機(jī)外儀表在天氣雷達(dá)年維護(hù)中的應(yīng)用

周嘉健，徐黃飛，呂玉嫦，鄒慶彪，湯晶晶，劉艷中

(廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣州 510080)

0 引言

目前中國雙偏振天氣雷達(dá)主要有S、C和X波段，不同波段的天氣雷達(dá)在探測性能方面有所不同，表現(xiàn)在空間分辨率、時間分辨率、對強(qiáng)回波的衰減等方面。截至2018年底，廣東省已建立11部S波段雙偏振天氣雷達(dá)，在對強(qiáng)對流、臺風(fēng)、強(qiáng)降水等天氣過程的監(jiān)測和短時臨近預(yù)報預(yù)警方面發(fā)揮重要的作用[1]。

為保證雷達(dá)的正常運(yùn)行，廣東省在汛期后開展雷達(dá)年維護(hù)工作，對雷達(dá)不同系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行測量，調(diào)整參數(shù)保持正常狀態(tài)，以保證雷達(dá)的正常運(yùn)行。

雷達(dá)年維護(hù)工作分為機(jī)外和機(jī)內(nèi)測量。臺站人員對機(jī)內(nèi)測量的步驟方法及對機(jī)外儀表測量中功率計(jì)和示波器的使用都較為熟練，但對頻譜儀和信號源的操作機(jī)會較少，因此文章對雷達(dá)年維護(hù)過程中所使用的機(jī)外測量儀表進(jìn)行總結(jié)概括，并給出頻譜儀和信號源測量相關(guān)性能參數(shù)時的步驟和說明，為臺站人員在使用頻譜儀和信號源做測試時提供參考。

1 儀表型號與功能

1.1 頻譜儀

目前在用的頻譜儀的型號為安捷倫E4445A型。頻譜儀是研究電信號頻率結(jié)構(gòu)的儀器，可用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，同時也可以用于測量放大器和濾波等電路系統(tǒng)的性能參數(shù)。在天氣雷達(dá)維護(hù)工作中，頻譜儀主要測試項(xiàng)目有發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子、發(fā)射機(jī)輸入極限改善因子、發(fā)射脈沖射頻頻譜以及機(jī)外噪聲系數(shù)。

1.2 信號源

信號源(信號發(fā)生器)的型號為安捷倫E4428C型。在許多電路實(shí)驗(yàn)中，常常需要為實(shí)驗(yàn)電路提供1個輸入信號來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電路是否符合設(shè)計(jì)要求，或者用于了解實(shí)驗(yàn)電路的功能特性。因此信號源可提供頻率和幅度可調(diào)的正弦波、三角波、鋸齒波、方波等各種標(biāo)準(zhǔn)波形的電子儀器。在天氣雷達(dá)維護(hù)工作中，信號源在測試機(jī)外動態(tài)范圍、反射率定標(biāo)和機(jī)外速度測量時提供穩(wěn)定輸出信號。

2 雷達(dá)年維護(hù)機(jī)外測試項(xiàng)目

在天氣雷達(dá)維護(hù)工作中，頻譜儀主要測試發(fā)射機(jī)的輸入極限改善因子、輸出極限改善因子、發(fā)射脈沖射頻頻譜以及機(jī)外的噪聲系數(shù)；信號源在測試機(jī)外動態(tài)范圍、反射率定標(biāo)和機(jī)外速度測量時提供穩(wěn)定輸出信號。

2.1 發(fā)射機(jī)輸入/輸出極限改善因子

用頻譜儀檢測信號功率譜密度分布，從中求取信號和相噪的功率譜密度比值(S/N)，根據(jù)信號的重復(fù)頻率(F)，譜分析帶寬(B)，計(jì)算出極限改善因子(I)，公式為[2，3]：

(1)

式中，I為極限改善因子(dB)；S/N為信號噪聲比(dB)；B為頻譜儀分析帶寬(Hz)；F為發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(Hz)。

測量指標(biāo)要求發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子應(yīng)優(yōu)于52 dB，發(fā)射機(jī)輸入極限改善因子應(yīng)優(yōu)于55 dB[4，5]。

2.2 發(fā)射脈沖射頻頻譜

發(fā)射脈沖射頻頻譜的指標(biāo)要求是-40 dB處譜寬不大于7.26 MHz，-50 dB處譜寬不大于12.92 MHz，-60 dB處譜寬不大于22.94 MHz。

2.3 機(jī)外噪聲系數(shù)

機(jī)外噪聲系數(shù)的測量流程如圖1所示。

圖1 機(jī)外噪聲系數(shù)的測量與頻譜儀設(shè)置流程

圖1中①表示機(jī)外測量噪聲系數(shù)時的連接方式。噪聲源由頻譜儀供電，使用BNC電纜連接頻譜儀背面的+28 V供電口和噪聲源，噪聲源連接低噪聲放大器輸入端。②表示頻譜儀的設(shè)置流程。依次選擇頻譜儀的MODE→Noise Figure→Monitor Spectrum→Source，進(jìn)入機(jī)外噪聲源的供電控制界面。按下Source右側(cè)實(shí)體鍵可切換是否給噪聲源供電，off為冷態(tài)，on為熱態(tài)。在RDASOT中選擇噪聲系數(shù)，并勾選機(jī)外，先進(jìn)行冷態(tài)測量，再進(jìn)行熱態(tài)測量。

2.4 信號源的機(jī)外標(biāo)定應(yīng)用

利用信號源模擬輸出信號進(jìn)入雷達(dá)接收鏈路，進(jìn)行動態(tài)范圍測量、反射率定標(biāo)以及速度測量的連接方式都是一致的，因此測量流程和信號源的設(shè)置流程如圖2所示。

圖2 動態(tài)范圍測量、反射率定標(biāo)以及速度測量與信號源設(shè)置流程

圖2中①是利用網(wǎng)線將信號源與RDA計(jì)算機(jī)連接起來，②是利用SMA測試線將信號源接入低噪聲放大器輸入端(H/V通道)，③是信號源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，依次選擇Utility→GPIB/RS-232→LAN Setup→IP Adress，設(shè)置IP地址、子掩碼和網(wǎng)關(guān)，最后需要重啟信號源。在RDASOT中的參數(shù)設(shè)置里需要勾選信號源控制，并設(shè)置電纜損耗，該損耗為SMA線的損耗。

2.4.1 機(jī)外動態(tài)特性測試

在RDASOT中進(jìn)入“動態(tài)范圍”模塊，選擇“機(jī)外”，然后點(diǎn)擊“自動測試”，則計(jì)算機(jī)控制信號源自動完成機(jī)外動態(tài)的測試，測量指標(biāo)需求動態(tài)范圍要大于95。

2.4.2 機(jī)外反射率標(biāo)定

反射率標(biāo)定流程如圖3所示。圖3中①是將功率計(jì)接入無源限幅器的輸出端，②是在①完成后通過RDASOT的軟件示波器模塊發(fā)射信號獲取低噪聲放大器的注入功率，③是通過RDASOT的反射率標(biāo)定模塊進(jìn)行機(jī)外反射率標(biāo)定，②中測量的低噪聲放大器注入功率依次衰減-30 dBm、-40 dBm、-50 dBm、-60 dBm、-70 dBm、-80 dBm，測量6次。測量指標(biāo)要求反射率測量值與注入信號計(jì)算回波強(qiáng)度值(期望值)的最大差值應(yīng)在±1 dB范圍內(nèi)。

圖3 反射率標(biāo)定流程

2.4.3 機(jī)外速度測量檢驗(yàn)

速度測量流程如圖4所示。

圖4 速度測量流程

圖4中①是設(shè)置信號源頻率和輸出功率，②通過RDASOT的軟件示波器模塊依次設(shè)置后點(diǎn)擊開始，③是通過改變信號源頻率找出0速度點(diǎn)。

0速度點(diǎn)的查找方式為先在“軟件示波器”界面中DPRF設(shè)置為4∶3雙重頻模式，再從信號源頻率的“百位”上改頻率，按下頻率鍵，移動左右箭頭，將光標(biāo)移動到“百位”上粗調(diào)，在“十位”和“個位”上細(xì)調(diào)。在“軟件示波器”界面中DPRF設(shè)置為NONE單重頻模式，檢查所示速度是否也為0點(diǎn)，如不是，則繼續(xù)按照百位、十位、個位的順序依次調(diào)整。只有DPRF雙重頻和單重頻兩種模式下速度均為0時才是真正的0值點(diǎn)。測量指標(biāo)要求測量值與理論計(jì)算值差值小于1 m/s。而理論計(jì)算公式為：

V=λ×fd/2

(2)

式中，λ是雷達(dá)波長；fd為多普勒頻移。

3 結(jié)束語

文章主要介紹了如何利用頻譜儀和信號源對天氣雷達(dá)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行機(jī)外測量，并給出了發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子、發(fā)射機(jī)輸入極限改善因子、發(fā)射脈沖射頻頻譜、機(jī)外噪聲系數(shù)、機(jī)外動態(tài)范圍、反射率定標(biāo)和機(jī)外速度測量各項(xiàng)測量項(xiàng)目的測量流程和步驟。以期為臺站人員提供機(jī)外儀表測試參考。