劉黎平 吳 翀 汪旭東 葛潤生

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)(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)3)(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088)

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X波段一維掃描有源相控陣天氣雷達(dá)測試定標(biāo)方法

劉黎平1)2)*吳 翀1)汪旭東3)葛潤生1)

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)(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)3)(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088)

該文根據(jù)有源相控陣天氣雷達(dá)的體制特點，參考多普勒天氣雷達(dá)測試定標(biāo)方法，提出了一維掃描有源相控陣天氣雷達(dá)的測試和定標(biāo)方法，將測試重點放在天饋系統(tǒng)、T/R組件、脈沖壓縮、動態(tài)范圍的測試和定標(biāo)上，以解決不同觀測模式、不同波位的天線增益等參數(shù)變化引起的回波強(qiáng)度測量誤差問題。測試結(jié)果表明：天饋系統(tǒng)在不同觀測模式下的天線參數(shù)隨仰角的變化情況、波束指向的準(zhǔn)確度、T/R組件的動態(tài)范圍等均符合設(shè)計要求，回波強(qiáng)度和徑向速度定標(biāo)精度較高。雷達(dá)經(jīng)過測試和定標(biāo)后，于2014年5—8月分別在安徽定遠(yuǎn)和四川甘孜進(jìn)行外場試驗，并與附近多普勒天氣雷達(dá)(SA)和C波段雙線偏振雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明：回波強(qiáng)度誤差在合理范圍內(nèi)，精細(xì)測量、警戒搜索、快速觀測3種模式觀測的強(qiáng)回波的水平和垂直位置、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)誤差均比較一致，數(shù)據(jù)可靠。

有源相控陣天氣雷達(dá)； 回波強(qiáng)度； 測試定標(biāo)

引 言

天氣雷達(dá)的測試和定標(biāo)是保證雷達(dá)探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵[1]，針對多普勒天氣雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)，提出了測試和定標(biāo)方法[2-6]。多普勒天氣雷達(dá)具有完善的自動標(biāo)定系統(tǒng)，可有效改善因發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)、動態(tài)特性曲線、相位噪聲等參數(shù)變化對定量測量的影響，測得的回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬信息較為準(zhǔn)確。目前，相控陣技術(shù)已逐漸應(yīng)用于天氣雷達(dá)領(lǐng)域，其測試與定標(biāo)技術(shù)也成為該體制雷達(dá)的研究方向之一。根據(jù)不同體制，相控陣?yán)走_(dá)分為無源相控陣?yán)走_(dá)和有源相控陣?yán)走_(dá)。有源相控陣?yán)走_(dá)由多個T/R組件構(gòu)成，每個T/R組件均能獨立完成電磁波的發(fā)射和接收，該體制下雷達(dá)的工作效率、波束控制和可靠性優(yōu)勢明顯，但也存在造價昂貴、工藝復(fù)雜等不足。而無源相控陣?yán)走_(dá)僅有1個發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，分別通過由移相器組成的饋線網(wǎng)絡(luò)連接至陣面天線，雖然性能不及有源相控陣?yán)走_(dá)，但其價格相對便宜、性能優(yōu)于常規(guī)體制的雷達(dá)。21世紀(jì)初，美國先后研發(fā)了1部大型二維相掃的無源S波段相控陣試驗站(NWRT-PAR)和1部車載一維有源X波段相控陣天氣雷達(dá)(MWR-05XP)，并應(yīng)用于龍卷和強(qiáng)對流的精細(xì)結(jié)構(gòu)和演變的探測中，驗證了相控陣天氣雷達(dá)的探測能力[7-11]。其中，NWRT-PAR采用了無源相控陣體制，使用了1塊美國海軍退役的SPY-1無源陣列天線及1部WSR-88D的發(fā)射機(jī)，并由水平機(jī)械伺服系統(tǒng)完成360°方位掃描。美國這兩部相控陣天氣雷達(dá)均采用了脈間變化掃描角度的方式，以提高回波信號的非相關(guān)性，從而減小方位平均對數(shù)的方法，降低獲取獨立樣本數(shù)的積累時間，以縮短雷達(dá)觀測時間[12-13]。

我國也在軍用情報雷達(dá)的基礎(chǔ)上改造了1部S波段車載相控陣原理機(jī)和1部X波段機(jī)載相控陣天氣雷達(dá)，并進(jìn)行外場試驗，分析相控陣天氣雷達(dá)的探測效果[14-18]。有源相控陣體制的天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、T/R組件眾多，每個組件性能的波動均會對探測結(jié)果產(chǎn)生影響，該體制下天氣雷達(dá)的測試和標(biāo)定是雷達(dá)測量精度評估的重要問題。但國內(nèi)外關(guān)于相控陣天氣雷達(dá)測試和標(biāo)定的方法研究還較為缺乏，特別是對于寬波束發(fā)射多波束同時接收的觀測模式，其測試和定標(biāo)方法的復(fù)雜程度遠(yuǎn)過超現(xiàn)有的多普勒天氣雷達(dá)。

2014年中國氣象科學(xué)研究院與安徽四創(chuàng)電子有限公司合作研發(fā)的X波段有源相控陣天氣雷達(dá)(XPAR)采用了數(shù)字波束形成技術(shù)，實現(xiàn)了寬脈沖發(fā)射14層仰角同時接收的觀測方式，大大提高了雷達(dá)的觀測效率，是一種全新的快速掃描模式。該雷達(dá)于2014年5—8月在安徽省定遠(yuǎn)縣和四川甘孜縣進(jìn)行了對流過程的三維結(jié)構(gòu)觀測。由于該雷達(dá)使用了有源陣列天線、128路全數(shù)字T/R組件，不同工作模式下波束寬度和收發(fā)增益各不相同，這對于雷達(dá)的測試和定標(biāo)提出了挑戰(zhàn)，同時也成為保證該雷達(dá)探測精度的重要環(huán)節(jié)。吳翀等[19]提出了基于S波段相控陣天氣雷達(dá)的氣象雷達(dá)方程，其中涉及陣列天線的參數(shù)、脈沖壓縮的影響等標(biāo)定因素。目前，國內(nèi)外尚沒有針對多種波束寬度和探測模式下一維相控陣天氣雷達(dá)的測試和定標(biāo)方法。

本文根據(jù)XPAR發(fā)射、接收和多種觀測掃描模式的特點，參考多普勒天氣雷達(dá)測試定標(biāo)方法，提出了一套有源相控陣體制的測試定標(biāo)方法，結(jié)合雷達(dá)出廠驗收的測試資料和2014年外場試驗資料對該方法的定標(biāo)效果進(jìn)行了分析，以解決不同波束寬度模式下多波束掃描的回波強(qiáng)度和徑向速度測量精度問題。

1 XPAR結(jié)構(gòu)特點和主要指標(biāo)

與常規(guī)體制的機(jī)械掃描天氣雷達(dá)相比，XPAR的天線饋線、發(fā)射和接收系統(tǒng)的體制不同，掃描模式也存在差異，因此，定標(biāo)和測試方法的改進(jìn)是必要的。圖1給出了XPAR結(jié)構(gòu)示意圖。

機(jī)械掃描的拋物面天線的波束寬度、增益是固定的，傳輸部分的損耗基本通過出廠測試后以常數(shù)處理。而XPAR采用了裂縫波導(dǎo)平面陣，不同的裂縫天線以21.2 mm為間隔等距排列，以滿足波束寬度小于1°的設(shè)計要求，XPAR的天線增益、波瓣寬度等隨掃描角度的變化而變化，同時，不同觀測模式的發(fā)射和接收狀態(tài)的天線參數(shù)也不同，這是XPAR測試定標(biāo)的一個重點。因此，在XPAR的定標(biāo)過程中，不能使用類似常規(guī)天氣雷達(dá)的固定波束寬度和收發(fā)增益，而需對各波形在不同波位處的實際天線性能進(jìn)行測試，將實際收發(fā)增益、波束寬度代入雷達(dá)方程。

圖1 XPAR系統(tǒng)構(gòu)造簡圖Fig.1 System frame diagram of XPAR

機(jī)械掃描雷達(dá)只有1個發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，均安放于雷達(dá)后端的機(jī)柜中，分別通過波導(dǎo)管、轉(zhuǎn)換開關(guān)等傳輸裝置與拋物面天線連接，對應(yīng)的測試定標(biāo)方法相對較為容易。而XPAR采用的128個T/R組件均能獨立完成發(fā)射和接收功能，每個T/R組件發(fā)射功率為8 W，發(fā)射帶寬為3 M的線性調(diào)頻脈壓信號，脈寬為33 μs，脈壓比為100:1，距離副瓣不大于40 dB。作為分布式系統(tǒng)，XPAR設(shè)置了專用的校正網(wǎng)絡(luò)，用于在運(yùn)行中檢測T/R的性能并調(diào)整各個通道的相位一致性。同時，在XPAR出廠驗收時需對所有T/R的發(fā)射、接收通道的性能進(jìn)行詳細(xì)測量，并測試?yán)走_(dá)整機(jī)的動態(tài)特性用于強(qiáng)度定標(biāo)，XPAR的數(shù)字陣列模塊與信號處理間通過近似無損的光纖連接，損耗計算時主要考慮連接波導(dǎo)和DAM內(nèi)部的影響。從陣面?zhèn)魉突氐?28路T/R的采樣數(shù)據(jù)還需由數(shù)字波束形成系統(tǒng)完成波束的合成，然后由脈沖壓縮器完成數(shù)字脈沖壓縮，在定標(biāo)測試時需對加權(quán)波形和脈壓比進(jìn)行實際檢查和測試以保證合成的精確性。最后，完成合成和脈壓的信號將送至信號處理，通過數(shù)字視頻積分(DVIP)和快速傅里葉變化(FFT)分析得到回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬數(shù)據(jù)。

為了滿足不同時空分辨率的探測需求，XPAR設(shè)計了3種波形的VRHI(由多個RHI組成的體掃)掃描模式，不同波形下的雷達(dá)發(fā)射、接收增益和波束寬度等均會發(fā)生變化，具體參數(shù)見表1。其中，精細(xì)測量模式(Fine Mode，簡稱FM)使用了波束寬度約1°的窄波束收發(fā)掃描，這與常規(guī)天氣雷達(dá)非常相似，在電掃描的控制下可從0.5°仰角順序掃描40層至39.5°，天線的發(fā)射、接收增益均高于44 dB，能夠獲得較高的資料質(zhì)量。警戒搜索模式(Guard Mode，簡稱GM)則使用了寬度為20°的賦形波束發(fā)射，14路以VCP11垂直分布的約1°窄波束同時掃描14層，觀測效率大為提升，但該模式下不同波位的天線發(fā)射增益根據(jù)目標(biāo)的等探測高度靈敏度設(shè)計(分布于15～36 dB)，觀測資料的精細(xì)程度不及精細(xì)測量模式?？焖儆^測模式(Quick Mode，簡稱QM)則使用了4°展寬波束發(fā)射、4路約1°窄波束接收的方式，雖然展寬波束的發(fā)射增益較窄波束偏低約10 dB，但在與精細(xì)測量相同的波位分布下將掃描效率提升了3倍，是兼顧掃描效率及數(shù)據(jù)質(zhì)量的一種模式。為此，要針對這些掃描模式分別進(jìn)行測試定標(biāo)。

表1 XPAR 3種模式掃描參數(shù)Table 1 Parameters of XPAR for three work modes

注：*表示該參數(shù)為2014年測試及外場試驗使用值。

2 XPAR測試方法

由以上分析可以看出，XPAR結(jié)構(gòu)、發(fā)射和接收的特性和掃描模式造成了其與常規(guī)機(jī)械掃描雷達(dá)的顯著差異。這樣的差異主要來源于陣列天線及其對應(yīng)T/R組件理論性能與實際值間的波動，在實際應(yīng)用中不僅反映在垂直方向各個波位處的定位精度、波束寬度和天線增益上，還對分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其整機(jī)回波強(qiáng)度、徑向速度的標(biāo)定產(chǎn)生影響。因此,根據(jù)XPAR的這一特性，本文提出了XPAR的陣列天線增益、波束寬度及其掃描指向的測量方法，各個T/R組件發(fā)射功率、噪聲系數(shù)及其動態(tài)范圍等測試方法。

為了保證整個測試過程具有較高的準(zhǔn)確性，采用的測試儀器如檢波器、示波器、功率計、頻譜儀等均與多普勒天氣雷達(dá)的測試基本一致，并進(jìn)行嚴(yán)格定標(biāo)。相控陣天線使用中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所的大型微波暗室進(jìn)行測量，方位和增益的精度滿足定標(biāo)需求。

2.1 陣列天線性能的測試

XPAR采用全數(shù)字T/R組件及數(shù)字波束形成系統(tǒng)，理論上可在一維平面內(nèi)得到任意需求的收發(fā)波形。為了驗證雷達(dá)的體制并完成初期的測試工作，目前XPAR僅使用了3種較易實現(xiàn)的觀測波形，3種波形在不同波位處的增益變化各不相同。為了確保裂縫波導(dǎo)平面陣列天線在波束形成中的準(zhǔn)確性，將天線安放于近場微波暗室對3種收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行近場測量。測試過程中，測試探頭與被測陣面天線相距110 mm，在近區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行逐行掃描，并將被測天線接收到的近場幅度、相位文件通過近/遠(yuǎn)場變換處理軟件轉(zhuǎn)換為該天線的遠(yuǎn)場波瓣圖等對應(yīng)的參數(shù)，得到的天線方向見圖2。

圖2a～圖2c分別對應(yīng)了XPAR在賦形波束下、展寬波束下和窄波束下的發(fā)射波束方向圖。其中，窄波束的波束寬度為0.6°，在其半功率寬度內(nèi)近似呈高斯函數(shù)，方向性系數(shù)為46.9 dB， 3種模式中副瓣電平最低，若將0.5 dB的波導(dǎo)損耗和0.4 dB的負(fù)載損耗考慮在內(nèi)，精細(xì)測量模式在陣面法向處的發(fā)射增益為46.0 dB，符合不低于46 dB的設(shè)計要求。相比之下，展寬波束的波形與高斯函數(shù)并非完全一致，其主瓣內(nèi)部的增益存在1～2 dB的波動差異，需按實測值訂正，同時4°的波束寬度更寬，分散的能量也造成了副瓣電平的明顯升高，經(jīng)過計算快速觀測模式下的發(fā)射增益為37.7 dB。而對于覆蓋0°～20°的賦形波束，其波形與傳統(tǒng)拋物面天線的分布完全不同，是以等探測高度靈敏度設(shè)計的增益隨仰角升高而降低的方向性函數(shù)，實測發(fā)現(xiàn)在1.2°仰角處天線得到最大增益38.9 dB，隨著仰角繼續(xù)升高，賦形波束的增益明顯降低，8.2°仰角后天線的增益均已小于30 dB，在19.5°時的最低增益為16.5 dB，達(dá)到了該模式的設(shè)計指標(biāo)。

圖2 XPAR歸一化方向圖(a)GM模式發(fā)射波形，(b)QM模式發(fā)射波形，(c)FM模式發(fā)射波形，(d)0°仰角的接收波形，(e)-9.5°仰角的接收波形，(f)9.5°仰角的接收波形，(g)19.5°仰角的接收波形，(h)29.5°仰角的接收波形Fig.2 Normalized directivity diagram of XPAR(a)emitting waveforms for GM,(b)emitting waveforms for QM,(c)emitting waveforms for FM, (d)receiving waveforms for elevation of 0°,(e)receiving waveforms for elevation of -9.5°, (f)receiving waveforms for elevation of 9.5°,(g)receiving waveforms for elevation of 19.5°,(h)receiving waveforms for elevation of 29.5°

由于3種模式的接收波束的波形均為單波束，同時測試了各模式的接收波束在0°，-9.5°，9.5°，19.5°，29.5°處的接收波束方向(見圖2d～圖2h)。由于陣列天線的預(yù)仰角為10°，當(dāng)波束的掃描角從-9.5°變化至29.5°時，實際仰角由0.5°增至39.5°。在陣面法向，測試得到接收波束寬度為0.9°、增益為45 dB，符合設(shè)計的要求。隨著掃描角遠(yuǎn)離陣面法向，根據(jù)均勻線陣的掃描特性，理論上天線增益、波束寬度將以 (cosθ)-1為參數(shù)而惡化，電掃描的實現(xiàn)方式也可能造成接收波束主瓣與設(shè)計值的偏差，進(jìn)而影響云的結(jié)構(gòu)和云高的探測，表2給出了接收波束寬度和指向的理論與實際的對比值。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，接收波束的實際定位準(zhǔn)確，與理論值完全一致。由于波束寬度測試的最小步進(jìn)為0.05°，實測波束寬度與理論值差異控制在該范圍以內(nèi)，考慮到雷達(dá)在水平方向使用了機(jī)械伺服系統(tǒng)，其機(jī)械掃描方位角均方根誤差測試為0.10°。另外，除記錄下波束形狀、波束寬度、副瓣電平、波束增益等收發(fā)參數(shù)外，波導(dǎo)損耗、負(fù)載系數(shù)等技術(shù)參數(shù)也一并測試記錄，上述參數(shù)均將用于雷達(dá)的標(biāo)定中。

表2 XPAR接收波束指向測試Table 2 Test of receiving waveform of XPAR

2.2 數(shù)字T/R發(fā)射特性的測試

對于有源相控陣體制的XPAR，由128個數(shù)字T/R組件完成分布式的發(fā)射和接收，T/R性能的一致性直接影響了雷達(dá)整機(jī)的探測能力。因此，在測試過程中，需對雷達(dá)的每個數(shù)字T/R組件進(jìn)行詳細(xì)檢測。其中，使用了耦合器、檢波器、數(shù)字示波器、功率計及頻譜儀對T/R組件的發(fā)射脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、單元峰值功率以及發(fā)射信號的帶寬、系統(tǒng)改善因子進(jìn)行測試。

按照圖3的流程圖連接測試系統(tǒng)，將電源、時鐘信號、一本振、二本振信號分別輸入數(shù)字陣列模塊中的各T/R組件，通過終端產(chǎn)生的控制電平將T/R設(shè)置于發(fā)射模式。在發(fā)射脈寬、脈沖重復(fù)頻率的測試中，將數(shù)字示波器分別與30 dB耦合器和檢波器連接，測得T/R的脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期，并計算得到對應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率。在發(fā)射功率的測試中，將功率計與耦合器連接，通過實測的單元輸出計算T/R的峰值輸出功率。對于發(fā)射信號的帶寬測試，可將與T/R連接的頻譜儀的中心頻率設(shè)置為雷達(dá)工作的9.37 GHz、帶寬和掃描時間設(shè)置為10 MHz和1 s，則T/R的實際帶寬為發(fā)射信號在3 dB衰減間的頻率差。另外，發(fā)射信號改善因子的測量需先通過頻譜儀測得該信號的信噪比，并根據(jù)相應(yīng)的公式計算得出。考慮到XPAR在裝配過程中所有的T/R組件均已調(diào)試完畢，驗收測試時按要求對1個數(shù)字陣列模塊(DAM，含16路T/R組件)進(jìn)行抽測，抽測結(jié)果見表3。由抽測組件的實際性能可以看出，所有T/R的發(fā)射指標(biāo)差異很小，均達(dá)到了指標(biāo)要求。

圖3 數(shù)字T/R組件測試流程圖Fig.3 Test process chart of digital T/R component

通道脈沖寬度/μs發(fā)射功率/W帶寬/MHZ改善因子/dB135.48.253.0260.35235.78.703.0258.89335.79.823.0259.16435.79.263.0461.07535.79.223.0258.32635.69.193.0258.85735.78.873.0159.12835.79.523.0160.11935.78.823.0258.871035.68.493.0260.831135.79.573.0259.791235.79.063.0260.591335.78.193.0259.911435.78.643.0259.941535.78.823.0259.121635.79.243.0260.18指標(biāo)要求33.3≥83≥55

在XPAR的實際運(yùn)行中，無法使用示波器、頻譜儀等設(shè)備測試，因此，雷達(dá)的陣面天線上設(shè)計了一套校正網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字T/R組件連接，用于發(fā)射和接收過程中的T/R組件校正。該網(wǎng)絡(luò)由波導(dǎo)饋線和128個耦合器構(gòu)成，在雷達(dá)發(fā)射過程中采取分時自檢的校正方式，逐一對各通道的相對幅相一致性做嚴(yán)格的修正，幅相精度已達(dá)到0.3 dB和0.5°，可以滿足-40 dB副瓣電平的要求。

接收機(jī)的性能高低直接影響著雷達(dá)的探測能力，考慮到XPAR的每個T/R組件均能獨立完成接收、下變頻、A/D采樣的工作，驗收時同樣抽取5個組件進(jìn)行測試以驗證其性能的一致性。在測試及實際觀測過程中，首先通過校正網(wǎng)絡(luò)同時對所有T/R組件進(jìn)行接收自檢校正。隨后將信號源模擬出的不同強(qiáng)度回波信號注入單個T/R接收機(jī)的前端，使用頻譜儀在二中頻(50 MHz)處讀取信號輸出功率，記錄間隔為1 dB(見圖4a)。采用最小二乘法對記錄的輸入功率及對應(yīng)的輸出進(jìn)行擬合，得到該T/R接收機(jī)的動態(tài)特性曲線。選擇實測值與特性曲線兩端差異差高于1 dB的兩點作為T/R組件低端的拐點和高端的飽和點，飽和點和拐點所對應(yīng)的輸入信號功率的差值為單個T/R組件的線性動態(tài)范圍。

圖4 數(shù)字T/R組件動態(tài)特性曲線 (a)抽查的5個單T/R組件動態(tài)曲線，(b)系統(tǒng)動態(tài)曲線Fig.4 Dynamic characteristic curve of digital T/R component for single T/R(a),for total system(b)

圖4a給出了5個T/R組件抽測的實測動態(tài)特性，可以發(fā)現(xiàn),這5條曲線靠得非常近，5個T/R組件的線性度基本一致，但不同T/R組件對應(yīng)的輸入功率范圍有一定差別，而對于同樣的輸入功率其輸出值也不完全一致，統(tǒng)計得到該差異最大為2.0 dB。進(jìn)一步計算得到5個T/R組件的線性動態(tài)范圍，分別為78，76，72，72 dB和68 dB。

考慮到雷達(dá)使用了分布式收發(fā)系統(tǒng)，其128個數(shù)字T/R構(gòu)成陣列天線的接收到信號功率是僅有單路接收機(jī)系統(tǒng)的1/128，XPAR的整機(jī)動態(tài)范圍理論上可在單個T/R的基礎(chǔ)上再擴(kuò)展10lg128(約21 dB)，達(dá)到90 dB以上。因此，將標(biāo)準(zhǔn)信號源的模擬信號經(jīng)數(shù)控衰減器和校正網(wǎng)絡(luò)后饋入128路T/R組件的接收機(jī)，測量不同功率輸入時的實際輸出值，記錄間隔為2 dB，得到結(jié)果見圖4b。測試發(fā)現(xiàn)，整機(jī)線性度依然很好，上下拐點分別對應(yīng)于-18.3 dBm，-105.91 dBm，計算得到整機(jī)的動態(tài)范圍為87.61 dB?？梢?，不同T/R間存在的性能差異對整機(jī)性能產(chǎn)生了直接影響，導(dǎo)致實測動態(tài)范圍與理論值存在一定差異。

3 XPAR定標(biāo)方法

3.1 回波強(qiáng)度定標(biāo)

由于XPAR采用了分布式固態(tài)T/R組件，為了提高雷達(dá)的發(fā)射功率和靈敏度，需使用數(shù)字脈沖壓縮和數(shù)字波束形成技術(shù)對128路A/D信號進(jìn)行加權(quán)處理，再由信號處理得到回波強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。根據(jù)雷達(dá)設(shè)計，采用了33 μs的寬脈沖發(fā)射，線性調(diào)頻壓縮至0.33 μs，脈壓比為100，理論得益為20.0 dB。在強(qiáng)度定標(biāo)時，首先將信號源的模擬信號經(jīng)校正網(wǎng)絡(luò)注入至T/R，終端讀取脈沖壓縮前后的信噪比差值為18.9 dB。而對于數(shù)字波束形成體制對所有T/R組件的輸出作加權(quán)合成得到最后的結(jié)果，使用監(jiān)控終端的自檢控制功能對其數(shù)字波束形成、DVIP處理、FFT處理的實際參數(shù)進(jìn)行檢查，確保處理運(yùn)算的準(zhǔn)確性。

受陣列天線和T/R組件的特性影響，有源相控陣?yán)走_(dá)方程及其計算方法更加復(fù)雜，見式(1)。對于機(jī)械掃描的常規(guī)天氣雷達(dá)，其天線發(fā)射和接收增益Gt和Gr、水平和垂直方向波束寬度θ和φ、系統(tǒng)損耗L∑可在出廠前測試中得出，通常發(fā)射和接收增益一致，兩個方向的波束寬度也一致，并且在觀測中基本保持不變；標(biāo)準(zhǔn)大氣損耗Lat、脈沖寬度τ、雷達(dá)工作波長λ固定，通過發(fā)射功率和接收機(jī)動態(tài)曲線的測試可完成發(fā)射功率Pt和回波功率Pr的定標(biāo)，脈壓得益Gp為0，代入距離R即可算出對應(yīng)的回波強(qiáng)度。而對于XPAR，其發(fā)射功率、脈壓得益、脈沖寬度來自于數(shù)字T/R的測試結(jié)果，雷達(dá)的水平垂直波束寬度、天線收發(fā)增益、系統(tǒng)損耗L∑取自天線暗室內(nèi)各個波位的測試結(jié)果，接收輸入端回波功率根據(jù)圖4a中的系統(tǒng)定標(biāo)曲線查表得到，僅工作波長λ、脈沖寬度τ、大氣損耗Lat為定值。

L∑+1.56+Pr+20lgR+R·Lat。

(1)

考慮到XPAR分別使用了3種觀測模式，雷達(dá)終端分別建立了3套數(shù)據(jù)表以存放各波位的波束寬度和收發(fā)增益。在處理時根據(jù)數(shù)字波束形成系統(tǒng)計算出的波位號，終端將自動找到該模式下對應(yīng)波位的增益、波束寬度數(shù)據(jù)，代入雷達(dá)方程中。

經(jīng)過護(hù)理干預(yù)后,83例患者中的總滿意例數(shù)為80例,護(hù)理滿意度為96.38%;不滿意的患者例數(shù)為3例,不滿意度為0.36%。

為了檢驗經(jīng)上述步驟后XPAR回波強(qiáng)度的定標(biāo)精度，使用機(jī)內(nèi)線性調(diào)頻信號源發(fā)出的-84.3～-24.3dBm模擬信號，經(jīng)校正網(wǎng)絡(luò)注入至128個T/R內(nèi)，通過接收和信號處理后計算出距離25～100km范圍內(nèi)的回波強(qiáng)度測量值，該測量值與注入信號所對應(yīng)的理論值之間的差異將作為回波強(qiáng)度的測量偏差度，該方法與CINRAD/SA的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定方法基本一致。在測試過程中，控制各個波位均得到一組記錄數(shù)據(jù)，其中，10°仰角處的單波束模式和19.5°處的多波束模式下DVIP標(biāo)定精度見表4。

表4中單波束模式下測量偏差最高為0.98dB，而多波束模式的最高差異為0.55dB，其測量精度均符合XPAR的設(shè)計指標(biāo)。

表4 XPAR DVIP回波強(qiáng)度定標(biāo)精度Table 4 Calibration accuracy of reflectivity for DVIP of XPAR

3.2 徑向速度定標(biāo)

與多普勒天氣雷達(dá)徑向速度定標(biāo)類似，XPAR的徑向速度由回波的多普勒頻移計算得到，因此，使用機(jī)內(nèi)信號源的標(biāo)準(zhǔn)信號注入接收機(jī)用于定標(biāo)。雖然穩(wěn)定的測試信號不論在信號強(qiáng)度，還是隨機(jī)變化性等方面無法模擬出實際氣象信號的特點，但目前只能采用這種方式進(jìn)行徑向速度的測試，定標(biāo)結(jié)果與實際徑向速度的測量存在一定差異是正常的。在單重復(fù)頻率測速精度的測試過程中，通過改變注入信號的頻率，由該頻率與雷達(dá)發(fā)射頻率的差計算出理論速度值V1，并與雷達(dá)速度實測量值V2進(jìn)行比較，得到測速定標(biāo)差ΔV。而對于雙重復(fù)頻率模式，該注入信號的頻移調(diào)整在單重復(fù)頻率附近，使用10個點的雙重復(fù)頻率模式與單重復(fù)頻率模式的測量值比較，以檢驗測速展寬能力。測試時，分別進(jìn)行了64點脈沖積累下的單脈沖重復(fù)頻率徑向速度定標(biāo)誤差、雙脈沖重復(fù)頻率的徑向速度的定標(biāo)誤差。頻率改變范圍為±900 Hz，對應(yīng)的徑向速度的改變?yōu)椤?4.41 m·s-1，脈沖重復(fù)頻率分別采用了單頻900 Hz 和雙頻900，600 Hz(3:2)。結(jié)果表明：單頻的最大誤差為0.06 m·s-1，雙頻的最大誤差為0.09 m·s-1，誤差很低。

需要說明的是，目前我國多普勒天氣雷達(dá)還沒有針對速度譜寬的測試定標(biāo)方法，考慮到該XPAR的信號處理方法與多普勒天氣雷達(dá)一致，所以本文也沒有對速度譜寬進(jìn)行測試。

4 XPAR外場數(shù)據(jù)驗證

2014年5月，XPAR完成了出廠驗收并在安徽省定遠(yuǎn)縣(117.44°E, 32.55°N, 81 m)進(jìn)行了外場測試，同年7月又在四川省甘孜縣氣象局(31.62°N, 100.00°E, 3356 m)開展了外場試驗工作。為了驗證雷達(dá)測試定標(biāo)的準(zhǔn)確性，將XPAR使用多波束的快速觀測模式和警戒搜索模式與單波束的精細(xì)測量對比，驗證多波束內(nèi)天線參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性。同時也使用安徽省人影辦在定遠(yuǎn)張橋鎮(zhèn)的一部C波段雙線偏振雷達(dá)(CPOL) (32.34°N, 117.64°E, 28 m)和附近的合肥多普勒天氣雷達(dá)(SA) (31.87°N, 117.26°E, 165 m)與XPAR單波束的精細(xì)測量模式對比，驗證整機(jī)雷達(dá)常數(shù)的標(biāo)定效果。考慮到XPAR，CPOL和SA的掃描模式和站點位置并不相同，無法直接與XPAR建立聯(lián)系，對比時通過雷達(dá)位置經(jīng)緯度先將CPOL，SA的資料由極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，再與XPAR的站點位置匹配計算出XPAR在該點對應(yīng)的極坐標(biāo)，從而將不同站點的數(shù)據(jù)處理到XPAR的格點上，形成虛擬的相同位置觀測資料。另外，CPOL和SA均采用VPPI(由多個PPI組成的體掃)的掃描方式，而采用VRHI的XPAR則更注重垂直方向的掃描，這在分析過程中將不可避免遇到時間分辨率的差異，對比時選擇穩(wěn)定的層狀云降水過程可將上述影響降至最低。

圖5分別給出了2014年5月24日、2014年7月10日 XPAR在定遠(yuǎn)和甘孜使用3種掃描模式得到的3.5°仰角水平結(jié)構(gòu)，并給出了定遠(yuǎn)的CPOL和合肥的SA雷達(dá)在相同時刻的觀測結(jié)果。由圖5可以看出，CPOL與SA雷達(dá)的回波位置、結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度基本一致，而XPAR在相同位置下的回波分布出現(xiàn)了一定的偏少現(xiàn)象，考慮到雷達(dá)工作于X波段，是降水衰減造成了結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異。進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，5月24日XPAR的精細(xì)測量模式的觀測強(qiáng)度較CPOL和SA雷達(dá)分別偏強(qiáng)3.20 dB，0.70 dB。沿強(qiáng)回波中心(圖5中紅色實線部分)對應(yīng)的315°，280°方位角作出垂直剖面圖，并與相同時刻XPAR采集的快速觀測模式、警戒搜索模式數(shù)據(jù)對比，見圖6。

圖5 2014年5月24日11:24—11:32安徽定遠(yuǎn) XPAR精細(xì)測量、快速觀測、警戒搜索模式與CPOL及安徽合肥SA雷達(dá)觀測的回波強(qiáng)度的PPI結(jié)構(gòu)對比及2014年7月10日18:45—18:54四川甘孜XPAR精細(xì)測量、快速觀測、警戒搜索模式觀測的回波強(qiáng)度PPI的對比(仰角：3.5°；相鄰距離圈間隔為15 km)Fig.5 Reflectivity PPI observed by XPAR with FM,QM,GM and by CPOL at Dingyuan and SA at Hefei in Anhui Province during 1124—1132 BT on 24 May 2014 and reflectivity PPI observed by XPAR with FM, QM and GM at Ganzi in Sichuan Province during 1845-1854 BT on 10 Jul 2014(elevation:3.5°; the distance between adjacent circles is 15 km )

圖6 同圖5，但為圖5紅線標(biāo)注方位角的垂直結(jié)構(gòu)Fig.6 The same as in Fig.5,but for reflectivity RHI along the azimuths marked in Fig.5

圖6中XPAR使用單波束的精細(xì)測量模式的垂直結(jié)構(gòu)清晰地反映出層狀云降水的零度層亮帶現(xiàn)象，定遠(yuǎn)站XPAR觀測的亮帶高度約為4.5 km，較CPOL和SA雷達(dá)觀測結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，而在甘孜觀測的高原層狀云降水的零度層偏低，高度約為2 km。對于使用展寬波束的快速觀測模式，其所得結(jié)果與精細(xì)測量類似，但偏低的靈敏度造成弱回波的有效探測范圍均一定程度降低。對于使用賦形波束的警戒搜索模式，其靈敏度最低、回波結(jié)構(gòu)仍不夠均勻，不僅難以得到零度層以上的降水回波，同時較高的副瓣還會在多山地形下引入地物引起的副瓣回波。

與2013年的首次測試[14]相比，XPAR 2014年4°展寬波束與單波束的探測差異明顯降低至±1 dB之內(nèi)，以4°波束寬度為周期的規(guī)律性變化很小，而20°賦形波束的偏差稍大，最高為1.87 dB。圖7將XPAR 3種模式下徑向速度相互對比，發(fā)現(xiàn)除靈敏度的差異外其數(shù)值幾乎一致，可見3種模式均能準(zhǔn)確探測速度數(shù)據(jù)，徑向速度的測量精度較高。由于定遠(yuǎn)外場試驗中XPAR距離雙線偏振雷達(dá)約29 km，無法在PPI中將兩者的徑向速度數(shù)據(jù)直接對比，因此,選擇兩部雷達(dá)站點連線方向進(jìn)行廓線分析。在圖8的徑向速度、速度譜寬的徑向廓線對比中，XPAR的探測數(shù)據(jù)與雙線偏振雷達(dá)基本一致，其速度和譜寬的測量偏差分別為0.37 m·s-1，-0.31 m·s-1。考慮到XPAR波束寬度更窄、距離該塊降水回波也更近，不同采樣體積的條件下,上述測量偏差是可以接受的。

圖7 2014年5月24日11:24—11:32安徽定遠(yuǎn) XPAR精細(xì)測量、快速觀測、警戒搜索模式觀測的徑向速度的PPI結(jié)構(gòu)對比及2014年7月10日18:45—18:54四川甘孜XPAR以精細(xì)測量、快速觀測、警戒搜索模式徑向速度觀測結(jié)果的對比(仰角：3.5°；相鄰距離圈間隔為15 km)Fig.7 Ridail velocity PPI observed by XPAR with FM, QM, GM at Dingyuan in Anhui Province during 1124-1132 BT on 24 May 2014 and the PPI observed by XPAR with FM，QM and GM during at Ganzi in Sichuan Province 1845-1854 BT on 10 Jul 2014(elevation:3.5°;the distance between adjacent circles is 15 km)

續(xù)圖7

圖8 XPAR精細(xì)測量模式及CPOL沿2.5°仰角、319°方位角的徑向速度和速度譜寬廓線Fig.8 Variations of radical velocity and spectrum width along range direction for azimuth of 319° at elevation angle of 2.5° observed by XPAR with FM and CPOL

5 結(jié) 論

中國氣象科學(xué)研究院與安徽四創(chuàng)電子有限公司合作研發(fā)了X波段一維掃描有源相控陣天氣雷達(dá)，該雷達(dá)經(jīng)過測試和定標(biāo)后，于2014年5—8月分別在安徽定遠(yuǎn)和四川甘孜進(jìn)行外場試驗。本文針對XPAR天線、T/R組件、觀測掃描方式的特點，提出了一維相掃、有源、多波束接收體制下的相控陣天氣雷達(dá)的測試和定標(biāo)方法，并使用測試資料和外場試驗資料,對雷達(dá)定標(biāo)效果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1) 該測試定標(biāo)方法參考多普勒天氣雷達(dá)測試定標(biāo)方法，并針對XPAR多波束接收等觀測特點，測試重點為天饋系統(tǒng)、T/R組件、脈沖壓縮等測試和定標(biāo)，以解決不同觀測模式、不同波位的天線增益變化引起的回波強(qiáng)度測量誤差問題。

2) 分別使用微波暗室、機(jī)內(nèi)信號源、功率計、頻譜儀等設(shè)備對XPAR各部分模塊進(jìn)行了詳細(xì)測試，發(fā)現(xiàn)陣列天線的性能符合設(shè)計指標(biāo)，128個數(shù)字T/R的一致性較高，回波強(qiáng)度和徑向速度定標(biāo)精度比較高，并可在雷達(dá)觀測過程中利用校正網(wǎng)絡(luò)對發(fā)射和接收性能進(jìn)行實時測試。該雷達(dá)主要性能指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計要求。

3) 使用2014年的外場試驗數(shù)據(jù)對定標(biāo)精度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，XPAR在1°單波束下回波強(qiáng)度的測量精度最高，4°展寬波束和20°賦形波束的測量偏差均控制在±2 dB內(nèi)，與臨近的機(jī)械掃描的CPOL和SA對比，回波結(jié)構(gòu)合理，回波強(qiáng)度誤差在合理范圍內(nèi)，且不同觀測模式的XPAR徑向速度偏差比較小，觀測模式變化對徑向速度探測影響不大。

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Test and Calibration Methods for X-band Active Phased-array Weather Radar

Liu Liping1)2)Wu Chong1)Wang Xudong3)Ge Runsheng1)

1)(StateKeyLaboratoryofSevereWeather,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)2)(CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044)3)(AnhuiSun-createElectronicCoLtd,Hefei230088)

A mobile X-band phased-array meteorological radar (XPAR) is developed by State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, and Anhui Sun-create Electronics Limited Company. The XPAR scans electronically in elevation while scanning mechanically in azimuth, transmits radar wave with wide beam width (about 20° in vertical direction and 1° in horizontal direction) and receives 14 beams simultaneously. As reflectivity calibration is key technique for the active phased-array radar application in meteorological observation, the testing and calibrating method for the XPAR is investigated according to characteristics of the transmitter/receiver (T/R) the multi-beam work mode. The test and calibration focus on the antennas, T/R, purse compress and the variations of gain and beam width with the angle of the antenna beam in respect to the normal of the array face, in order to reduce the observation bias introduced by different modes. After calibration, the XPAR is used to observe 3-D structures and evolutions of convective precipitation in field experiment at Dingyuan of Anhui Province and Ganzi of Sichuang Province from May to August in 2014. The data of an S-band operational radar (SA) and a C-band polarization radar (CPOL) nearby are used to examine the observation capability of the XPAR. Results show that the antenna gain and its variation with the scanning angle, the beam direction, dynamics ranges of T/R are in conformity with the design. The transmitter and receiving characteristics for 128 T/R are similar. The calibration bias for reflectivity and radial velocity measurement are less than 0.98 dB and 0.1 m·s-1, respectively. Variations of T/R parameters in observation are watched and corrected by the correcting network. Comparing with the SA and CPOL, the bias of reflectivity in Fine Mode is less than 1 dB, the biases for Guard Mode and Quick Mode are less than 2 dB, and the velocity observed in three modes are accordant very well. The bias of reflectivity and radial velocity by XPAR are reasonable. The horizontal and vertical structures of precipitation observed by 3 radars are similar. And calibration results provide basis for quantitative measurement of the XPAR.

X-band active phased-array weather radar; reflectivity factor; calibration method

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB417202)，國家自然科學(xué)基金項目(41175038,91337103)

10.11898/1001-7313.20150201

2014-10-31收到， 2015-01-12收到再改稿。

* email: lpliu@cams.cma.gov.cn

劉黎平，吳翀，汪旭東,等. X波段一維掃描有源相控陣天氣雷達(dá)測試定標(biāo)方法. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26(2)：129-140.