(wěn)定性進行了分析。以2016年5月2部雷達機內(nèi)發(fā)射機功率值變化情況為例，可以看出，2部雷達均存在機內(nèi)測試功率值跳變?yōu)?的異常情況，分析原因為機內(nèi)發(fā)射機功率測量裝置運行不穩(wěn)定，導致相關時間段無法獲取功率測量值。剔除跳變?yōu)?(麗江雷達22個時次，德宏雷達50個時次)的異常數(shù)據(jù)后，2部CC雷達的機內(nèi)發(fā)射機功率標準偏差分別為9.2 kW、4.4 kW，滿足功率波動變化小于0.3 dB(約18 kW)的要求，同時德宏雷達發(fā)射功率在評估時間段均滿足大于250 kW的指標要求，但是麗江雷達部分時段(約占19.4%)低于指標運行，即運行期間發(fā)射功率PS為80.6%，說明該雷達發(fā)射機性能不穩(wěn)定。

2 存在的主要問題

2.1 雷達關鍵器件性能退化、不穩(wěn)定，指標合格率偏低

6種型號雷達性能變化與運行年限明顯相關，各型號雷達，尤其是SC/CB平均指標合格率偏低，表明雷達硬件存在不同程度性能退化的情況。發(fā)射機在冷、熱兩種狀態(tài)下功率相差較大，速調(diào)管T5普遍存在較嚴重雜散干擾、輸出功率不穩(wěn)定、指標不合格等問題，而且SC/CC/CD速調(diào)管平均使用壽命偏低，在更換速調(diào)管時間段附近和發(fā)射機發(fā)生故障時段，峰值功率往往會出現(xiàn)大的波動，部分型號雷達T3存在底噪干擾與跳動，合格率低。發(fā)射機功率測量誤差大、機內(nèi)和機外測量值差別大，存在跳變甚至無法獲取功率測量值(跳變?yōu)?)或功率值根本不變化、SYSCAL值出現(xiàn)大幅跳變?yōu)槠娈悢?shù)據(jù)等現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要由發(fā)射機功率等參數(shù)的測量裝置準確度和穩(wěn)定性不高引起，從而影響在線標定準確度。CC、CD雷達天伺系統(tǒng)和SC雷達接收系統(tǒng)均需要重點進行性能恢復。各型號雷達匯流環(huán)的維護工作費時費力，而且頻繁更換匯流環(huán)可能是導致SE1/SE2合格率偏低的原因之一。

2.2 雷達性能在線監(jiān)測參數(shù)少，自動分析能力不足

27部雷達中相位噪聲、動態(tài)范圍等14項關鍵指標參數(shù)現(xiàn)場測試合格率偏低，但由于各型號雷達在線監(jiān)測參數(shù)較少，尤其是SC/CC/CD雷達，多種關鍵參數(shù)只能通過現(xiàn)場采用機外儀表測試的方式進行檢查，無法實時獲取數(shù)據(jù)且部分型號能夠在線監(jiān)測的個別參數(shù)值未能真實反映雷達當前狀態(tài)。目前在網(wǎng)運行的雷達缺少在線評估雷達性能的能力且標定不夠準確，運行不夠穩(wěn)定，不能及時檢查發(fā)現(xiàn)關鍵性能變化及超限預警，導致無法實時動態(tài)掌握各型號雷達運行狀態(tài)和整體性能的變化，從而難以查明雷達性能不穩(wěn)定、產(chǎn)品拼圖質(zhì)量下降的原因。

2.3 雷達自標定功能不完備

SA/SB/CB型號雷達的定標體系相對完備，基本滿足業(yè)務需求，CC/SC/CD型號雷達的定標體系則相對簡單。部分型號雷達不具備回波強度在線標定功能，以及地雜波抑制能力、接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)、標定通道關鍵參數(shù)等在線檢查功能，因而無法根據(jù)雷達性能參數(shù)變化實時校正測量誤差，以確保反射率因子測量準確度，導致系統(tǒng)參數(shù)S3指標合格率偏低。雷達系統(tǒng)參數(shù)S1合格率和穩(wěn)定性普遍不高，需改進標定技術降低雷達系統(tǒng)相位噪聲，提高地物抑制能力，以便更好地對速度產(chǎn)品分析和質(zhì)量控制。此外，部分雷達標定方法不統(tǒng)一、操作復雜，如太陽法標定，功能不穩(wěn)定、檢測成功率低、誤差大。

3 主要對策分析

文章針對業(yè)務雷達設備端存在的問題，為提高雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量，應對新一代天氣雷達進行全面技術升級，提出以下3方面要求。

3.1 提升雷達關鍵器件技術標準

參考先進國家氣象雷達相關技術指標，與此同時兼顧國內(nèi)相關器件技術成熟度，文章提出了雷達關鍵器件主要技術指標，如表1所示。從而提高雷達的探測性能和雷達可靠性，降低了雷達的使用成本，同時也降低了雷達的故障率。如接收機應增加Burst混頻標定通道，增加相位編碼技術，可提升雷達系統(tǒng)地物抑制能力和相位噪聲指標。

表1 各型號雷達關鍵器件性能要求

3.2 統(tǒng)一雷達監(jiān)測和定標體系

雷達定標和監(jiān)測體系技術標準主要包括在線監(jiān)測參數(shù)、測試信號、定時與實時定標技術方法和流程等。各型號雷達在線自動測試參數(shù)建議統(tǒng)一為靜態(tài)參數(shù)、運行模式、運行環(huán)境參數(shù)、在線定時標定參數(shù)和在線實時標定參數(shù)等5類[7，8]，CC/SC/CD應增加相位噪聲、噪聲系數(shù)和雜波抑制參數(shù)在線測試以及速度在線檢查等功能，形成完善的雷達定標體系，提高組網(wǎng)雷達觀測資料均一性。

3.3 提升雷達新技術應用能力

各型號雷達應增加統(tǒng)一的性能分析算法，在線分析雷達性能，動態(tài)掌握雷達性能變化，便于降低指標不合格率。應用雷達地基有源標定技術，解決現(xiàn)有業(yè)務雷達無法驗證系統(tǒng)參數(shù)真實性、無法對雷達天線等參數(shù)現(xiàn)場進行精確測量、缺少組網(wǎng)雷達公共標定源、缺少雙偏振雷達全鏈路標定手段等影響觀測準確度的主要問題。在現(xiàn)有業(yè)務雷達上試驗并應用雷達精細化探測技術[9]，在一定程度上提升了S波段新一代天氣雷達對中小尺度天氣過程的探測能力，因此升級現(xiàn)有業(yè)務雷達部分硬件和軟件，以最小升級成本，實現(xiàn)其在時效性、精細化和個體化探測方面能力的顯著提升。

4 結束語

文章通過分析現(xiàn)有業(yè)務雷達各項技術性能，指出了設備端存在的問題，進而有針對性地給出了雷達升級的主要方向。

1)27部抽樣雷達14個關鍵參數(shù)指標合格率偏低，6種型號現(xiàn)場測試平均指標合格率依次為：78.57%、71.43%、39.29%、37.14%、67.86%和55.36%。6種型號雷達業(yè)務運行性能下降或不穩(wěn)定，雷達整體性能差異相對明顯，而設備端問題主要由雷達關鍵器件性能退化、在線監(jiān)測分析能力不足及標定體系不完善等原因造成。

2)根據(jù)文章分析結果，應盡快完成雷達端設備技術升級，尤其是運行年限超過10 a的雷達，升級內(nèi)容主要應為提升雷達關鍵器件性能、統(tǒng)一監(jiān)測和定標體系、提升雷達新技術應用能力等3方面，目前大規(guī)模的升級工作已經(jīng)啟動。同時應加強地基有源全鏈路標定、性能分析等新技術的研發(fā)和應用，以整體提升雷達現(xiàn)代化技術水平，從根本上逐步解決各型號雷達間性能和觀測資料差異偏大等問題。