李斐斐， 邵 楠， 虞海鋒， 步志超， 郭澤勇

(1.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081；2.北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100094；3.陽(yáng)江市氣象局，陽(yáng)江 529500)

雙偏振天氣雷達(dá)，相比單偏振天氣雷達(dá)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)偏振方向的回波處理，得到差分反射率(ZDR)、差分相位(ΦDP)等多個(gè)偏振參量，能夠獲取降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向及降水類型等信息，有助于提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、定量估測(cè)降水的精度和雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)控能力[1-4]。在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，雷達(dá)系統(tǒng)雙通道一致性對(duì)探測(cè)結(jié)果有很大影響[5-6]。雙偏振天氣雷達(dá)通過(guò)同時(shí)發(fā)射水平和垂直的偏振波，同時(shí)獲得水平方向反射率因子(ZH)和垂直方向反射率因子(ZV)。ZDR定義為兩通道反射率的比值，ΦDP定義為兩通道相位差值，其數(shù)據(jù)精度與雙偏振天氣雷達(dá)雙通道一致性密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)ZDR和ΦDP標(biāo)定，能夠?qū)﹄p偏振天氣雷達(dá)雙通道一致性進(jìn)行分析與校準(zhǔn)。

Gorgucci等[7]采用小雨法對(duì)包括發(fā)射機(jī)、天線和接收機(jī)在內(nèi)的整個(gè)收發(fā)通道產(chǎn)生的對(duì)ZDR與ΦDP系統(tǒng)誤差進(jìn)行訂正，但該方法必須在雨強(qiáng)很小的層狀云降水條件下才可使用，受測(cè)試條件影響較大；Hubbert等[8]提出了一種利用太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)對(duì)偏振雷達(dá)接收通道幅度一致性進(jìn)行訂正的方法，同時(shí)，也可利用交叉接收參量對(duì)發(fā)射通道進(jìn)行訂正。但是，太陽(yáng)作為信號(hào)源，信噪比較低，對(duì)ZDR的標(biāo)定結(jié)果并不理想，且只能在每天有限的時(shí)段內(nèi)使用，只能測(cè)接收通道的偏差[9]。邵楠等[10]利用機(jī)內(nèi)信號(hào)源對(duì)S波段雙偏振雷達(dá)連續(xù)4個(gè)月的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明機(jī)內(nèi)靜態(tài)、長(zhǎng)期運(yùn)行標(biāo)定結(jié)果與美國(guó)、德國(guó)基本相當(dāng)。但是該方法未對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以上的天饋系統(tǒng)測(cè)試，而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)受加工工藝的影響，在不同方位角和俯仰角都會(huì)影響雙偏振天氣雷達(dá)雙通道信號(hào)的幅度和相位的一致性[11]。

現(xiàn)利用北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司生產(chǎn)的S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，首次對(duì)包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在內(nèi)的接收通道一致性、除天線反射體以外的收發(fā)全鏈路一致性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)雙通道信號(hào)的幅度和相位的影響不可忽略，通過(guò)逐徑向校準(zhǔn)的方法可以減小旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來(lái)的影響。

1 測(cè)試對(duì)象

以采用雙發(fā)雙收模式(simultaneously transmit and receive of horizontal and vertical polarization wave, SHV)的S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司生產(chǎn))為測(cè)試對(duì)象，即同時(shí)發(fā)射和接收水平、垂直偏振波，具有2路發(fā)射通道和2路接收通道，工作原理如圖1所示。

圖1 雙發(fā)雙收模式雙偏振天氣雷達(dá)原理

發(fā)射機(jī)速調(diào)管輸出高能量射頻脈沖，經(jīng)定向耦合器，被高功率微波功分器分成兩路，一路送到水平發(fā)射通道(horizontal transmit channel，TXH通道)，另一路送到垂直發(fā)射通道(vertical transmit channel，TXV通道)，兩路高頻信號(hào)分別經(jīng)過(guò)環(huán)形器、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、定向耦合器，通過(guò)天線向空間輻射。被氣象目標(biāo)散射的回波信號(hào)被天線接收，其水平和垂直極化信號(hào)分量分別經(jīng)過(guò)定向耦合器、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后，通過(guò)環(huán)形器被分別送到水平接收通道(horizontal receive channel，RXH通道)和垂直接收通道(vertical receive channel，RXV通道)，分別經(jīng)接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲放大器后變成中頻信號(hào)，送入數(shù)字中頻信號(hào)處理器。該雷達(dá)雙通道接收機(jī)位于機(jī)房?jī)?nèi)，穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，能夠減少因環(huán)境溫度變化帶來(lái)的雙通道幅度和相位一致性的變化。

2 測(cè)試方法

2.1 接收通道一致性測(cè)試

在天線罩內(nèi)的俯仰關(guān)節(jié)之上安裝一個(gè)可以受控的標(biāo)定信號(hào)源，信號(hào)源的輸出幅度≥0 dBm，工作頻率為雷達(dá)站點(diǎn)的工作頻率，信號(hào)注入位置如圖2所示。測(cè)試信號(hào)經(jīng)功分器后由定向耦合器(天線功率監(jiān)測(cè)點(diǎn))注入，經(jīng)過(guò)俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、環(huán)形器后，經(jīng)接收支路返回?cái)?shù)字中頻信號(hào)處理。

圖2 接收通道測(cè)試信號(hào)注入位置

利用雷達(dá)控制軟件在體掃開(kāi)始和各仰角掃描間隔向信號(hào)源發(fā)送控制命令，控制信號(hào)源通斷。信號(hào)源接收到信號(hào)開(kāi)命令后，在10 ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定輸出狀態(tài)；收到信號(hào)關(guān)命令后，在10 ms內(nèi)達(dá)到完全關(guān)斷狀態(tài)；關(guān)斷狀態(tài)下信號(hào)源輸出不影響雷達(dá)系統(tǒng)的底部噪聲。

在雷達(dá)運(yùn)行控制平臺(tái)分別運(yùn)行體掃描VCP21D和距離高度掃描RHI(方位0°、俯仰0°～20°)兩種掃描模式，利用VCP21D模式俯仰0.5°、方位0°～360°數(shù)據(jù)分析方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的影響，利用RHI模式分析俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的影響。

2.2 全鏈路一致性測(cè)試

采用機(jī)外信號(hào)源，從設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)的定向耦合器端注入10 dBm的連續(xù)波基準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)，注入位置如圖3所示。測(cè)試信號(hào)通過(guò)高功率微波功分器、環(huán)形器、方位和俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、定向耦合器，經(jīng)饋源處的全反射罩反射后，經(jīng)接收支路返回?cái)?shù)字中頻信號(hào)處理。全反射罩采用定制鋁制工裝，通過(guò)四周的調(diào)平螺釘，能夠和饋源喇叭口緊密連接，減小其引入的測(cè)試誤差。全反射罩外觀及安裝位置如圖4所示。

圖3 測(cè)試信號(hào)注入位置

圖4 全反射罩外觀及安裝位置

雷達(dá)發(fā)射機(jī)不加高壓，在雷達(dá)運(yùn)行控制平臺(tái)運(yùn)行VCP21D和RHI(方位0°、俯仰0～20°)兩種掃描模式。分別存儲(chǔ)兩種掃描模式下的雷達(dá)基數(shù)據(jù)，計(jì)算不同方位角(RHI模式下為仰角)ZDR和ΦDP的變化范圍、標(biāo)準(zhǔn)差。利用VCP21D模式俯仰0.5°、方位0°～360°數(shù)據(jù)分析方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的影響，利用RHI模式分析俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的影響。

為了減小旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的影響，連續(xù)運(yùn)行VCP21D模式，獲取較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)ZDR和ΦDP的變化情況，并將這種變化修正，得到校準(zhǔn)之后的基數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 接收通道一致性測(cè)試結(jié)果

對(duì)VCP21D模式下0.5°仰角，0～360°方位角的基數(shù)據(jù)分析，得到ZDR和ΦDP隨方位角變化的曲線，如圖5所示。ZDR最大變化范圍為0.01 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 5 dB，ΦDP最大變化范圍為1.10°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.385 7°。

圖5 PPI模式下ZDR和ΦDP隨方位角變化曲線

對(duì)RHI模式下0～20°仰角的基數(shù)據(jù)分析，得到ZDR和ΦDP隨仰角變化的曲線，如圖6所示。ZDR最大變化為0 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0 dB，ΦDP最大變化為0.10°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.019 9°。

圖6 RHI模式下ZDR和ΦDP隨方位角變化曲線

3.2 全鏈路一致性測(cè)試結(jié)果

對(duì)VCP21D模式下0.5°仰角，0～360°方位角的基數(shù)據(jù)分析，得到ZDR和ΦDP隨著方位角變化的曲線，如圖7所示。ZDR最大變化范圍為0.04 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.012 0 dB，ΦDP最大變化范圍為1.60°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.385 7°。

圖7 RHI模式下ZDR和ΦDP隨方位角變化曲線

對(duì)RHI模式下0～20°仰角的基數(shù)據(jù)分析，得到ZDR和ΦDP隨仰角變化的曲線，如圖8所示。ZDR最大變化范圍為0.02 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 3 dB，ΦDP最大變化范圍為0.10°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 1°。

圖8 RHI模式下ZDR和ΦDP隨方位角變化曲線

3.3 ZDR和ΦDP校準(zhǔn)

通過(guò)接收通道和全鏈路一致性測(cè)試表明，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)雙通道一致性有影響。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)導(dǎo)致雙偏振幅度和相位偏差具有可重復(fù)性和周期性的特點(diǎn)，可以采用逐根徑向數(shù)據(jù)校正方法，大大減少關(guān)節(jié)帶來(lái)的幅相偏差，對(duì)于短時(shí)因關(guān)節(jié)帶來(lái)的幅相偏差可以進(jìn)行較好的修正。

圖9 校準(zhǔn)后的ZDR和ΦDP隨方位角變化曲線

采用全鏈路一致性測(cè)試方法，首先從基數(shù)據(jù)找到方位(或仰角)最接近的徑向數(shù)據(jù)，以前一次獲得的徑向數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，后續(xù)徑向數(shù)據(jù)的偏振量減去基準(zhǔn)。為檢驗(yàn)修正結(jié)果，通過(guò)連續(xù)24 h運(yùn)行拷機(jī)檢驗(yàn)，存儲(chǔ)基數(shù)據(jù)后分析ZDR和ΦDP的標(biāo)準(zhǔn)差的穩(wěn)定性。校準(zhǔn)之后ZDR和ΦDP隨方位角變化曲線如圖9所示。校準(zhǔn)后ZDR最大變化為0.03 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 1 dB，ΦDP最大變化為0.20°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.033 6°，比校準(zhǔn)前明顯降低。

4 結(jié)論

對(duì)包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的接收通道一致性、除天線反射體以外的收發(fā)全鏈路一致性進(jìn)行測(cè)試分析，并采用逐徑向校準(zhǔn)的方法對(duì)雙通道偏差進(jìn)行了修正。得到以下結(jié)論。

(1)修正后的幅度和相位誤差比修正前明顯降低，ZDR標(biāo)準(zhǔn)差由0.012 dB減小為0.005 1 dB，ΦDP標(biāo)準(zhǔn)差由0.385 7°減小為0.033 6°。

(2)采用全鏈路法對(duì)雙通道一致性測(cè)試校準(zhǔn)，能夠最大程度減少雷達(dá)系統(tǒng)硬件引入的偏差，提高雙偏振數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是受測(cè)試條件限制，無(wú)法實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)。建議該方法可以在雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試完成后進(jìn)行，或者作為雷達(dá)年維護(hù)的一部分。

(3)采用信號(hào)源法對(duì)接收通道一致性測(cè)試校準(zhǔn)，能夠減少接收通道引入的偏差，而且該方法可以實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)。建議該方法作為雷達(dá)在線標(biāo)定的一部分，實(shí)時(shí)檢查旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)行情況，避免因長(zhǎng)期運(yùn)行造成的關(guān)節(jié)磨損對(duì)雙偏振數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。