周紅根，吳艷峰，曹德煜，許 波，喬 賀，吳 田

(1. 江蘇省氣象探測中心， 南京 210008； 2. 北京敏視達雷達有限公司， 北京 100094) (3. 連云港市氣象局， 江蘇 連云港 222006； 4. 淮安市氣象局， 江蘇 淮安 223001)

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·總體工程·

基于太陽噪聲氣象雷達接收系統(tǒng)標定檢驗

周紅根1，吳艷峰2，曹德煜3，許 波4，喬 賀1，吳 田1

(1. 江蘇省氣象探測中心， 南京 210008； 2. 北京敏視達雷達有限公司， 北京 100094) (3. 連云港市氣象局， 江蘇 連云港 222006； 4. 淮安市氣象局， 江蘇 淮安 223001)

太陽是一個寬帶射電噪聲源，利用其射電密度即太陽能流密度，結合雷達相關參數(shù)，可計算出雷達接收的太陽射電功率理論值，對比雷達實際接收到的太陽射電功率，即能標定檢驗包括天線罩在內的全雷達接收系統(tǒng)。文中將該太陽噪聲法應用在江蘇省氣象局部署的8部CINRAD/SA雷達上，開展了兩年多的試運行標定檢驗。檢驗結果表明，太陽噪聲法對雷達全鏈路接收系統(tǒng)的標定檢驗，能客觀反映出雷達接收系統(tǒng)回波強度的標定狀況，從而提高了組網天氣雷達回波強度的客觀性和一致性，提高雷達數(shù)據的質量。

太陽噪聲；回波強度；標定；太陽能流密度

0 引 言

在地球表面各地均可觀測到太陽，且可以基于當?shù)睾０胃叨?、經緯度和世界標準時間(UTC)精確計算太陽的相對位置。1942年科學家發(fā)現(xiàn)了太陽射電現(xiàn)象，同時，索思沃思采用當時新制成的微波雷達接收機，獨立地發(fā)現(xiàn)了太陽在3 cm～10 cm波段還發(fā)出相當穩(wěn)定的射電。隨著天文射電望遠鏡的發(fā)展和改進，人類對太陽射電的觀察越來越系統(tǒng)，越來越精確。太陽是一個寬帶射電噪聲源，對其射電密度即太陽流量(Solar Flux Unit，SFU)可以進行較準確的觀測，因此可以將太陽噪聲作為非常實用的雷達定標工具。

將太陽作為微波信號源，根據天文臺發(fā)布的太陽射電流量，結合雷達相關參數(shù)，計算雷達接收的太陽射電功率理論值；再將雷達天線對準太陽，用雷達測量實際接收的太陽射電功率，通過對比來標定包括天線、天線罩在內的全雷達接收系統(tǒng)反射率。這就是太陽噪聲法。江蘇省氣象局在全省部署了8套CINRAD/SA雷達，用于測量全省范圍內的降水及災害性天氣的預報預警。這8套雷達組網觀測時，需要將氣象回波信號進行歸一化處理，因此各臺雷達接收到的回波強度定標成為組網是否成功的重要因素。本文采用太陽噪聲法，利用雷達接收到的太陽流量對雷達接收通道進行標定，2013年～2015年在全省雷達站業(yè)務試運行。檢驗結果表明，通過太陽噪聲法對雷達系統(tǒng)反射率進行標定檢驗，能客觀反映出雷達系統(tǒng)反射率的標定狀況，提高了氣象雷達回波強度的客觀性和一致性。

1 太陽噪聲法原理

太陽射電基本上有寧靜射電、緩變射電、射電爆發(fā)三種性質的成分，太陽射電的強弱可以表示為太陽流量或流量密度。流量密度是指單位時間和頻率內沿法線方向通過的單位面積的能量，單位為瓦特/平米·赫茲(W/m2·Hz)。太陽流量用單位A.U表示

1 A.U =10-22W·m-2·Hz-1

(1)

1.1 雷達天線接收的太陽射電功率

當雷達天線對準太陽，天線接收的太陽射電功率Ps(W)為

Ps=0.5·B·A·S·10-22

(2)

式中：B為接收帶寬(Hz)；S為所需頻率上的太陽能流密度；A為天線有效面積(m2)；系數(shù)為0.5，是因為太陽射電為全極化波，而天氣雷達天線通常分別接收水平極化或垂直極化波。

雷達天線有效面積

(3)

式中：G為天線方向性增益(dB)；λ為波長(m)；π為常數(shù)。

將式(3)代入式(2)，雷達天線接收的太陽射電功率為

(4)

1.2 太陽能流密度在不同頻率上的應用

太陽亮度溫度起伏與射電頻率、到太陽中心的距離有關，Andrews于1969年研究發(fā)現(xiàn)在厘米波段，在地球上看太陽的亮度溫度與頻率成正比。不同頻率上的太陽能流密度可在10.7cm太陽能流密度基礎上，用以下公式獲得(Tapping1994)。

S=(α·S10.7+β)·(f-2 800)+S10.7

(5)

式中：S為所需頻率上的太陽能流密度；S10.7為10.7 cm波長太陽能流密度；f為頻率(MHz)；α等于0.000 2；β等于-0.01。

將式(5)代入式(4)，得到式(6)。

Ps= {0.5·[(0.000 2S10.7-0.01)×(f-2 800)

+S10.7]·B·G·λ2·10-22}/4π

(6)

計算雷達天線接收的太陽射電功率，還需考慮衰減因素并加以修正，包括太陽能流密度在不同頻率上的應用、天線方向圖損耗因子、大氣衰減修正等。

1.3 大氣衰減

太陽射電穿過地球大氣層時會受到大氣影響而衰減，衰減量與其在大氣中傳播路徑長度有關，單程大氣衰減Aat在S波段為0.005 5 dB/km。路徑長度可通過雷達天線所在地的大氣厚度與天線仰角計算得到[1]

Aat=0.005 5r(z,el)

(7)

大氣衰減與雷達天線仰角關系為

R43·sinel

(8)

式中：R43為4/3地球半徑(8 495 km)；z為雷達天線所在地大氣厚度(km)，根據美國標準大氣層模型(USA1976)，約為8.4 km；el為雷達天線仰角(°)。

由式(8)計算得到太陽射電在天線不同仰角時的大氣衰減，如圖1所示。

圖1 大氣衰減與天線仰角

將式(8)代入式(7)，得到式(9)為大氣衰減Aat。

R43·sinel)

(9)

1.4 天線方向圖損耗因子

雷達天線接收的太陽射電會因為天線與太陽的波束交疊，即兩者對準程度而被衰減。即使天線完全對準太陽，也會因為天線方向圖特性而存在衰減。CINRAD/SA雷達天線在2 700MHz～3 000MHz頻段內的3dB波束寬度約為0.88°～0.96°，在此頻段內，天線方向圖損耗修正值計算方法(WSR88DCPC06, 3.10.6.1.2)

K=(1+0.18·θS/θ3)2

(10)

式中：θS為射電太陽角直徑(°)；θ3為雷達天線3dB波束寬度(°)。

由式(10)可得，在2 700 MHz～3 000 MHz頻段內，修正值K為1.131～1.157，即0.535 dB ～ 0.633 dB。

1.5 太陽角直徑

太陽角直徑是以角度為單位，在地球上任意位置觀察太陽得到的視直徑。射電太陽半徑大于光學太陽，對于10.7 cm波長，射電太陽比光學太陽半徑大約7%，光學太陽角直徑每年在0.525°～0.542°之間變化(與地球軌道離心率有關)，因此10.7 cm波長的射電太陽角直徑在0.561 8°～0.579 9°之間變化，平均為0.570 8°。

2 定標方法

為避免天線追蹤太陽時加/減速、抖動可能帶來的誤差，采取雷達天線定點掃描太陽：提前設置等待點時間，預置天線到太陽將要經過的方位和仰角。太陽高度角選擇25°～40°之間，通過連續(xù)記錄雷達收到的射電功率，選取最大功率計算實測值。

雷達接收鏈路可分為天線(包括天線罩、天線、微波饋線)、接收機通道(T/R開關、限幅器、LNA、中頻A/D)、信號處理等三部分。采用機外儀表標定接收機主通道和測試通道，符合技術指標要求后，再用太陽噪聲來標定全接收鏈路[2-9]。

圖2 用太陽噪聲法進行全鏈路接收系統(tǒng)標定流程圖

具體操作方法如下(如圖2所示)：

(1)標校雷達方位、俯仰控制精度，并用太陽法校準雷達天線指向，使之符合技術指標要求，不符合要求需調整正常為止。

(2)按照定標流程，采用機外儀表(信號源和功率計)校準接收機主通道、測試通道，正確調整適配參數(shù)，使雷達終端的反射率與接收機輸入信號功率一致。

(3)查閱當天測試時間的太陽射電能流密度A.U、收發(fā)支路損耗等的適配參數(shù)，計算太陽射電被雷達接收并傳輸?shù)浇邮諜C輸入端的信號功率理論值(式(6)、式(9)和式(10))。

(4)雷達運行于太陽噪聲標定模式下，記錄雷達獲取的回波功率值。

(5)對比測量值與理論值，分析誤差，必要情況下查明原因。

3 標定數(shù)據的分析評估

2013年8月26日，先對常州雷達系統(tǒng)進行全面的標定，雷達動態(tài)達到89dB(如圖3所示)，機內強度標定在輸入強度-10.56dB～73.62dB范圍內，雷達回波強度期望值與測量值的最大差值為-0.44dB，且雷達方位、俯仰控制精度及雷達天線指向符合技術指標要求。此時采用太陽噪聲法，時間為2013年8月26日14:58:32，雷達仰角為44.1019°，標定結果測量值與期望值相差0.54dB(測試結果詳見表1所示)。

圖3 常州站機內動態(tài)標定曲線圖

圖4為本文編制的太陽法測試軟件的測試曲線顯示結果。

圖4 利用太陽噪聲進行全鏈路接收系統(tǒng)標定的測試曲線

之后，在常州站多次利用太陽噪聲法對雷達接收系統(tǒng)進行定標檢查。在天氣比較好的情況下，對準太陽時天線仰角在25°以上，試驗結果差值均小于1dB。當天氣狀況不好，或對準太陽時天線仰角在25°以下，試驗結果差值一般會大于1dB，但基本上不會超過2.5dB。(測試結果見表1所示)。

表1 常州站用太陽法標定雷達接收系統(tǒng)測試數(shù)據

因此，太陽噪聲法最好選擇對準太陽時天線仰角控制在25°～40°度范圍內，沿海地區(qū)最好選擇下午完成。只有標定雷達合格后，太陽噪聲定標檢驗才能達標。

2014年江蘇省氣象局的8套CINRAD/SA雷達參加青奧會保障。表2是在青奧會特別巡檢定標正常后，雷達完成太陽噪聲法測試定標結果。

表2 2014年CINRAD/SA雷達用太陽噪聲法標定測試數(shù)據

經過青奧會雷達標定和太陽噪聲法檢驗后，以下以2014年8月13日～14日降水過程中南京、泰州、常州三部雷達同步觀測反射率數(shù)據進行對比分析，分別選取三部雷達中心點，讀取雷達基數(shù)據中1.5°仰角的回波數(shù)據進行對比分析(如圖5所示)。

圖5 三部雷達兩兩之間中點同步觀測產品圖像對比圖

圖5a)和圖5b)中的圓圈中心，分別表示同步觀測時間段內南京及常州雷達回波圖上兩雷達站的中點，雷達回波強度和形狀基本一致。

圖5c)和圖5d)中的圓圈中心，分別表示同步觀測時間段內泰州及南京雷達回波圖上兩雷達站的中點，雷達回波強度和形狀基本一致。

圖5e)和圖5f)中的圓圈中心，分別表示同步觀測時間段內常州及泰州雷達回波圖上兩雷達站的中點，雷達回波強度和形狀基本一致。

4 結束語

將太陽作為微波信號源，根據天文臺發(fā)布的太陽能流密度，結合雷達相關參數(shù)，計算雷達接收的太陽射電功率理論值，再將雷達天線對準太陽，用雷達測量實際接收的太陽射電功率，通過對比來標定包括天線在內的全雷達接收系統(tǒng)回波強度。通過該方法在江蘇省8部SA雷達上的實際標定試驗，比較客觀地檢驗了雷達系統(tǒng)回波強度的標定情況。通過太陽法提高了天氣雷達回波強度的客觀性和一致性，改進了天氣雷達的基數(shù)據質量。

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周紅根 男，1966年生，高級工程師。研究方向為新一代天氣雷達等氣象技術裝備保障。

吳艷峰 男，1965年生，高級工程師。研究方向為新一代天氣雷達研制。

曹德煜 男，1974年生，工程師。研究方向為新一代天氣雷達技術裝備保障。

許 波 男，1982年生，工程師。研究方向為氣象信息及技術裝備保障。

喬 賀 男，1983年生，碩士。研究方向為氣象技術裝備保障。

吳 田 女，1982年生，本科。研究方向為氣象技術裝備保障等。

Calibration Test of Meteorological Radar Receiving System Based on Solar Noise

ZHOU Honggen1，WU Yanfeng2，CAO Deyu3，XU Bo4，QIAO He1，WU Tian1

(1. Metecorological Observation Centre of Jiangsu, Nanjing 210008, China) (2. Beijing Metstar Radar Co., Ltd, Beijing 100094, China) (3. Lianyungang Metestar Bureau, Lianyungang 222006, China) (4. Huai′an Meteorological Bureau, Huai′an 223001, China)

The sun is a broadband radio noise source, and the accurate observation of solar flux density currently can be obtained. According to the solar flux density issued by the astronomical observatory, the theoretical value of solar radio power received by radars can be calculated with radar-related parameters. Meanwhile, the actual value received by radars can be measured when the radar antennas aiming at the sun. This comparison method can be used to test the calibration of reflectivity factors of integrated radar receiving system, including the radome included. Two-year test using above method has been applied to eight CINRAD / SA radars in Jiangsu Province. The result shows that the solar-noise method for the calibration of radar all receiving system link factors can objectively reflect the calibration status of the radar system echo intensity. The objectivity and consistency of echo intensity for weather radar networking is improved by this method, as well as radar data quality.

solar noise; echo intensity; calibration; solar flux density

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.004

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項資助項目(2012YQ170003)；中國氣象局行業(yè)專項資助項目(GYHY201306075)；江蘇省氣象局科研基金資助項目(KM201508)

周紅根 Email：dpllyg@sina.com

2015-04-02

2015-07-18

TN

A

1004-7859(2015)09-0018-04