吳 翀劉黎平汪旭東范 輝劉 琦

1）（中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京100081）

2）（成都信息工程學(xué)院，成都610225）

3）（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044）4）（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥230088）

相控陣?yán)走_(dá)掃描方式對回波強度測量的影響

吳 翀1）2）劉黎平1）3）*汪旭東4）范 輝4）劉 琦4）

1）（中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京100081）

2）（成都信息工程學(xué)院，成都610225）

3）（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044）4）（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥230088）

有源數(shù)字陣列雷達(dá)的波束設(shè)計非常靈活，可變的波束寬度和多波束模式不僅可以滿足不同任務(wù)的觀測需求，還可有效節(jié)約掃描時間，但陣列天線參數(shù)隨波位改變的特性對相控陣天氣雷達(dá)回波強度的精確定標(biāo)提出了挑戰(zhàn)。2013年4—6月，中國氣象科學(xué)研究院與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司聯(lián)合研發(fā)的X波段一維有源相控陣天氣雷達(dá)（X-PAR）進(jìn)行了裝配后的首次測試觀測。對比該雷達(dá)與相同位置的C波段雙線偏振雷達(dá)（C-POL）觀測資料發(fā)現(xiàn)，X-PAR不同寬度的掃描波束均能取得較合理的觀測資料。但由于各模式的雷達(dá)方程及其標(biāo)定方法不盡相同，并受到陣列天線照射體積、展寬波束和發(fā)射增益的影響，造成X-PAR回波強度存在一定的測量偏差。結(jié)合天線參數(shù)分析和實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計將測量偏差訂正至±1 dB內(nèi)，為雷達(dá)的進(jìn)一步調(diào)試和改進(jìn)提供了依據(jù)。

相控陣天氣雷達(dá)；回波強度；定量測量

引 言

目前，常規(guī)天氣雷達(dá)受機(jī)械伺服系統(tǒng)、脈沖累積數(shù)目的限制［1-2］，其掃描時間和資料精細(xì)程度均難以顯著提高。當(dāng)相控陣體制運用于天氣雷達(dá)后，可使用寬波束發(fā)射多波束同時接收的掃描方式提升觀測效率，并通過“電掃描”的方式快速靈活地控制多波束的產(chǎn)生和移動，大大增強了氣象信息的獲取能力，因此相控陣體制是今后天氣雷達(dá)發(fā)展的重要方向之一［3-4］。自2002年起，美國海洋大氣局（NOAA）的強風(fēng)暴實驗室（NSSL）先后獲得了一部S波段相控陣天氣雷達(dá)（NWRT-PAR）和一部X波段車載相控陣天氣雷達(dá)（MWR-05XP），并在大量的試驗基礎(chǔ)上討論了相控陣技術(shù)在雙極化方向的技術(shù)可行性及下一代天氣雷達(dá)的性能方案［5-6］。其中，NWRT-PAR由一大型軍用二維相控陣?yán)走_(dá)改造而來，加裝機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)后構(gòu)成固定的相控陣技術(shù)試驗站［7-9］。而MWR-05XP則是NSSL針對強對流過程專門研發(fā)的車載雷達(dá)，不僅可完成常規(guī)雷達(dá)的體掃（VPPI），還可由不同方位角RHI組成VRHI形式的掃描數(shù)據(jù)，兩種掃描模式下獲取360°方位角的觀測資料用時僅需40～62 s，75 m的距離分辨率覆蓋1°～55°仰角（31層），該雷達(dá)已在VOTEX2試驗中采集了大量資料［10-14］。我國也開展了相控陣技術(shù)在天氣雷達(dá)領(lǐng)域的相關(guān)研究，在軍用雷達(dá)的基礎(chǔ)上分別改造出了一部S波段車載和一部X波段機(jī)載相控陣天氣雷達(dá)，研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)［15-17］。

雖然相控陣技術(shù)能夠使天氣雷達(dá)高效獲取氣象信息，但受陣列天線結(jié)構(gòu)影響，雷達(dá)波束寬度、天線的發(fā)射增益（簡稱發(fā)射增益）、天線的接收增益（簡稱接收增益）等系統(tǒng)參數(shù)均會隨掃描角的波束指向（簡稱波位）遠(yuǎn)離陣面法向而惡化［18-19］，造成了其在標(biāo)定過程中與常規(guī)體制天氣雷達(dá)方法［20］的差異。相控陣天氣雷達(dá)大多由軍用警戒搜索雷達(dá)改造而來，其初始設(shè)計并未用于精細(xì)氣象目標(biāo)探測，較高的副瓣和較寬的波束均會影響資料質(zhì)量。Zhang等［21］在分析觀測資料NWRT-PAR時發(fā)現(xiàn)，天線副瓣將引入一定的地物雜波，需進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量控制。對于我國S波段一維相控陣天氣雷達(dá)，張志強等［22］和吳翀等［23］發(fā)現(xiàn)該雷達(dá)的寬波束對回波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的平滑，與多普勒天氣雷達(dá)相比回波結(jié)構(gòu)存在一定差異。對于X波段機(jī)載二維相控陣天氣雷達(dá)，該雷達(dá)同樣存在因過寬波束導(dǎo)致的平滑效應(yīng)，二維平面陣體制使不同方位的平滑作用也不同，在陣面邊緣的平滑作用遠(yuǎn)高于法向，難以獲取較常規(guī)天氣雷達(dá)精細(xì)的觀測資料①Wu Chong，Liu Liping.Comparison of the observation capability of an X-band phased-array radar with and X-band Dopplar radar an S-band operational radar.Adv Atmos Sci，to be published.。

2009年，中國氣象科學(xué)研究院與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司合作研發(fā)了車載X波段相控陣天氣雷達(dá)。該雷達(dá)采用一維有源相控陣天線，掃描模式和用途與NSSL的MWR-05XP類似，均用于強對流天氣過程的數(shù)據(jù)采集。與常規(guī)多普勒天氣雷達(dá)相比，其觀測資料的分辨率更高，并在使用4°展寬波束及賦形波束（0°～20°）的觀測模式中實現(xiàn)了多個通道同時接收的技術(shù)，掃描效率得以成倍提升，能夠大幅減少高分辨率觀測資料的獲取時間。2013年4—6月，X-PAR在完成裝配后進(jìn)行了首次測試觀測，以檢驗并調(diào)試?yán)走_(dá)系統(tǒng)。本文將X-PAR測試過程中不同模式的觀測數(shù)據(jù)與相同位置的C-POL對比，結(jié)合雷達(dá)設(shè)計參數(shù)和定標(biāo)方法分析了回波強度測量偏差的產(chǎn)生原因并進(jìn)行初步訂正，為雷達(dá)的進(jìn)一步調(diào)試和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 X-PAR性能及工作參數(shù)

中國氣象科學(xué)研究院與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司合作研發(fā)的X波段相控陣天氣雷達(dá)是我國今后天氣雷達(dá)體制研究及試驗的驗證系統(tǒng)，使用了由128根波導(dǎo)組成的裂縫平面陣列天線、全數(shù)字T／R組件、數(shù)字波束形成（DBF）、直接數(shù)字合成（DDS）、數(shù)字脈沖壓縮等先進(jìn)技術(shù)，性能較常規(guī)天氣雷達(dá)有較大提升。該雷達(dá)發(fā)射功率為1 k W，使用33μs脈沖壓縮，探測范圍為70 km，距離分辨率為37.5 m。在垂直方向，雷達(dá)陣面的預(yù)仰角固定為10°，通過DBF系統(tǒng)控制8個數(shù)字陣列模塊（DAM）內(nèi)的128個有源T／R組件產(chǎn)生不同寬度和指向的波束，在每個方位進(jìn)行RHI方式的垂直掃描，并由水平方向上的機(jī)械伺服系統(tǒng)控制雷達(dá)的掃描周期，得到VRHI方式的掃描數(shù)據(jù)②劉紹平，吳翀，汪旭東，等.X波段相控陣天氣雷達(dá)對流過程外場試驗及初步結(jié)果分析.大氣科學(xué)，待發(fā)表.。目前，X-PAR在系統(tǒng)驗證和初步調(diào)試過程中使用了3種掃描模式，即精細(xì)測量（fine mode，簡稱為FM）、警戒搜索（guard mode，簡稱為GM）、快速觀測（quick mode，簡稱為 QM），3種模式下的基本工作參數(shù)見表1。

X-PAR工作時，首先由校正網(wǎng)絡(luò)對各通道的幅相一致性進(jìn)行訂正，將幅度精度控制在0.3 dB、相位精度控制在0.5°以內(nèi)。隨后DBF系統(tǒng)控制DAM內(nèi)的DDS參數(shù)，由其內(nèi)部的FPGA產(chǎn)生高精度的中頻信號。DDS輸出的發(fā)射波形經(jīng)一本振和二本振兩次上變頻和放大后送達(dá)天線的輸入端，裂縫波導(dǎo)線陣將射頻信號輻射到空間中形成雷達(dá)所需要的發(fā)射波束。在接收過程中，天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大后由一本振、二本振下變頻到中頻信號，送至數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行AD采樣和數(shù)字下變頻處理，該過程均在陣面的DAM內(nèi)完成。隨后，高速光纖將處理得到的基帶數(shù)據(jù)由陣面送至后端，由DBF完成128個陣元的波束加權(quán)合成后進(jìn)行數(shù)字脈沖壓縮處理。對于處理后的基帶信號，信號處理系統(tǒng)將使用4 MHz對其采樣，并由DVIP及FFT處理計算得到回波強度、徑向速度、速度譜寬等基數(shù)據(jù)。

表1 X-PAR 3種模式工作參數(shù)及波束特性Table 1 Parameters and beam patterns of X-PAR（FM／QM／GM）

在X-PAR的測試過程中，雷達(dá)回波強度的標(biāo)定與計算均使用式（1）的氣象雷達(dá)方程［24］，其中增加了脈壓得益Gp來衡量脈沖壓縮體制對雷達(dá)性能改善

由于X-PAR 3種模式下的收發(fā)波束存在差異（圖1），發(fā)射增益Gtv、接收增益Grv、垂直波束寬度φv均與波束與陣面夾角相關(guān)。設(shè)法向處的發(fā)射波束和接收波束的寬度分別為φt0，φr0，其俯仰角分別為αt，αr，與陣面法向夾角分別為vt，vr，雷達(dá)法向處的收發(fā)增益分別為Gr0，Gt0。在雷達(dá)工作中，終端軟件根據(jù)表1給出的X-PAR參數(shù)值，將對應(yīng)模式和波位下的參數(shù)Gr0，Gt0，φv分別代入式（1），再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)功率及距離即可計算出X-PAR對當(dāng)前氣象目標(biāo)的回波強度Z值。

圖1 X-PAR波位分布圖（a）精細(xì)測量，（b）警戒搜索，（c）快速觀測Fig.1 Beam distribution of X-PAR（a）FM，（b）GM，（c）QM

由3種模式的參數(shù)對比可以看出，在精細(xì)測量模式下X-PAR使用單波束順序掃描40°的三維空間，能夠得到最精細(xì)的觀測資料，耗時也最長，這將對不同方位角的時間一致性產(chǎn)生不利影響。在警戒搜索模式下，雷達(dá)以賦形波束發(fā)射、14路波束接收的方式同時掃描20°的三維空間，能夠獲得最高的掃描效率，但賦形波束的增益遠(yuǎn)不如單波束強，探測能力也將受到局限。在快速模式下，雷達(dá)使用4°展寬波束發(fā)射、4路波束接收的方式順序掃描40°的三維空間，掃描效率較單波束提升了4倍，是現(xiàn)階段兼顧掃描效率及雷達(dá)探測能力的觀測方案。

2 資料選取及測量偏差分布

2.1 測試資料選取

X波段一維相控陣天氣雷達(dá)于2013年4月15日起在廣東省江門市鶴山氣象局新站（22.7°N，113.0°E，海拔高度為42.8 m）開展了為期兩個月的外場測試工作，一部用于資料對比驗證的C-POL雷達(dá)架設(shè)在相同位置。在整個外場測試過程中，XPAR均使用距離庫長為37.5 m、雙PRF 1800：1200 Hz的設(shè)置進(jìn)行觀測，對其探測范圍內(nèi)的天氣過程開機(jī)18次，獲取了一定數(shù)量的觀測資料。

C-POL是C波段雙線偏振雷達(dá)，該雷達(dá)采用了單發(fā)雙收的工作模式，峰值功率高（大于250 k W）、動態(tài)范圍大（大于85 dB），并經(jīng)過了較為嚴(yán)格的標(biāo)定，其觀測資料的可靠性較高。對于X-PAR，其接收波束寬度較C-POL更窄（不大于1°）、距離分辨率更高（小于50 m），不存在類似我國S波段相控陣天氣雷達(dá)因過寬波束導(dǎo)致的平滑作用。因此，其與CPOL的測量偏差主要來自于相控陣天線參數(shù)差異引起的標(biāo)定誤差。

在資料比對過程中，C-POL與X-PAR地理位置完全相同，各仰角的觀測資料不需經(jīng)緯度插值可直接使用，由于X-PAR的距離分辨率為C-POL的4倍，已按4個庫為間隔做平滑處理。在垂直方向，C-POL采用VCP11的掃描策略，可與同樣使用單波束掃描的X-PAR精細(xì)測量模式19.5°仰角以下資料進(jìn)行對比。對于 X-PAR 20.5°～39.5°仰角的觀測資料，C-POL沒有資料與之對應(yīng)，因此使用精細(xì)測量資料與快速觀測模式對比，分析4°寬波束與單波束的探測差異。需要注意的是，兩部雷達(dá)分別處于C波段及X波段，不同波長下的衰減情況也存在差異，這種差異隨距離增加及不同的降水類型而改變、不易定量表示，在資料對比時將盡可能選擇衰減較小的區(qū)域進(jìn)行分析。另外，由于X-PAR采用VRHI的掃描方式，垂直方向的時空分辨率遠(yuǎn)高于常規(guī)天氣雷達(dá)，在強對流天氣過程中X-PAR的垂直結(jié)構(gòu)與C-POL存在一定差異。為了準(zhǔn)確分析兩部雷達(dá)的測量偏差，選擇降水過程較為穩(wěn)定及觀測模式較為豐富的9次個例進(jìn)行對比分析，個例概況見表2。本文所用時間均北京時。

表2 X波段相控陣天氣雷達(dá)觀測個例概況Table 2 Weather observations of X-PAR

2.2 X-PAR與C-POL的測量偏差分布

根據(jù)表2的個例分布情況，取出X-PAR與CPOL相同位置下的觀測資料，通過點對點的比較，得到各仰角下平均回波強度的測量偏差。為了降低大范圍降水時不同波長衰減差異造成的影響，均選取離雷達(dá)最近的無遮擋雨帶進(jìn)行分析，取值范圍控制在15 km內(nèi)。其中，選取X-PAR精細(xì)測量模式于2013年5月20日09：12，09：32，09：52，5月21日11：23，11：33，12：03，5月28日19：38，6月3日17：32，17：41，6月5日13：14，6月10日13：16的觀測數(shù)據(jù)，將主要降水區(qū)域內(nèi)0.5°～19.5°仰角數(shù)據(jù)與C-POL對比，得到測量偏差廓線（圖2a）。同時，將X-PAR快速觀測模式于5月28日18：55—19：10，19：38—19：53，5月29日15：21—15：36，16：28—16：33，16：37—16：42，6月4日17：09—17：18，17：29—17：37的40層數(shù)據(jù)與精細(xì)測量模式對比，分析展寬波束與單波束觀測結(jié)果的異同（圖2b）。圖2給出不同測量偏差所對應(yīng)的樣本量可以看出，統(tǒng)計得到的測量偏差廓線具有較高的代表性。

圖2 X-PAR各仰角回波強度測量偏差隨仰角變化廓線（a）精細(xì)測量與C-POL對比，（b）快速觀測與精細(xì)測量對比Fig.2 Reflectivity bias of X-PAR along elevation（a）from FM to C-POL，（b）from QM to FM

從對比結(jié)果可以看出，X-PAR精細(xì)測量模式的觀測資料可靠性很高，與C-POL的測量偏差穩(wěn)定分布于2.67～3.38 d B之間，隨仰角的變化非常小，驗證了修正項（cosvt）－1對雷達(dá)方程訂正的合理性。而快速觀測模式與精細(xì)測量的偏差以4°為周期反復(fù)變化，在4°展寬波束的第1號、第2號波位（vt－0.5°，vt－1.5°）快速觀測模式的觀測結(jié)果基本偏弱，對于第3號、第4號波位（vt＋0.5°，vt＋1.5°）則明顯偏強。同時，快速觀測模式在不同展寬波束之間（即以4°仰角為間隔）的測量偏差也存在差異，2°仰角附近的測量偏差明顯低于22°仰角，這與不同波位處的增益變化有關(guān)。

3 測量偏差產(chǎn)生原因及初步訂正

3.1 X-PAR單波束照射體積對回波強度的影響

對于使用單波束掃描的精細(xì)測量模式，各仰角間差異很小，但整體與C-POL相比存在約3 d B的固定測量偏差，這樣的差異與方程中雷達(dá)常數(shù)的計算有關(guān)。對于C-POL等常規(guī)體制的天氣雷達(dá)，其雷達(dá)常數(shù)是由圓形拋物面天線的近似計算得來，而采用裂縫波導(dǎo)平面陣的X-PAR，天線的有效截面如圖3a所示。對于式（1）中的X-PAR雷達(dá)方程，雖然考慮了增益和波束寬度隨波位的變化，但仍使用圓形截面的近似方法，導(dǎo)致X-PAR的雷達(dá)常數(shù)將出現(xiàn)系統(tǒng)性差異，從而產(chǎn)生回波強度的測量偏差。

圖3 波束剖面對比圖（a）X-PAR與C-POL的有效截面對比，（b）X-PAR快速觀測模式收發(fā)波束分布圖Fig.3 Comparison of beam profile（a）effective cross section of X-PAR and C-POL，（b）transmitting and resaving beam positions of X-PAR QM

目前，X-PAR的天線增益G均通過波束寬度θφ計算而來。由天線理論可知，增益與實際的波束寬度成反比，波束寬度又與天線有效截面成反比，而在雷達(dá)方程中，回波強度則分別與波束寬度及增益的平方均成反比關(guān)系。因此，X-PAR的回波強度與θφ將成正比關(guān)系，由于天線有效截面的低估引起波束寬度的偏大，造成了雷達(dá)常數(shù)及其計算的回波強度的高估現(xiàn)象。

3.2 X-PAR展寬波束對回波強度的影響

對于使用4°展寬波束的快速觀測模式，僅需10次掃描即可完成40°空域的觀測，效率較精細(xì)測量提升了4倍。與圖2b對比，該模式下不同波位處的測量偏差以4°為周期變化，這正與其發(fā)射波束寬度吻合，因此推測展寬波束的實際方向圖與理論值存在差異。

X-PAR在標(biāo)定過程中，假設(shè)展寬波束內(nèi)各接收波束波位處的天線發(fā)射增益一致，如圖3b中的虛線所示。但雷達(dá)展寬波束的實際方向圖并非與理論值完全一致，這樣造成的差異已反映至圖3b中深色部分，并周期性影響雷達(dá)方程中回波強度的準(zhǔn)確性。根據(jù)圖2b的實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析出展寬波束內(nèi)接收波束的4個波位處回波強度的平均測量偏差分別為－0.83，－0.41，1.85，1.67 dB。使用該結(jié)果對 XPAR快速觀測模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，并再次與精細(xì)測量對比得到測量偏差的廓線（圖4a）?？梢园l(fā)現(xiàn)，新的誤差廓線更為平滑，圖2中以4°為周期的起伏現(xiàn)象基本消失。

圖4 X-PAR快速觀測與精細(xì)測量模式各仰角回波強度測量偏差隨仰角變化廓線（a）快速觀測模式經(jīng)展寬波束訂正，（b）快速觀測模式經(jīng)過展寬波束和發(fā)射增益訂正Fig.4 Reflectivity bias of X-PAR between QM and FM along elevation（a）broaden beam correction for QM，（b）broaden beam and transmitting gain correction for QM

3.3 X-PAR發(fā)射增益對回波強度的影響

根據(jù)雷達(dá)性能，X-PAR的天線增益均會隨掃描角遠(yuǎn)離陣面法向而惡化，需對雷達(dá)方程中的增益參數(shù)按（cosvt）－1進(jìn)行修正。對比圖2a，該方法對單波束收發(fā)的精細(xì)測量模式效果較好，各仰角的測量偏差基本不隨仰角變化。但在圖4a的快速觀測模式中，各仰角的測量偏差并不一致，其中低仰角偏弱而高仰角偏強。推測4°展寬波束的發(fā)射增益并非按（cosvt）－1規(guī)律變化，其在不同波位處與理論值的差異導(dǎo)致了測量偏差的產(chǎn)生。

根據(jù)圖4a的測量偏差分布情況，擬合得到對應(yīng)的訂正曲線y＝－0.04x2－0.193x＋1.875，將其代入原數(shù)據(jù)中，圖4b給出了經(jīng)兩次訂正后測量偏差的分布情況。與圖2b相比可以明顯發(fā)現(xiàn)，因雷達(dá)方程參數(shù)差異造成的測量偏差得到了較好的修正，XPAR快速觀測模式與精細(xì)測量模式的測量偏差已控制在±1 dB內(nèi)。

4 訂正后X-PAR與C-POL回波結(jié)構(gòu)對比

2013年6月5日12：00—17：00鶴山站附近出現(xiàn)大范圍對流性降水過程，選取X-PAR 13：36—13：48的觀測資料與相同位置的C-POL進(jìn)行回波結(jié)構(gòu)比較。對比前，根據(jù)第3章中的初步訂正方法對X-PAR精細(xì)測量模式各仰角按－3 dB修正測量偏差，快速觀測模式在此基礎(chǔ)上分別對展寬波束內(nèi)的增益差異和不同發(fā)射波束間的增益差異進(jìn)行修正，得到以15°方位角的垂直剖面對比見圖5。

圖5 X-PAR與C-POL回波強度垂直剖面對比圖（a）X-PAR精細(xì)測量模式，（b）X-PAR快速觀測模式，（c）C-POLFig.5 Vertical cross sections comparison by X-PAR and C-POL（a）FM，（b）QM，（c）C-POL

由圖5可以看到，訂正后X-PAR精細(xì)測量模式與快速觀測模式的垂直結(jié)構(gòu)幾乎一致，與C-POL相比其降水回波的位置、強弱分布均合理，不僅準(zhǔn)確反映了降水過程的發(fā)展特征，同時也驗證了訂正方法的可靠性。由于直接數(shù)字合成技術(shù)的應(yīng)用，XPAR掃描范圍和波束的指向非常靈活，以1°步進(jìn)角完成40層掃描的垂直分辨率遠(yuǎn)超VCP11分布的C-POL，有助于對天氣過程的精細(xì)探測。

5 結(jié)論與討論

2013年4—6月，中國氣象科學(xué)研究院的X波段一維相控陣天氣雷達(dá)進(jìn)行了裝配后的首次測試觀測。為了檢驗該雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性和不同模式的測量精度，本文將X波段相控陣天氣雷達(dá)的觀測資料與相同位置的C波段雙線偏振天氣雷達(dá)進(jìn)行定量對比，得到不同仰角回波強度測量偏差的分布規(guī)律，結(jié)合雷達(dá)標(biāo)定和理論參數(shù)分析了該雷達(dá)測量偏差的產(chǎn)生原因，并提出了初步訂正方法，得到結(jié)論如下：

1）目前X-PAR使用了1°單波束、4°展寬波束、20°賦形波束的3種掃描模式，不同模式下的天線參數(shù)各不相同、對應(yīng)的標(biāo)定方案存在差異，需通過測量偏差的對比進(jìn)行驗證。在資料選取時，使用了穩(wěn)定降水的觀測數(shù)據(jù)以減小不同掃描方式的影響，同時近處區(qū)域的樣本避免了不同波長的衰減差異。

2）通過偏差廓線的分析發(fā)現(xiàn)，X-PAR使用1°單波束掃描的精細(xì)測量模式探測結(jié)果與C-POL存在約3 dB的固定測量偏差，但在各仰角間的浮動很小。X-PAR使用展寬波束的快速觀測與精細(xì)測量模式的測量偏差以4°波束寬度為周期規(guī)律性變化，且較高仰角附近的測量偏差更大。

3）根據(jù)檢測分析，X-PAR精細(xì)測量模式與CPOL的測量偏差主要由有效截面的計算和天線參數(shù)的差異共同造成，通過雷達(dá)常數(shù)的修正可以將測量偏差縮小至±0.4 dB內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，快速觀測模式還受展寬波束方向圖和不同方位增益的影響，其與精細(xì)測量的偏差同時隨波束寬度和仰角升高變化，通過對實際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計擬合可以將測量偏差訂正至±1 dB內(nèi)。

4）將X-PAR訂正后的垂直剖面與C-POL對比，不同模式下的回波結(jié)構(gòu)幾乎一致，均準(zhǔn)確反映降水系統(tǒng)的發(fā)展特征，驗證本文分析方法的可靠性。X-PAR在垂直方向的分辨率遠(yuǎn)高于常規(guī)天氣雷達(dá)，有利于強對流過程的分析研究。

由于有源數(shù)字陣列天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其實際性能難以與理論值保持嚴(yán)格一致，這對于雷達(dá)的精確標(biāo)定提出了較高要求。今后在外場觀測中較好的解決方案是將一部經(jīng)嚴(yán)格標(biāo)定的常規(guī)天氣雷達(dá)架設(shè)在相同位置進(jìn)行對比，通過實測數(shù)據(jù)將雷達(dá)的標(biāo)定誤差降至最低。

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The Measurement Influence of Reflectivity Factor Caused by Scanning Mode from Phased Array Radar

Wu Chong1）2）Liu Liping1）3）Wang Xudong4）Fan Hui4）Liu Qi4）

1）（State Key Lab of Severe Weather，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）
2）（Chengdu University of Information Technology，Chengdu610225）
3）（Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044）
4）（Anhui Sun-create Electronic Co Ltd，Hefei230088）

The beam design of active phased array weather radar is flexible，and this variable beam width and multi-beam mode can satisfy the requirement of various tasks and get much higher temporal resolution than general weather radar.However，the performance of active phased array weather radar can be hardly kept consistent due to the massive digital T／R components，and any variations of antenna parameters between the beam direction and axis normal would be a huge challenge for radar calibration.The X-band phased-array weather radar（X-PAR）developed by State Key Laboratory of Severe Weather of Chinese Academy of Meteorological Sciences and Anhui Sun-create Electronic Co Ltd is tested for the first time from April to June in 2013.The X-PAR and C-band polarization weather radar（C-POL）are installed at the same site，so their observations provide reflectivity measure deviation information and correction scheme for radar debugging and calibration of antenna parameters.

During the operation of X-PAR，3 kinds of observing modes with different beam width are applied，each using different parameters in their radar equations of calibration algorithm.Observations from C-POL and X-PAR（fine mode）with single scanning beam，X-PAR（quick mode）with multi scanning beams and X-PAR （fine Mode）are contrasted in detail.In order to reduce the comparison bias，severe convection and attenuation should be avoided.Results from statistical analysis indicate that observations from each elevation of X-PAR （fine mode）is 3 d B higher than C-POL，the measurement deviation between quick mode and fine mode changes along 4°regularly，and is inconsistent in higher elevation.The deviation source of X-PAR（fine mode）and C-POL comes from differences between the antenna parameter and the effective cross section，and the fast mode is also influenced by beam pattern，gaining in different elevation.A correction scheme based on data statistics and fitting is proposed to decrease the bias within 1 d B.By the comparison through vertical structures，the dependability of the above method is testified，and the resolution of X-PAR is also higher than C-POL，which is significant for convective precipitation research.

The actual performance of phased array antenna could not keep strictly consistent with theoretical value because of its complicated structure.The result suggests that antenna measurement and digital T／R test during the factory inspection and acceptance are very indispensable.In the future field experiments，a wellcalibrated radar should be installed at the same position to correct the X-PAR observation bias.

X-band phased array weather radar；reflectivity factor；quantitative measurement

吳翀，劉黎平，汪旭東，等.相控陣?yán)走_(dá)掃描方式對回波強度測量的影響.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（4）：406-414.

2013-10-30收到，2014-04-08收到再改稿。

國家自然科學(xué)基金項目（41175038），公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201106046），十二五國家科技支撐計劃項目（2012BAC22B00）

*通信作者，email：lpliu＠cams.cma.gov.cn