劉 方，任慧芳，李林蔚，劉 斌，王志偉，葉 飛

(1.內(nèi)蒙古大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，呼和浩特 010051；2.土默特左旗氣象局，呼和浩特 010105；3.湖南省氣象技術(shù)裝備中心，長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

截至目前，內(nèi)蒙古自治區(qū)共有10部C波段多普勒天氣雷達(dá)。為保證雷達(dá)的正常運(yùn)行，省級(jí)技術(shù)人員會(huì)在汛期前后開(kāi)展兩次維護(hù)工作，對(duì)雷達(dá)不同系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整參數(shù)至正常狀態(tài)，以保證雷達(dá)的正常運(yùn)行。雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)決定，因此文章將對(duì)C波段多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的定標(biāo)原理與方法進(jìn)行分析和討論。

1 發(fā)射系統(tǒng)

1.1 發(fā)射脈沖包絡(luò)

發(fā)射脈沖包絡(luò)測(cè)試內(nèi)容包括：包絡(luò)寬度τ、上升時(shí)間τr、下降時(shí)間τf以及頂降δ。圖1為發(fā)射脈沖包絡(luò)示意圖，脈沖包絡(luò)的最大幅度為Umax，脈沖包絡(luò)的平頂為Um，從脈沖包絡(luò)前沿0.7Um到脈沖包絡(luò)后沿0.7Um為包絡(luò)寬度τ；脈沖包絡(luò)前沿0.1Um到0.9Um為上升時(shí)間τr；脈沖包絡(luò)后沿0.9Um到0.1Um為下降時(shí)間τf；頂降δ可由公式(1)計(jì)算得到：

(1)

發(fā)射脈沖包絡(luò)采用機(jī)外儀表測(cè)試。圖2為發(fā)射脈沖包絡(luò)測(cè)試框圖，發(fā)射信號(hào)通過(guò)雷達(dá)饋線(xiàn)中的定向耦合器耦合輸出，并通過(guò)測(cè)試電纜、衰減器接入檢波器和示波器，設(shè)置示波器顯示完整包絡(luò)形狀，讀取發(fā)射脈沖包絡(luò)的各種參數(shù)。對(duì)于不同脈寬、不同重復(fù)頻率應(yīng)分別測(cè)量。需要注意的是在切換不同脈沖寬度時(shí)首先要關(guān)閉發(fā)射機(jī)高壓，然后進(jìn)行脈沖切換，否則容易造成發(fā)射機(jī)損壞。

圖1 發(fā)射脈沖包絡(luò)示意圖

圖2 發(fā)射脈沖包絡(luò)測(cè)試框圖

1.2 發(fā)射機(jī)峰值功率

雷達(dá)的最大探測(cè)距離Rmax可由公式(2)計(jì)算得到，雷達(dá)方程在接收機(jī)性能固定的情況下雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的峰值功率決定了雷達(dá)的最大探測(cè)距離，所有在對(duì)雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)定標(biāo)時(shí)要對(duì)發(fā)射機(jī)峰值功率進(jìn)行檢測(cè)。

(2)

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)峰值功率；G為天線(xiàn)增益；Ae為天線(xiàn)有效接收面積；δ為目標(biāo)物等效后向散射面積；Smin為接收機(jī)最小可測(cè)信號(hào)。

發(fā)射機(jī)峰值功率，采用機(jī)外儀表測(cè)試法和機(jī)內(nèi)自動(dòng)測(cè)試法。通過(guò)雷達(dá)饋線(xiàn)中的定向耦合器將發(fā)射信號(hào)耦合輸出，并通過(guò)測(cè)試電纜、衰減器接入機(jī)外(或機(jī)內(nèi))功率計(jì)，設(shè)置功率計(jì)即可顯示發(fā)射脈沖的峰值功率，C波段多普勒天氣雷達(dá)要求峰值發(fā)射功率不小于250 kW。對(duì)于不同脈寬，不同重復(fù)頻率應(yīng)分別測(cè)量。使用機(jī)外儀表測(cè)試時(shí)需要注意的是測(cè)試之前要對(duì)功率計(jì)進(jìn)行校零，校零之后重新設(shè)置功率計(jì)的工作頻率、偏移量(Oset)以及占空比(Dt)。

Oset=Lc+L1+L2+d

(3)

式中，Lc為發(fā)射機(jī)耦合器的耦合度，可從耦合器銘牌上查詢(xún)；L1為固定衰減器的衰減值；L2為測(cè)試電纜損耗；d為其他損耗，可根據(jù)實(shí)際情況確定。

(4)

式中，τ為發(fā)射脈沖寬度；F為脈沖重復(fù)頻率。

1.3 極限改善因子

新一代天氣雷達(dá)采用脈沖多普勒體制，系統(tǒng)的相干性直接影響了雷達(dá)對(duì)回波信號(hào)譜參數(shù)的估計(jì)和系統(tǒng)的地物對(duì)消能力。雷達(dá)系統(tǒng)的相干性指雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)各信號(hào)的頻率是穩(wěn)定的，信號(hào)的初相位是相同的，或相互之間存在固定的關(guān)系。雷達(dá)的相干性指標(biāo)可用極限改善因子來(lái)反映，極限改善因子分為發(fā)射機(jī)輸入極限改善因子和輸出極限改善因子兩項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，參照普來(lái)賽西門(mén)子雷達(dá)公司提供的測(cè)試方法，用頻譜儀檢測(cè)信號(hào)功率譜密度分布[2]。極限改善因子的計(jì)算方法如公式(5)：

(5)

極限改善因子采用機(jī)外儀表測(cè)試方法。通過(guò)雷達(dá)饋線(xiàn)中的定向耦合器將發(fā)射信號(hào)耦合輸出，并通過(guò)測(cè)試電纜、衰減器接入頻譜儀，設(shè)置頻譜儀測(cè)量發(fā)射及輸出信號(hào)的信噪比，經(jīng)計(jì)算可得出發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子。需要注意的是測(cè)試發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)噪聲比時(shí)需要打開(kāi)發(fā)射機(jī)高壓并且頻譜儀與定向耦合之間要接入衰減器，測(cè)試發(fā)射機(jī)輸入信號(hào)噪聲比時(shí)不需要開(kāi)高壓和連接衰減器。C波段雷達(dá)測(cè)試極限改善因子時(shí)公式(5)中B取3 Hz，F(xiàn)為測(cè)試時(shí)雷達(dá)實(shí)際的工作頻率。

2 接收系統(tǒng)

2.1 接收機(jī)噪聲系數(shù)

由于放大器自身有噪聲，輸出端的信噪比和輸入端信噪比不相同，為此，使用噪聲系數(shù)來(lái)衡量放大器自身的噪聲水平。噪聲系數(shù)可定義為接收系統(tǒng)輸入端信號(hào)噪聲比(Si/Ni)與輸出端信號(hào)噪聲比(So/No)的比值，可用公式(6)表示：

(6)

目前C波段多普勒天氣雷達(dá)噪聲系數(shù)采用Y因子測(cè)量方法，當(dāng)噪聲源不通電時(shí)，接收系統(tǒng)的輸出噪聲為溫度T0=290 K時(shí)的熱噪聲，噪聲功率為N1；當(dāng)噪聲源通電時(shí)，接收系統(tǒng)的輸出噪聲為溫度T2時(shí)的熱噪聲，噪聲功率為N2。溫度T2是噪聲源的有效噪聲溫度，與有效超噪比ENR之間的關(guān)系可用公式(7)表示：

(7)

噪聲系數(shù)可以用公式(8)表示：

(8)

將公式(7)代入公式(8)中，同時(shí)噪聲系數(shù)用分貝表示為NF，接收機(jī)輸出噪聲功率N1和N2也用分貝表示為P1，P2，可得公式：

NF=ENR有效-10lg(100.1(P2-P1)-1)

(9)

式中，ENR有效為有效噪聲源超噪比(單位：dB)；P1為斷開(kāi)噪聲源的讀數(shù)(單位：dBm)；P2為接通噪聲源的讀數(shù)(單位：dBm)。

噪聲功率P1，P2的測(cè)量可通過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)或噪聲系數(shù)測(cè)試儀完成，即噪聲系數(shù)測(cè)量方法分為機(jī)內(nèi)噪聲源法和機(jī)外噪聲源法。外接噪聲源和機(jī)內(nèi)噪聲源測(cè)量的差值應(yīng)≤0.2 dB。

選擇機(jī)內(nèi)噪聲源法測(cè)試時(shí)，可以在雷達(dá)測(cè)試軟件內(nèi)完成噪聲系數(shù)的測(cè)試[3]。選擇機(jī)外噪聲源法測(cè)試時(shí)，需要外接固態(tài)噪聲源，目前升級(jí)改造后的CINRAD/CD雷達(dá)接收機(jī)自帶28 V電源，可對(duì)外接噪聲源進(jìn)行供電，其余C波段多普勒天氣雷達(dá)可以使用頻譜儀自帶28 V電源對(duì)噪聲源進(jìn)行供電。如果機(jī)外噪聲源法測(cè)量結(jié)果達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，機(jī)內(nèi)噪聲源法測(cè)試結(jié)果與外接噪聲源法測(cè)試結(jié)果應(yīng)不滿(mǎn)足差值小于0.2 dB的指標(biāo)要求，則需要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步檢查或維修。方法是修改機(jī)內(nèi)噪聲源ENR常數(shù)值(即有效超噪比ENR有效)，使機(jī)內(nèi)、機(jī)外噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍

接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍表示接收系統(tǒng)正常工作允許的輸入信號(hào)強(qiáng)度范圍，信號(hào)太弱，則無(wú)法被檢測(cè)出來(lái)；信號(hào)太強(qiáng)，接收機(jī)會(huì)發(fā)生飽和過(guò)載。新一代天氣雷達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍是指瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，即不含STC(時(shí)間靈敏度控制或近程增益控制)的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量采用外接信號(hào)源或機(jī)內(nèi)測(cè)試信號(hào)源，信號(hào)源輸出信號(hào)在接收機(jī)低噪聲放大器輸入端注入，在雷達(dá)終端監(jiān)控軟件上自動(dòng)獲取A/D輸出的功率(單位：dBm)或反射率(單位：dBZ)。改變信號(hào)源輸出信號(hào)的功率，測(cè)量系統(tǒng)的輸入、輸出特性。根據(jù)輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合直線(xiàn)斜率為1。由實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)差值(≤1.0 dB)來(lái)確定接收系統(tǒng)低端下拐點(diǎn)和高端上拐點(diǎn)(飽和點(diǎn))，下拐點(diǎn)和上拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率值的差值即為動(dòng)態(tài)范圍。需要注意的是采用機(jī)外信號(hào)源法時(shí)，要準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)試電纜的損耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

C波段多普勒天氣雷達(dá)的使用，在歷次氣象災(zāi)害過(guò)程中充分發(fā)揮了“千里眼”的作用，為防災(zāi)減災(zāi)決策服務(wù)提供了有力支撐。做好天氣雷達(dá)的定標(biāo)維護(hù)工作，是雷達(dá)在重大天氣過(guò)程中能夠發(fā)揮重要作用的前提。