X波段雙極化相控陣天氣雷達金屬球定標技術

雷衛(wèi)延，路永平，王明輝，周嘉健，甘泉

（1.惠州市氣象局，廣東惠州 516003；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

目前粵港澳大灣區(qū)已建成由25部X波段雙極化相控陣天氣雷達組成的災害性天氣精細化監(jiān)測網(wǎng)，時空分辨率分別達到1 min和30 m，可有效彌補S波段天氣雷達對局地中小尺度強對流天氣監(jiān)測的不足，在防御暴雨、雷雨大風、冰雹等發(fā)揮了積極作用，為防災減災爭取了更多的時間。但目前對X波段雙極化相控陣雷達尚未健全定標技術規(guī)范，偏振量數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保障，因此迫切需要開展相控陣雷達定標試驗，研究能滿足業(yè)務要求的定標技術，盡早投入業(yè)務使用，發(fā)揮雷達效益最大化。國外研究人員Sachidananda等［1］于1985年提出Zdr測量精度不應低于0.2 dB，理想精度最好是0.1 dB；Ryzhkov等［2］于2005年的研究結果表明，0.2 dB的Zdr偏差將導致雷達利用Zdr進行降水估測產(chǎn)生18%的誤差，高精度探測是成功實現(xiàn)雙極化雷達氣象應用的前提；李斐斐等［3］、胡東明等［4］研究分析了雙線偏振天氣雷達雙通道一致性測試及標校方法；劉黎平等［5］、汪旭東等［6］、程張凡等［7］對X波段相控陣天氣雷達測試定標方法開展了一定研究；李兆明等［8］對使用金屬球定標X波段固態(tài)天氣雷達開展研究，取得初步結論。

目前國內(nèi)外雙極化雷達定標方法主要有太陽法、金屬球法、小雨法、信號源法等，業(yè)務中使用的S波段雙極化雷達具有完善的自動定標系統(tǒng)和技術規(guī)范［9-10］，由于X波段雙極化相控陣天氣雷達近幾年才投入使用，相對而言國內(nèi)外對其定標研究文獻較少，本研究利用無人機懸掛金屬球開展雙通道強度一致性定標研究，試驗結果表明：使用無人機懸掛金屬球定標方法切實可行，能夠滿足技術規(guī)范要求。

1 金屬球定標原理

雷達定標用的金屬球（圖1）對電磁波的散射是向空間各個方向傳播，后向散射截面與波長的關系是已知的，其半徑大小的選取與雷達波長有關，使后向散射位于幾何光學散射區(qū)域，即后向散射截面僅取決于金屬球半徑［6］。

圖1 雷達定標用金屬球

根據(jù)天氣雷達方程，對于已知雷達目標，回波強度可采用公式（1）計算。其中，Pr為回波信號功率（W）；Pt為雷達發(fā)射脈沖功率（W）；R為回波距離（m）；λ為雷達工作波長（m）；G為天線增益；Gr為接收通道增益；σ為目標的雷達反射截面積RCS（m2）。金屬球作為探測目標引起的差分反射率Zdr理論上為零值，因此使用金屬球定標雷達實測Zdr值，即為雷達差分反射率系統(tǒng)誤差，檢驗系統(tǒng)誤差是否滿足＜0.2 dB的指標要求。如果超出指標范圍，利用參數(shù)訂正使雷達Zdr小于0.2 dB，實現(xiàn)雷達從發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)處理等全鏈路的系統(tǒng)定標，確保雷達觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 無人機飛行軌跡設計

相控陣雷達的主瓣方向即3 dB波束寬度在垂直剖面上對應一個橢圓區(qū)域，借助無人機上的定位設備，通過控制無人機使所攜帶的金屬球大致處于上述橢圓區(qū)域，由于雷達的目標定位和無人機的位置定位有一定的誤差［11］，需要移動金屬球掃描一段區(qū)域，雷達觀測到金屬球反射信號的最大值時金屬球所在的位置［12］，即剛好處于雷達主瓣方向，并以該位置作為基準點設計無人機飛行軌跡，如圖2所示。

圖2 無人機金屬球定標示意圖

雷達定標使用寬度為1μs的雷達短脈沖，考慮到雷達觀測盲區(qū)約為200 m，定標時應避開雷達盲區(qū)，標定時金屬球距雷達天線選擇300 m左右為宜。當雷達發(fā)射波束衰減25 dB時，主瓣寬度為±2°，第一旁瓣寬度為±2.6°，利用三角關系計算得到第一旁瓣距離雷達法線約13.6 m。為減少無人機對定標的影響，利用20 m的系留細繩懸掛金屬球，使無人機遠離雷達第一旁瓣，此時無人機的影響可以忽略不計。無人機帶動金屬球以基準點為中心在12 m×12 m正方形范圍內(nèi)呈方波運動，以5個等間距運動為一個循環(huán)，最后一次上升到頂部后不做水平移動，原路下降重新回到最左面第一個起點位置，以此類推每個運動周期約90 s，金屬球運動軌跡示意圖如圖3所示。

圖3 金屬球運動軌跡

3 定標實施方案

選擇無風或小風的天氣開展金屬球定標，以減少金屬球劇烈運動對定標的影響。按照雷達正常業(yè)務觀測模式，按照第2章無人機飛行軌跡策略，每個體掃周期90 s雷達共采樣7 200個點，每個采樣點包含32個脈沖累計。

雷達水平和垂直收發(fā)通道的阻抗均為固定值，因此回波功率可以通過電壓信號來反算，二者一一對應，成正比關系。如圖4所示，縱坐標代表電壓信號，橫坐標代表采用點數(shù)，當金屬球做垂直運動時，上升和下降會穿過雷達主波束中心，電壓信號先增加后減小，產(chǎn)生①、③、⑤、⑦峰值功率極大值；圖形中兩個方波的寬度代表金屬球在兩個垂直運動之間的平移，由于遠離主波束中心此時產(chǎn)生②、④、⑥功率極小值；最后一個上升和下降是原路徑，無水平移動，所以兩個峰值⑨、○1間距較近。

圖4 實測電壓信號最大值曲線

當金屬球經(jīng)過雷達主波束中心時，電壓大于特定閾值0.05 V為有效數(shù)據(jù)，分別計算水平和垂直通道所有有效數(shù)據(jù)的平均值，以此計算差分反射率Zdr。針對水平和垂直回波信號功率計算公式（1），回波距離可以通過無人機的定位系統(tǒng)計算出來，綜合考慮雷達盲區(qū)和無人機承載因素，金屬球到雷達天線陣面中心的距離應大于200 m，但又不易太遠；雷達的工作波長、天線增益在出廠前已經(jīng)過測試，為已知量；雷達觀測目標金屬球直徑選定為13.8 cm，金屬球的RCS與極化方式無關，可采用公式（2）計算。其中，r為金屬球的半徑（m）。由此計算得知定標用的金屬球的RCS為0.015 m2。

4 定標過程

2020年1—10月在廣州多次開展金屬球定標試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 金屬球定標試驗結果 dB

定標方法：首先不升空金屬球，雷達依次選定0°、5°、10°、15°仰角對空氣進行360°掃描，測試周圍環(huán)境噪聲和地物雜波情況；其次選擇不受外界干擾的方向，按照無人機預先設定飛行策略，金屬球距雷達天線約300 m的位置，依次對不同仰角開展定標。如表1所示，在1—10月開展的多次定標過程中花都、帽峰山、南海3部雷達在仰角為0°方向上存在遮擋，數(shù)據(jù)跳躍比較大，定標數(shù)據(jù)不可信；而花都、帽峰山、南海、番禺4部雷達在仰角為5°、10°、15°方向上無外界干擾，Zdr平均值均表現(xiàn)穩(wěn)定，波動范圍＜0.2 dB，標準差均滿足＜0.1指標要求。

根據(jù)表1可知番禺雷達10°仰角Zdr平均值為-0.308 8 dB，超出＜0.2 dB的指標要求。一次雷達金屬定標過程如下，修正前Zdr值偏差為-0.54 dB，分布如圖5a所示；經(jīng)過參數(shù)修正再次進行定標Zdr值偏差為-0.072 dB，分布如圖5b所示，表明通過金屬球定標法能夠使雷達Zdr指標滿足業(yè)務規(guī)范要求。

圖5 修正前（a）和修正后（b）Zdr概率分布

5 結論

通過開展X波段雙極化相控陣天氣雷達金屬球定標試驗，對天線、發(fā)射通道、接收通道、數(shù)據(jù)處理等全鏈路一致性進行測試分析，對不同的仰角進行定標，對超出指標要求的仰角進行修正，得到如下結論：

1）開展金屬球定標時，應選擇無風或小風的天氣進行，每個仰角均應選擇無環(huán)境噪聲和地物雜波干擾的方位作為測試方向。

2）對廣州4部雷達現(xiàn)場定標試驗進行分析，0°仰角容易受到地物干擾，數(shù)據(jù)波動大，定標結果不符合要求，金屬球定標存在一定的弊端。對5°、10°、15°等仰角開展金屬球定標，Zdr標準差均小于0.1 dB，波動范圍均小于0.2 dB，表明定標結論可信，超出指標的仰角經(jīng)過參數(shù)修正，Zdr平均值均能滿足＜0.2 dB的指標要求。

從定標結果來看，絕大多數(shù)雷達定標結果都能滿足指標要求，僅個別雷達的某個仰角超出誤差范圍，建議每年開展一次金屬球定標業(yè)務。