王簫鵬，陳玉寶，劉 潔，邵 楠，楊 亭

(1.中國氣象局氣象探測中心，北京100086；2貴州省大氣探測保障中心，貴陽550000)

0 引言

中國從20世紀(jì)90年代中期開始大規(guī)模建設(shè)具有定量測量降水和獲得大氣動(dòng)力場結(jié)構(gòu)能力的數(shù)字化全相參多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)，在定量測量降水以及對大尺度、中尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、演變的監(jiān)測能力方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著運(yùn)行年限的增加，天氣雷達(dá)設(shè)備硬件老化，可靠性和性能參數(shù)降低，導(dǎo)致雷達(dá)故障和回波異常情況逐漸增多，影響了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，阻礙了雷達(dá)建設(shè)效益進(jìn)一步發(fā)揮。2016年6—8月，中國氣象局氣象探測中心對全國170部業(yè)務(wù)運(yùn)行雷達(dá)進(jìn)行了檢查[4]。文章重點(diǎn)抽取了全國CINRAD/SA等6種型號27部雷達(dá)，結(jié)合獲取的現(xiàn)場測試結(jié)果和雷達(dá)自身運(yùn)行數(shù)據(jù)，評估了組網(wǎng)雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行性能，分析了雷達(dá)運(yùn)行性能下降的原因，并基于現(xiàn)有國內(nèi)外成熟技術(shù)，提出了在現(xiàn)有雷達(dá)體制下設(shè)備端所應(yīng)進(jìn)行的技術(shù)升級內(nèi)容，目的在于提高中國組網(wǎng)雷達(dá)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和現(xiàn)代化應(yīng)用水平。

1 天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行技術(shù)性能分析

1.1 評估內(nèi)容與方法

文章綜合考慮布網(wǎng)新一代天氣雷達(dá)的地域分布、運(yùn)行年限、運(yùn)行情況、抽查比例及維修頻次等因素，同時(shí)結(jié)合由于氣候情況和主汛期時(shí)段劃分的差異導(dǎo)致雷達(dá)觀測時(shí)間不同的情況，共抽取了截至2016年6月在網(wǎng)運(yùn)行的6種型號27部雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)性能評估，約占全國業(yè)務(wù)運(yùn)行雷達(dá)的15.9%。圖1(a)為27部雷達(dá)中各型號雷達(dá)占該型號全國業(yè)務(wù)運(yùn)行雷達(dá)總數(shù)的比例，分別約為：8.2%、20.0%、30.8%、40.0%、7.3%及19.0%；圖1(b)為抽測雷達(dá)運(yùn)行年限分布，可以看出，抽測的27部雷達(dá)作為評估的樣本滿足此次對全國雷達(dá)性能評估的要求。

性能分析分兩部分：1)對雷達(dá)機(jī)外發(fā)射功率、相位噪聲等14個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢查和測試，評估雷達(dá)當(dāng)前性能；2)基于雷達(dá)連續(xù)運(yùn)行在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射功率、噪聲系數(shù)及雜波抑制能力3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，評估雷達(dá)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。各項(xiàng)評估指標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

1)單部/單項(xiàng)雷達(dá)指標(biāo)合格率(PS)，指單部雷達(dá)滿足指標(biāo)要求的參數(shù)個(gè)數(shù)(T)在評估總參數(shù)量(M)所占百分比，或樣本中某項(xiàng)參數(shù)合格數(shù)(T)在樣本總量(M)所占百分比。該指標(biāo)用于對單部雷達(dá)系統(tǒng)質(zhì)量或單項(xiàng)指標(biāo)可靠性的考量，是作為現(xiàn)場評估的主要依據(jù)。

(1)

(2)

式中，N為參與測試?yán)走_(dá)的數(shù)量。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)場測試分析

通過對比雷達(dá)發(fā)射功率機(jī)內(nèi)、機(jī)外測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)(已剔除因軟件或硬件故障出現(xiàn)的機(jī)內(nèi)功率為0、無顯示等異常情況)，CB雷達(dá)發(fā)射功率機(jī)內(nèi)、機(jī)外測量平均誤差最大，達(dá)到0.62 dB，最大誤差為2.11 dB。SC、CD雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射功率測量不準(zhǔn)確，發(fā)射機(jī)輸出功率變化時(shí)，隨機(jī)功率計(jì)測量功率值無變化，或者根本采集不到數(shù)值。CC雷達(dá)在現(xiàn)場檢測中因測試儀表原因，未進(jìn)行發(fā)射功率機(jī)內(nèi)、機(jī)外一致性檢測。各型號雷達(dá)機(jī)內(nèi)、機(jī)外動(dòng)態(tài)范圍較為一致。CD雷達(dá)噪聲系數(shù)自動(dòng)測試中，采樣值變化幅度大且不穩(wěn)定，其他型號雷達(dá)噪聲系數(shù)自動(dòng)測試中，機(jī)內(nèi)(機(jī)外)測量值一致性較好，但各型號雷達(dá)噪聲系數(shù)普遍存在機(jī)內(nèi)與機(jī)外一致性差的問題。

1.3 雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行性能分析

基于雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對各型號雷達(dá)的重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以評估機(jī)內(nèi)監(jiān)測標(biāo)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因無法獲取SC、CC和CD雷達(dá)完整的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，文章只對其機(jī)內(nèi)發(fā)射功率測量性能進(jìn)行分析。

1.3.1 SA/SB雷達(dá)

由于梧州(SB)、臺州(SA)、桂林(SB)3部雷達(dá)在業(yè)務(wù)檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對徐州等8部SA/SB雷達(dá)進(jìn)行了相關(guān)分析。

分析8部雷達(dá)發(fā)射功率在3個(gè)月內(nèi)的幅度變化情況可知，泰州、南通、常州3部雷達(dá)機(jī)內(nèi)功率測量值穩(wěn)定且均符合指標(biāo)要求，其余5部雷達(dá)的功率測量值變化區(qū)間較大，即機(jī)內(nèi)功率測量值不穩(wěn)定，功率最大變化約210 kW，且存在以下2個(gè)問題：一是雷達(dá)開高壓運(yùn)行后(冷熱狀態(tài)變換)的3～5個(gè)體掃內(nèi)，機(jī)內(nèi)發(fā)射功率值會(huì)出現(xiàn)虛高，隨著運(yùn)行時(shí)間增加逐漸恢復(fù)穩(wěn)定；二是機(jī)內(nèi)功率在運(yùn)行中存在跳變情況，且跳變幅度較大，如柳州雷達(dá)功率值主區(qū)間為638～694 kW，最小值約540 kW，最大值約750 kW。

地物抑制能力主要由雷達(dá)系統(tǒng)相位噪聲(相干性)決定，地物抑制能力下降不利于速度產(chǎn)品資料分析和質(zhì)量控制，從而影響小尺度災(zāi)害性天氣速度特征分析。8部雷達(dá)的地物抑制能力變化情況可得出2016年1—3月8部雷達(dá)地物抑制能力滿足指標(biāo)要求，其中徐州、安慶、銅陵3部雷達(dá)穩(wěn)定性較好且指標(biāo)合格率高，常州、柳州、萬州3部雷達(dá)地物抑制能力穩(wěn)定性次之。

統(tǒng)計(jì)分析8部雷達(dá)的噪聲系數(shù)變化可知，8部雷達(dá)機(jī)內(nèi)噪聲系數(shù)在3個(gè)月內(nèi)均滿足指標(biāo)要求(小于4 dB)，且穩(wěn)定性較好(平均變化幅度小于1 dB)。

1.3.2 SC/CD雷達(dá)

由于綿陽(SC)、畢節(jié)(CD)2部雷達(dá)在業(yè)務(wù)檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對成都等6部SC/CD雷達(dá)進(jìn)行了相關(guān)分析。圖2是2016年5月對6部雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率值的分析，表明樂山雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率均為0，銅仁雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率有跳變，原因?yàn)闄C(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率測量裝置出現(xiàn)故障或運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致相關(guān)時(shí)間段無法獲取功率測量值；其余4部雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率值隨時(shí)間基本無變化，但機(jī)外多次功率測試數(shù)據(jù)表明，發(fā)射機(jī)功率應(yīng)該是處于波動(dòng)狀態(tài)，所以機(jī)內(nèi)功率記錄值與實(shí)際值有偏差，這種情況會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)標(biāo)定誤差[6]。

圖2 貴陽等6部SC/CD雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)輸出功率變化

1.3.3 CB雷達(dá)

由于綿陽和漢中雷達(dá)在業(yè)務(wù)檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對大同等4部雷達(dá)的性能穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。圖3為2015-12-27—2015-03-18 4部雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出功率變化情況，PS分別為：99.1%、98.9%、56.9%、9.3%，標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為：21.1 kW、11.9 kW、12.0 kW、73.3 kW，大同和榆林雷達(dá)功率波動(dòng)變化超過了0.3 dB(約18 kW)的指標(biāo)要求，榆林雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率最大波動(dòng)時(shí)段出現(xiàn)在更換速調(diào)管附近時(shí)段和發(fā)射機(jī)發(fā)生故障時(shí)段，波動(dòng)范圍可達(dá)50～350 kW。由于相參信號相噪不穩(wěn)定導(dǎo)致大同等4部雷達(dá)地物抑制能力超限且變化幅度大、不穩(wěn)定，地物抑制比標(biāo)準(zhǔn)差最大達(dá)14.3 dB(圖4)。圖5表明4部雷達(dá)噪聲系數(shù)比較穩(wěn)定，運(yùn)行期間基本符合小于等于4 dB的指標(biāo)要求。

圖3 西安等4部CB雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出功率變化

圖4 西安等4部CB雷達(dá)地物抑制能力變化

圖5 西安等4部CB雷達(dá)噪聲系數(shù)變化

1.3.4 CC雷達(dá)

由于齊齊哈爾和白山雷達(dá)在業(yè)務(wù)檢查過程中未獲取到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此文章對麗江等2部雷達(dá)的性能穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。以2016年5月2部雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率值變化情況為例，可以看出，2部雷達(dá)均存在機(jī)內(nèi)測試功率值跳變?yōu)?的異常情況，分析原因?yàn)闄C(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率測量裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致相關(guān)時(shí)間段無法獲取功率測量值。剔除跳變?yōu)?(麗江雷達(dá)22個(gè)時(shí)次，德宏雷達(dá)50個(gè)時(shí)次)的異常數(shù)據(jù)后，2部CC雷達(dá)的機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為9.2 kW、4.4 kW，滿足功率波動(dòng)變化小于0.3 dB(約18 kW)的要求，同時(shí)德宏雷達(dá)發(fā)射功率在評估時(shí)間段均滿足大于250 kW的指標(biāo)要求，但是麗江雷達(dá)部分時(shí)段(約占19.4%)低于指標(biāo)運(yùn)行，即運(yùn)行期間發(fā)射功率PS為80.6%，說明該雷達(dá)發(fā)射機(jī)性能不穩(wěn)定。

2 存在的主要問題

2.1 雷達(dá)關(guān)鍵器件性能退化、不穩(wěn)定，指標(biāo)合格率偏低

6種型號雷達(dá)性能變化與運(yùn)行年限明顯相關(guān)，各型號雷達(dá)，尤其是SC/CB平均指標(biāo)合格率偏低，表明雷達(dá)硬件存在不同程度性能退化的情況。發(fā)射機(jī)在冷、熱兩種狀態(tài)下功率相差較大，速調(diào)管T5普遍存在較嚴(yán)重雜散干擾、輸出功率不穩(wěn)定、指標(biāo)不合格等問題，而且SC/CC/CD速調(diào)管平均使用壽命偏低，在更換速調(diào)管時(shí)間段附近和發(fā)射機(jī)發(fā)生故障時(shí)段，峰值功率往往會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)，部分型號雷達(dá)T3存在底噪干擾與跳動(dòng)，合格率低。發(fā)射機(jī)功率測量誤差大、機(jī)內(nèi)和機(jī)外測量值差別大，存在跳變甚至無法獲取功率測量值(跳變?yōu)?)或功率值根本不變化、SYSCAL值出現(xiàn)大幅跳變?yōu)槠娈悢?shù)據(jù)等現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要由發(fā)射機(jī)功率等參數(shù)的測量裝置準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性不高引起，從而影響在線標(biāo)定準(zhǔn)確度。CC、CD雷達(dá)天伺系統(tǒng)和SC雷達(dá)接收系統(tǒng)均需要重點(diǎn)進(jìn)行性能恢復(fù)。各型號雷達(dá)匯流環(huán)的維護(hù)工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且頻繁更換匯流環(huán)可能是導(dǎo)致SE1/SE2合格率偏低的原因之一。

2.2 雷達(dá)性能在線監(jiān)測參數(shù)少，自動(dòng)分析能力不足

27部雷達(dá)中相位噪聲、動(dòng)態(tài)范圍等14項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)現(xiàn)場測試合格率偏低，但由于各型號雷達(dá)在線監(jiān)測參數(shù)較少，尤其是SC/CC/CD雷達(dá)，多種關(guān)鍵參數(shù)只能通過現(xiàn)場采用機(jī)外儀表測試的方式進(jìn)行檢查，無法實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)且部分型號能夠在線監(jiān)測的個(gè)別參數(shù)值未能真實(shí)反映雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)。目前在網(wǎng)運(yùn)行的雷達(dá)缺少在線評估雷達(dá)性能的能力且標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，運(yùn)行不夠穩(wěn)定，不能及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵性能變化及超限預(yù)警，導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握各型號雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)和整體性能的變化，從而難以查明雷達(dá)性能不穩(wěn)定、產(chǎn)品拼圖質(zhì)量下降的原因。

2.3 雷達(dá)自標(biāo)定功能不完備

SA/SB/CB型號雷達(dá)的定標(biāo)體系相對完備，基本滿足業(yè)務(wù)需求，CC/SC/CD型號雷達(dá)的定標(biāo)體系則相對簡單。部分型號雷達(dá)不具備回波強(qiáng)度在線標(biāo)定功能，以及地雜波抑制能力、接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)、標(biāo)定通道關(guān)鍵參數(shù)等在線檢查功能，因而無法根據(jù)雷達(dá)性能參數(shù)變化實(shí)時(shí)校正測量誤差，以確保反射率因子測量準(zhǔn)確度，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)S3指標(biāo)合格率偏低。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)S1合格率和穩(wěn)定性普遍不高，需改進(jìn)標(biāo)定技術(shù)降低雷達(dá)系統(tǒng)相位噪聲，提高地物抑制能力，以便更好地對速度產(chǎn)品分析和質(zhì)量控制。此外，部分雷達(dá)標(biāo)定方法不統(tǒng)一、操作復(fù)雜，如太陽法標(biāo)定，功能不穩(wěn)定、檢測成功率低、誤差大。

3 主要對策分析

文章針對業(yè)務(wù)雷達(dá)設(shè)備端存在的問題，為提高雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)對新一代天氣雷達(dá)進(jìn)行全面技術(shù)升級，提出以下3方面要求。

3.1 提升雷達(dá)關(guān)鍵器件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

參考先進(jìn)國家氣象雷達(dá)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，與此同時(shí)兼顧國內(nèi)相關(guān)器件技術(shù)成熟度，文章提出了雷達(dá)關(guān)鍵器件主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。從而提高雷達(dá)的探測性能和雷達(dá)可靠性，降低了雷達(dá)的使用成本，同時(shí)也降低了雷達(dá)的故障率。如接收機(jī)應(yīng)增加Burst混頻標(biāo)定通道，增加相位編碼技術(shù)，可提升雷達(dá)系統(tǒng)地物抑制能力和相位噪聲指標(biāo)。

表1 各型號雷達(dá)關(guān)鍵器件性能要求

3.2 統(tǒng)一雷達(dá)監(jiān)測和定標(biāo)體系

雷達(dá)定標(biāo)和監(jiān)測體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括在線監(jiān)測參數(shù)、測試信號、定時(shí)與實(shí)時(shí)定標(biāo)技術(shù)方法和流程等。各型號雷達(dá)在線自動(dòng)測試參數(shù)建議統(tǒng)一為靜態(tài)參數(shù)、運(yùn)行模式、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)、在線定時(shí)標(biāo)定參數(shù)和在線實(shí)時(shí)標(biāo)定參數(shù)等5類[7，8]，CC/SC/CD應(yīng)增加相位噪聲、噪聲系數(shù)和雜波抑制參數(shù)在線測試以及速度在線檢查等功能，形成完善的雷達(dá)定標(biāo)體系，提高組網(wǎng)雷達(dá)觀測資料均一性。

3.3 提升雷達(dá)新技術(shù)應(yīng)用能力

各型號雷達(dá)應(yīng)增加統(tǒng)一的性能分析算法，在線分析雷達(dá)性能，動(dòng)態(tài)掌握雷達(dá)性能變化，便于降低指標(biāo)不合格率。應(yīng)用雷達(dá)地基有源標(biāo)定技術(shù)，解決現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達(dá)無法驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)真實(shí)性、無法對雷達(dá)天線等參數(shù)現(xiàn)場進(jìn)行精確測量、缺少組網(wǎng)雷達(dá)公共標(biāo)定源、缺少雙偏振雷達(dá)全鏈路標(biāo)定手段等影響觀測準(zhǔn)確度的主要問題。在現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達(dá)上試驗(yàn)并應(yīng)用雷達(dá)精細(xì)化探測技術(shù)[9]，在一定程度上提升了S波段新一代天氣雷達(dá)對中小尺度天氣過程的探測能力，因此升級現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達(dá)部分硬件和軟件，以最小升級成本，實(shí)現(xiàn)其在時(shí)效性、精細(xì)化和個(gè)體化探測方面能力的顯著提升。

4 結(jié)束語

文章通過分析現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達(dá)各項(xiàng)技術(shù)性能，指出了設(shè)備端存在的問題，進(jìn)而有針對性地給出了雷達(dá)升級的主要方向。

1)27部抽樣雷達(dá)14個(gè)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)合格率偏低，6種型號現(xiàn)場測試平均指標(biāo)合格率依次為：78.57%、71.43%、39.29%、37.14%、67.86%和55.36%。6種型號雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行性能下降或不穩(wěn)定，雷達(dá)整體性能差異相對明顯，而設(shè)備端問題主要由雷達(dá)關(guān)鍵器件性能退化、在線監(jiān)測分析能力不足及標(biāo)定體系不完善等原因造成。

2)根據(jù)文章分析結(jié)果，應(yīng)盡快完成雷達(dá)端設(shè)備技術(shù)升級，尤其是運(yùn)行年限超過10 a的雷達(dá)，升級內(nèi)容主要應(yīng)為提升雷達(dá)關(guān)鍵器件性能、統(tǒng)一監(jiān)測和定標(biāo)體系、提升雷達(dá)新技術(shù)應(yīng)用能力等3方面，目前大規(guī)模的升級工作已經(jīng)啟動(dòng)。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)地基有源全鏈路標(biāo)定、性能分析等新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以整體提升雷達(dá)現(xiàn)代化技術(shù)水平，從根本上逐步解決各型號雷達(dá)間性能和觀測資料差異偏大等問題。