曾廣宇 郭澤勇* 杜云東 羅業(yè)永 鄺家豪

(1 廣東省陽江市氣象局，陽江 529500； 2 北京敏視達雷達有限公司，北京 100085； 3 廣東省湛江市氣象局，湛江 524000)

引言

多普勒天氣雷達通過獲得降水目標的反射率、速度、譜寬等基數據來觀測天氣[1]，但降雨類型的區(qū)分存在明顯的不足[2]。雙偏振天氣雷達相比于單偏振天氣雷達擁有的獨特優(yōu)勢，不僅能測量反射率、速度、譜寬，還可以通過測量雷達的差分反射率、傳播相移以及相關系數等數據，更好地描述粒子的尺寸、形狀、降水類型及天氣，區(qū)分氣象與非氣象回波，去除異常傳播，地物及海雜波等非氣象回波以及更準確地估計降水和降雪，探測和預警冰雹區(qū)域[3]。雙偏振雷達是繼多普勒雷達技術后在中國全面推廣的天氣雷達探測技術[4]。2015年開始，國內首批由CINRAD-SA雙偏振天氣雷達升級改造為雙偏振雷達的業(yè)務組網分別在廣東清遠、廣州、韶關、陽江、梅州及福建廈門6個站點完成，并于2016年左右開始業(yè)務運行。CINRAD-SA雙偏振天氣雷達進行雙偏振技術升級改造后，大大提高了廣東災害性天氣監(jiān)測能力和預報水平。

國內對雙偏振天氣雷達的研究主要針對X波段和C波段，而S波段波長更長、衰減更小，在探測強降水等強對流天氣時具有明顯的優(yōu)勢[5-6]。國內對于雙偏振雷達的研究大都是針對雙偏振雷達特征量產品的應用分析[7]，或者利用雙偏振雷達做定量降水估測[8]，或者是關于雙偏振差分反射率標定的測量分析[9-10]。從基層保障人員的角度而言，需要更加迫切的掌握雙偏振天氣雷達在硬件、標定及故障診斷方面與傳統(tǒng)天氣雷達的區(qū)別，從而更加有利于雙偏振雷達的運行保障。

1 CINRAD-SAD雙偏振雷達工作模式及標定流程

CINRAD-SAD雙偏振天氣雷達具有交替模式和雙發(fā)雙收2種雙偏振工作體制，目前國內大都采用雙發(fā)雙收模式，工程上比較容易實現，其工作流程如圖1所示。工作時能夠同時發(fā)射水平極化波和垂直極化波，亦可同時接收水平極化波和垂直極化波。發(fā)射時，發(fā)射機輸出的高頻功率平均進入水平發(fā)射通道和垂直發(fā)射通道，接收時，回波信號經過水平接收通道和垂直接收通道，經雙通道送入WRSP(數字中頻)和信號處理器。CINRAD-SAD雙偏振天氣雷達采用接收機在室內的體制結構，優(yōu)點在于使整個接收機位于恒溫恒濕機房內，雙通道一致性的外部環(huán)境得以保證，雙通道接收系統(tǒng)處于同一電磁環(huán)境下，同時維護測試更加方便；缺點在于增加了饋源到接收機的波導長度，靈敏度稍有損失，但通過雙通道信噪比實時估計算法保證了弱回波探測能力。

在標定方面，CINRAD-SAD雙偏振雷達與傳統(tǒng)雷達存在較大不同。圖1中，信號源1指的是KD、RFD、CW、NOISE信號，經測試通道和功分器后進入主通道，最終返回WRSP和信號處理器，其中以頻率源為信號源做動態(tài)標定的結果存儲于calibration文件中CW_ZDR、CW_PDP記錄值。信號源2是指在天線罩內俯仰關節(jié)之上的新增標定信號源，雷達控制軟件在體掃開始和PPI間隔發(fā)送標定信號開和標定信號關的指令，測試信號經功分器后由定向耦合器注入，經過俯仰旋轉關節(jié)、方位旋轉關節(jié)、環(huán)形器后，經接收支路返回WRSP和信號處理器，其標定結果存儲于calibration文件中TS_ZDR、TS_PDP的記錄值。

本文基于CINRAD-SAD雙偏振天氣雷達結構總結的接收機故障診斷技巧，利用2個在線標校信號源的標定結果，結合太陽標定和動態(tài)范圍測試，解決了接收機主通道與測試通道的故障隔離和主通道的分段隔離2類常見接收機問題。

2 CINRAD-SAD相對于CINRAD-SA的硬件改動

整體而言，雙偏振雷達的發(fā)射機改動甚少，主要硬件改動(圖2)體現在以下幾個方面: ①原來的單通道接收變?yōu)殡p通道接收，雙通道擁有獨立的接收機保護器、低噪聲放大器、預選濾波器、混頻器以及中頻濾波器。②為綜合考慮天線罩溫度帶來的噪聲影響，CINRAD-SAD雙偏振雷達將原來的接收機前端器件放置于雷達機房內，相噪得以改善，同時也方便進行維護測試和故障診斷。③原接收機的A/D轉換,數字變頻組合,RDA計算機的HSPA、HSPB以及轉接板全部取消，統(tǒng)一采用WRSP(數字中頻)和信號處理器代替，最后在時鐘盒4A51的控制下將數據送入數據處理終端。④在天線座俯仰關節(jié)上增加一個在線的信號源對雙路接收機進行標定。受信號處理器控制，每個體掃的每個仰角都會標定，這個機外信號源與接收機內的頻綜信號源相比，可對整個接收機全鏈路進行標定(包含關節(jié)部分)，對關節(jié)是否異常進行檢查。

圖1 CINRAD-SAD雙偏振雷達工作模式及標定流程

圖2 CINRAD-SAD偏振雷達雙接收通道

3 雙偏振雷達故障診斷方法

CINRAD-SAD雙偏振雷達與原單偏振相比，發(fā)射機基本無變化，其診斷方法與原來基本一致，診斷方法的區(qū)別主要在于接收通道，接收通道包括主通道和測試通道。對于單偏振雷達，判斷接收機通道組件的故障基本靠儀表監(jiān)測，功率計是檢修接收機時使用率最高的儀表，用功率計逐一排查接收通道各組件直至找出原因，但效率極低，并且對于雙偏振雷達，雙通道接收機極容易因為反復的拆卸使雙通道增益發(fā)生變化進而產生附加故障，如雙通道幅度不一致。因此雙偏振雷達接收通道的診斷應更加注重技巧。本文采用的方法是在利用雙信號源判斷故障的基礎上，結合雙通道動態(tài)法和太陽法進行綜合研判:①動態(tài)法,一般由頻綜J3輸出CW連續(xù)波信號，通過測試通道在接收機保護器輸入端注入接收機主通道。動態(tài)法是定位接收機故障簡單而又非常有用的方法，一般采用分步隔離測試以逐步縮小故障范圍。②太陽法,用太陽做輻射源，產生的回波信號經過全部接收通道，可判斷全接收鏈路的工作情況。本文采用的雙信號源診斷方法，分別指的是信號源1發(fā)出的CW-ZDR和信號源2發(fā)出的TS-ZDR信號(圖1)。其中，信號源1發(fā)出的CW-ZDR信號，主要用于標校接收通道(主通道和測試通道)的穩(wěn)定性；信號源2發(fā)出的TS-ZDR信號則可以標校俯仰、方位2個關節(jié)的穩(wěn)定性和雙接收主通道的穩(wěn)定性。

3.1 “雙信號源+動態(tài)法”隔離主通道與測試通道

CINRAD-SAD型雙偏振天氣雷達新增標校信號源2，可監(jiān)測旋轉關節(jié)對偏振參數的影響，并有利于對接收主通道和測試通道故障的隔離判斷(圖3)。對于雙偏振雷達，判別接收機故障仍然首先做動態(tài)標定，若動態(tài)異常，可分為2種情況：①通過分析TS-ZDR日志判斷標校信號源2是否正常，正常則故障鎖定在測試通道；確定故障通道后，采用從后向前的逐級測試方法。先測量后級輸出，若正常，則前級器件不用測量。但當查出組件輸出異常時并不一定是該器件本身問題，還有可能是該器件的電源、控制信號、射頻線纜及接觸問題，這一步在排查故障中容易被疏忽。②TS-ZDR值異常，則標校信號2異常，此時先檢查主通道，主通道正常再檢查測試通道。

圖3 “雙信號源+動態(tài)法”隔離主通道與測試通道

3.2 “雙信號源+太陽法”分段隔離主通道

信號源1標定數據CW-ZDR、CW-PDP正常，信號源2標定數據TS-ZDR、TS-PDP異常，說明問題出現在信號源2到環(huán)形器這一段。再結合太陽法就可進一步分段定位故障(圖4):①太陽法正常，則信號源2、功分器、線纜出現問題。②太陽法不正常，應先檢查從定向耦合器到環(huán)形器，無問題再檢查信號源2到定向耦合器。

圖4 “雙信號源+太陽法”分段隔離主通道

綜上，對CINRAD-SAD雙偏振雷達接收機故障，其分析流程應該是：TS-ZDR正常，CW-ZDR異常，故障在測試通道；TS-ZDR異常，CW-ZDR正常，TS-ZDR信號源問題或信號源2到環(huán)形器問題；CW-ZDR和TS-ZDR都不正常，接收機主通道問題；CW-ZDR和TS-ZDR都正常，太陽法輸出異常信號，則故障在定向耦合器到天線段。測試通道和主通道故障各自的診斷方法可依據圖2接收通道的關鍵測試點，用功率計進行逐級排查。

3.3 實例分析

故障現象:2017年7月4日00:24強雷暴過境廣東陽江雷達站，1.5°低仰角反射率強度達到57 dBz。隨后雷達出現接收機通道噪聲報警，雷達并未因此停機，仍舊可以運轉，但雷達回波受到干擾，反射率回波異常，動態(tài)測試顯示異常(圖5)。

本次故障所涉及相關報警信息如表1所示。

故障分析與處理:接收機故障首先做動態(tài)范圍標定(圖5b)，測試顯示接收機底噪過高，H、V雙通道底噪由正常時的-81 dB突增到-66 dB和-72 dB左右。由于在雷達體掃過程中出現噪聲報警，考慮到體掃過程中測試通道并未打開，因此該噪聲報警與測試通道無關，應由主通道故障導致。采用“雙信號源+太陽法”分段隔離主通道的方法，通過分析calibration日志文件中的CW-ZDR、CW-PDP、TS-ZDR和TS-PDP，信號源1標定正常，信號源2標定異常，說明問題出現在信號源2到環(huán)形器這一段，結合太陽法測試正常，因此可判定為信號源2到定向耦合器這一段出現問題。經檢查發(fā)現標校信號源2故障，更換后開機重新進行標定，雷達恢復正常。

圖5 2017年7月4日00:24強雷暴過境廣東陽江雷達站故障:(a)反射率因子異常,(b)動態(tài)測試異常

表1 2017年7月4日00:24強雷暴過境廣東陽江雷達站CINRAD-SAD雙偏振雷達信號源故障報警信息

信號源2為雷達大修升級雙偏振時的新增器件，保護措施不夠完善，當晚雷達站上空強雷暴過境，機外信號源受雷擊導致信號源里的開關損壞，無法完全關斷，因此造成在體掃過程中有信號泄漏進入接收機主通道，進而產生干擾，造成底噪抬高，回波異常。廠家重新設計信號源并完善保護設施，問題得以解決。

4 結論與討論

由于接收機系統(tǒng)故障的排查涉及到小信號，如果射頻線纜稍有接觸不良便會產生噪聲電平和通道增益的較大波動，因此接收機系統(tǒng)的故障排查是比較復雜的。基于偏振雷達同時存在2個在線標校信號源的原因，合理加強對這兩個信號源與動態(tài)標定、太陽法標定的結合使用，對于診斷偏振雷達的故障點非常有幫助。

CINRAD-SAD型雙偏振天氣雷達新增標校信號源2，多了1個故障點，但解決了該型號雷達體制本身的缺陷問題，即旋轉關節(jié)對偏振參數的影響，并能夠提供快捷診斷接收機故障的手段。2個標定信號源形成互補，可以避免因標定信號本身的問題帶來的誤差修訂。

廣東省雙偏振雷達為國內首批現場升級改造項目，項目改造初期，在安裝流程、施工工藝、線路設計等方面存在些許不足，這在后續(xù)的雙偏振改造升級中逐步得到解決。同時雙偏振雷達接收機的故障形式和處理過程與單偏振雷達有明顯不同，作為基層雷達保障人員，更需要注重積累和總結雙偏振天氣雷達的故障案例。