郭澤勇, 周欽強, 步志超, 陳玉寶, 杜云東

(1. 廣東省陽江市氣象局， 陽江 529500； 2. 廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心， 廣州 510080； 3. 中國氣象局氣象探測中心， 北京 100081； 4. 北京敏視達雷達有限公司， 北京 100085)

偏振雷達除了能提供常規(guī)多普勒天氣雷達的回波強度、徑向速度和速度譜寬外，還能提供差分反射率因子(differential reflectivity,ZDR)、差分傳播相移(differential phase,ΦDP)、差分傳播相移率(specific differential phase,KDP)、退偏振因子及相關(guān)系數(shù)等參量[1-2]。對這些參數(shù)進行分析、反演，可以判斷降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向以及降水類型等更為具體的信息。與常規(guī)單偏振雷達相比，雙偏振雷達具備兩方面的明顯優(yōu)勢，其一在于相態(tài)識別能力的增強[3-4]，其二在于強降水估測能力的提升[5]。中外相關(guān)學者對雙偏振雷達的應(yīng)用研究表明：偏振參量和非偏振參量的相態(tài)分布垂直特征與大氣風溫濕結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系[6]；利用雷達數(shù)據(jù)計算出溫度平流、相對螺旋度、散度和垂直速度對降水系統(tǒng)有良好的指示意義[7]；采用人機交互的退速度模糊方法可以將大范圍的速度模糊現(xiàn)象準確地剔除[8]；利用雙偏振雷達偏振參量的優(yōu)勢進行定量降水估測試驗[9]，通過研究偏振量隨雨滴譜變化規(guī)律提出測雨公式的優(yōu)化改進方案[10]。在雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量研究方面，姚曉娟等[11]研究了南京C波段雙偏振雷達相關(guān)系數(shù)識別融化層的敏感性，胡東明等[12]對廣州S波段雙偏振雷達的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了評估分析，王超等[13]對佛山X波段雙偏振雷達的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了解析和質(zhì)量控制,這些都是針對雷達后端的質(zhì)控研究。張越等[14]、李喆等[15]和李斐斐等[16]從測量雷達系統(tǒng)誤差的角度對如何獲取高質(zhì)量的雷達數(shù)據(jù)進行了深入探討。

根據(jù)中國氣象雷達發(fā)展規(guī)劃，從2019年開始，中國東部和東南沿海的關(guān)鍵區(qū)域正逐步擴大布網(wǎng) 雙偏振雷達。目前，中國很多新一代天氣雷達正在或已經(jīng)進行了雙偏振升級改造，雙偏振雷達將在未來業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮極大的作用，從目前已有研究可以看出，業(yè)界對于偏振雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究大多傾向于后端對雷達基數(shù)據(jù)或產(chǎn)品的應(yīng)用分析，而對前端的標定研究則相對匱乏，而雷達前端標定的可靠性直接影響其應(yīng)用效益，因此雷達前端標定數(shù)據(jù)的運行評估不容忽視。

為保障雙偏振雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性，中國氣象局于2016年批復(fù)在廣州、陽江、韶關(guān)、梅州及廈門S波段業(yè)務(wù)化雷達首次開展雙偏振雷達前端的標定技術(shù)試驗，對該5部雷達機內(nèi)標定、全鏈路標定、接收鏈路標定及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標定等方面展開分析，為后續(xù)雙偏振雷達升級改造、運行評估及制定雙偏振雷達業(yè)務(wù)化標定流程提供科學依據(jù)，同時有利于基層臺站對雙偏振雷達開展有針對性的維護保障。

1 標定試驗介紹

以中國首批業(yè)務(wù)化雙偏振雷達(廣州、陽江、韶關(guān)、梅州及廈門)標定技術(shù)試驗數(shù)據(jù)為研究對象，以故障日志、雷達巡檢、雷達維護等作為判據(jù)，開展數(shù)據(jù)的篩選和質(zhì)控剔除，建立從數(shù)據(jù)解析、預(yù)處理及統(tǒng)計分析的雙偏振雷達標定技術(shù)評估方法，如圖1所示，對國內(nèi)首批業(yè)務(wù)布網(wǎng)的S波段雙偏振天氣雷達的雙偏振技術(shù)試驗結(jié)果展開分析。如圖2所示，機內(nèi)標定和全鏈路標定采用信號源1作為標定信號源，不同的是機內(nèi)標定是將測試信號經(jīng)測試通道注入接收主通道，而全鏈路標定是將射頻激勵信號經(jīng)發(fā)射通道輻射出去再由接收通道接收回來；接收鏈路標定采用太陽作為標定信號源，檢查整個接收鏈路，包括天線罩、天線、饋線、方位和俯仰關(guān)節(jié)等在內(nèi)的所有接收器件的穩(wěn)定性；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標定采用信號源2作為標定信號源，將連續(xù)波測試信號經(jīng)過功分器和測試電纜后注入接收通道內(nèi)。

圖2 雙偏振雷達標定流程Fig.2 Calibration process of dual polarimetric radar

2 標定測試方法

2.1 機內(nèi)標定長期穩(wěn)定性評估方法

測試信號進入接收機后在信號處理器端可以讀取數(shù)據(jù)，所有標定數(shù)據(jù)記錄在標定文件中。因此通過對標定文件中系統(tǒng)標定常數(shù)(system calibration，SYSCAL)、連續(xù)波差分反射率(continous wave differential reflectivity，CW_ZDR)、連續(xù)波差分傳播相移(continous wave differential phase，CW_ΦDP)等機內(nèi)標定數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測，可以反映接收系統(tǒng)穩(wěn)定度。按照《S波段雙偏振多普勒天氣雷達》行業(yè)標準的指標要求：采用機內(nèi)信號源測量和檢查SYSCAL值連續(xù)24 h標定值的變化不大于1 dB；采用機內(nèi)信號源測量和檢查水平和垂直通道的增益差(CW_ZDR)，測試信號需經(jīng)過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)且24 h標定值的變化不大于0.2 dB；采用機內(nèi)信號源測量和檢查水平和垂直通道的相位差(CW_ΦDP)，測試信號需經(jīng)過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)且24 h標定值的變化不大于3°。

2.2 全鏈路標定評估方法

差分反射率(ZDR)的系統(tǒng)誤差主要來自雷達系統(tǒng)，由雷達硬件造成的測量誤差，精確測量ZDR的系統(tǒng)偏差，一直是天氣雷達業(yè)務(wù)應(yīng)用的重點和難點。李斐斐等[16]研究表明，采用全鏈路法對雙通道一致性測試校準，能夠最大程度減少雷達系統(tǒng)硬件引入的偏差，提高雙偏振數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是受測試條件限制，無法實時在線校準。為了保證定量降水估計和粒子相態(tài)識別的精度，差分反射率(ZDR)的估計誤差必須控制在0.1～0.2 dB。對于小到中雨，為了保證降水估計誤差在10%以下，ZDR的估計誤差需控制在0.1 dB以內(nèi)。對于大雨，ZDR的估計誤差可以放寬到0.2 dB[17]。采用微雨滴法對5部雙偏振雷達進行全鏈路一致性評估，其算法原理如式(1)所示：

(1)

式(1)中：θ為仰角；ZDR(0)、ZDR(θ)分別為0°和θ°下的差分反射率因子，ZDR隨著仰角的抬升逐步減小并向0靠近。微雨滴形狀十分接近于球形，此時水平和垂直通道接收的回波功率幾乎相等，統(tǒng)計意義上差分反射率因子應(yīng)為零。因此，ZDR觀測值可視為雷達系統(tǒng)性偏差[18]。同時，微雨滴法對雷達掃描的要求不高，在常規(guī)觀測時便可以對發(fā)射機、天線、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、接收機等全鏈路進行實時標定，因此，它是業(yè)務(wù)雙偏振雷達ZDR系統(tǒng)偏差的監(jiān)測和標定更為適合的方法[19]。

2.3 接收鏈路標定評估方法

接收機主通道和信號處理器對ZDR的影響，可通過接收機雙通道一致性檢查標校。S波段雙偏振雷達以太陽法作為接收鏈路一致性評估的檢驗方法。以太陽作為信號源，在接收機端接收水平極化和垂直極化的微波信號，比較兩路信號幅度的差異，是一種離線檢查整個天饋通道和接收通道的幅度差異和穩(wěn)定性的方法，可以檢查整個接收鏈路，包括天線罩、天線、饋線、方位和俯仰關(guān)節(jié)等在內(nèi)的所有接收器件的穩(wěn)定性。5部雷達每個月做一次太陽法，比較多次測量結(jié)果，將太陽法標定結(jié)果提交給評估小組，以判斷雷達接收系統(tǒng)的穩(wěn)定度。

2.4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標定評估方法

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過軸承將靜態(tài)波導端面與動態(tài)波導端面連接為一體，實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動和微波信號傳導，其中靜態(tài)波導端面與動態(tài)波導端面的同軸度對微波傳導性能有較大影響。為評估旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來的影響并考慮其校正方法，在天線罩內(nèi)的俯仰關(guān)節(jié)之上安裝一個受控的標定信號源，即圖2中的信號源2。該信號源可在線標定的經(jīng)過關(guān)節(jié)、饋線和接收機的雙通道一致性，其標定參數(shù)測試信號差分反射率(test signal differential reflectivity，TS_ZDR)和測試信號差分傳播相移(test signal differential phase，TS_ΦDP)記錄在日志文件里。為了考慮能否用矯正的方法去除旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對ZDR和ΦDP的影響，通過繪制所有仰角下TS_ZDR和TS_ΦDP隨方位角度旋轉(zhuǎn)的變化情況，對5部雷達的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標定進行運行評估。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 機內(nèi)標定數(shù)據(jù)分析

根據(jù)5部雙偏振雷達技術(shù)試驗的機內(nèi)標定數(shù)據(jù)，分別分析SYSCAL、CW_ZDR、CW_ΦDP、噪聲系數(shù)、峰值功率等機內(nèi)標定狀態(tài)。

以單部雷達為例，如圖3(a)所示，連續(xù)運行9個月期間，SYSCAL值的數(shù)值比較穩(wěn)定的位于35 dB附近，CW_ZDR一直處于0.1～0.4 dB，CW_ΦDP在2月份初期有個跳變外，也穩(wěn)定分布在305°～308°。如圖3(b)所示，連續(xù)運行9個月的峰值功率數(shù)值相對穩(wěn)定，2月初由于進行雷達巡檢測試造成功率不穩(wěn)定，其他時間段水平通道峰值功率和垂直通道峰值功率數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定且具有較好一致性。從噪聲系數(shù)曲線[圖3(c)]中可以看出，雙通道的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)總體分布穩(wěn)定且具有較好一致性，但中間有較多毛刺數(shù)據(jù)，經(jīng)與臺站核實，該時間段內(nèi)，臺站周圍存在不定期的外界干擾，影響了底部噪聲和噪聲系數(shù)的在線標定。如圖3(d)所示，機房內(nèi)溫度相對穩(wěn)定的分布在20 ℃，發(fā)射機溫度相對穩(wěn)定的分布在40 ℃左右，天線罩溫度整體趨勢反應(yīng)比較合理，晝夜大概存在10 ℃的溫差，夏天和冬天存在20 ℃左右的溫差，這可以為接收機上移體制的溫控設(shè)計提供技術(shù)參考。

圖3 機內(nèi)標定Fig.3 System internal calibration

3.2 全鏈路標定數(shù)據(jù)分析

小雨情況下，5部雙偏振雷達的微雨滴樣本概率密度分布如圖4所示，雷達站點Z9200、Z9592、Z9662、Z9753及Z9751系統(tǒng)ZDR誤差分別為-0.38、0、0.38、0.44、-1.38dB。Reference標出微雨滴理論ZDR偏差，除Z9592雷達滿足系統(tǒng)ZDR誤差要求(≤0.2 dB)之外[圖4(b)]，其余4部雷達誤差稍大。整體而言，相同基本反射率ZH下，Z9200、Z9622、Z9753及Z9592站點雷達隨著ZDR的變化其樣本數(shù)量呈現(xiàn)正態(tài)分布[圖4(a)～圖4(d)]，雖有誤差但尚在可控范圍之內(nèi)。Z9751雷達系統(tǒng)ZDR概率密度分布不滿足正態(tài)分布[圖4(e)]，達不到指標要求。

圖4 全鏈路標定Fig.4 Full link calibration

3.3 接收鏈路標定數(shù)據(jù)分析

5部雷達各10次太陽法測量結(jié)果取平均，Z9200、Z9592、Z9662、Z9753及Z9751接收鏈路一致性誤差分別為：0.05、0.12、0.24、0.18、0.11 dB，整體誤差較小。這個差異值包括了天線罩、天線、饋線、接收機增益、信處的量化等的差異，該差異值越小越好。以Z9751雷達為例，每個月做一次太陽法，檢查兩個接收通道收到的太陽功率差異穩(wěn)定度，連續(xù)10次太陽法標定結(jié)果如表1所示。

表1 接收鏈路標定Table 1 Calibration of receiving link

從Z9751雷達10次太陽法測試結(jié)果來看，兩個接收通道收到的太陽功率差異均方差維持在0.11 dB左右，包括天線罩、天線、饋線、接收機增益、信號處理等分系統(tǒng)帶來的總偏差，均方差很小，說明雙接收通道一致性比較穩(wěn)定。

3.4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標定數(shù)據(jù)分析

從圖5可以看出，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對雙偏振天氣雷達ZDR和ΦDP的測量結(jié)果會造成一定影響，其中Z9751雷達ZDR偏差振幅多達0.2 dB，表明該雷達旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對ZDR帶來的影響比其他站點大。Z9592雷達ZDR受到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)影響最小，變化幅度僅在0.05 dB左右，Z9200雷達ΦDP受到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)影響最小，變化幅度僅在3°左右。整體上，5部雷達ZDR偏差變化范圍基本維持在0～0.2 dB，ΦDP偏差變化范圍基本維持在0～20°，說明旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對雷達雙通道一致性的影響程度較小，但由于自身的隨機性，無法用函數(shù)擬合方法去除。這主要是由于隨著運行時間增加機械軸承磨損，靜態(tài)波導端面與動態(tài)波導端面同軸度在一個圓周轉(zhuǎn)動周期內(nèi)動態(tài)變化，導致旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)引入的偏差是動態(tài)變化的。因此，需要機外儀表長期跟蹤檢測，以保證雙偏振天氣雷達探測資料的可靠性。但必須注意的是，這個是在雷達剛運行時的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的狀態(tài)，隨著雷達的長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，雙偏振雷達旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)造成的影響不可忽略。

圖5 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)標定Fig.5 Calibration of rotary joint

4 結(jié)論

根據(jù)中國首批業(yè)務(wù)化雙偏振雷達的技術(shù)試驗，5部雙偏振雷達標定結(jié)果基本滿足技術(shù)指標要求，且整體運行比較穩(wěn)定，但仍存在一些問題。

(1)機內(nèi)標定與接收鏈路一致性基本滿足技術(shù)要求，但部分臺站接收機受到不定期的外界電磁干擾，影響了底部噪聲和噪聲系數(shù)的在線標定，導致接收主通道一致性偏差和噪聲系數(shù)的不穩(wěn)定，需進一步凈化電磁環(huán)境。

(2)由于基層雷達臺站對全鏈路標定缺乏有效的監(jiān)測手段，導致雷達雙偏振雷達全鏈路一致性并不理想，這對雙偏振雷達全鏈路的業(yè)務(wù)化標定與實時監(jiān)測提出了更高的要求。

(3)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對雙偏振天氣雷達ZDR和ΦDP的測量結(jié)果會造成一定程度影響，轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)引入的偏差是動態(tài)變化的，具有不確定性，需要注意的是，這是雙偏振雷達試驗初期的狀態(tài)，隨著旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的磨損，需要對其進行長期跟蹤檢測，以保證雙偏振天氣雷達探測資料的可靠性。