CINRAD/CC-D雙偏振天氣雷達(dá)雙通道一致性研究

姜方達(dá), 曲紹君, 趙雪明, 鞏力源, 裴建勛

(吉林省氣象探測(cè)保障中心，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

天氣雷達(dá)作為天氣探測(cè)和預(yù)報(bào)的重要技術(shù)裝備已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：常規(guī)模擬天氣雷達(dá)階段、數(shù)字化天氣雷達(dá)階段和多普勒天氣雷達(dá)階段[1]。前兩者只能探測(cè)氣象目標(biāo)的位置和強(qiáng)度等靜態(tài)信息，由于缺乏獲取目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息的能力，很難做出準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，而多普勒天氣雷達(dá)不僅能探測(cè)氣象目標(biāo)的靜態(tài)信息，還能夠探測(cè)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息，如速度、譜寬等，從而得到大氣風(fēng)場(chǎng)和湍流等信息，以提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。

2000年開(kāi)始，美國(guó)將布網(wǎng)天氣雷達(dá)升級(jí)為具有偏振功能的雷達(dá)，標(biāo)志著偏振探測(cè)技術(shù)的成熟[2]。隨后，單偏振多普勒天氣雷達(dá)逐漸發(fā)展為雙偏振和多偏振，其中雙偏振天氣雷達(dá)技術(shù)趨于成熟并得到廣泛應(yīng)用，因此，對(duì)雙偏振標(biāo)定方法、精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。使用雙偏振標(biāo)定技術(shù)可以全面檢查雷達(dá)系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)時(shí)在線校正雷達(dá)系統(tǒng)偏差，提高了雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量[3]。

文獻(xiàn)[4]指出造成雙偏振雷達(dá)差分反射率因子Zdr誤差的主要原因包括雙通道隔離度和天線增益等。文獻(xiàn)[5]分析了天線系統(tǒng)、接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，提出了兩通道隔離度對(duì)偏振數(shù)據(jù)的影響，并利用金屬球法和微雨滴法對(duì)天線兩通道的增益進(jìn)行標(biāo)定，使用以上方法,文獻(xiàn)[6-7]中以提高雷達(dá)雙通道探測(cè)性能為目標(biāo)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)差分反射率Zdr進(jìn)行了測(cè)試和標(biāo)定的研究工作。文獻(xiàn)[8]在模擬研究的基礎(chǔ)上給出了共極化和交叉極化通道隔離度的求法。文獻(xiàn)[9-11]通過(guò)對(duì)不同極化方式的測(cè)量數(shù)據(jù)分析，得出通道增益是導(dǎo)致差分反射率誤差因子產(chǎn)生的主要原因。文獻(xiàn)[12-14]通過(guò)C波段雙偏振天氣雷達(dá)機(jī)內(nèi)信號(hào)源的連續(xù)波輸出對(duì)雷達(dá)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)造成的誤差由于信號(hào)進(jìn)出的方向不同，對(duì)雙通道造成的影響也不相同，但對(duì)雙通道一致性的影響較為固定，可以通過(guò)后期處理進(jìn)行修正。目前，通過(guò)硬件工藝可以有效改善雙通道增益和隔離度對(duì)差分反射率因子的影響，通過(guò)以上嘗試和探索得出在造成差分反射率測(cè)量誤差的因素中，雙通道的一致性成為最主要原因之一。文中結(jié)合長(zhǎng)春市氣象局CC-D雷達(dá)闡述了雷達(dá)的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了接收、發(fā)射和天線通路對(duì)雙通道一致性的影響，提出雙通道一致性校準(zhǔn)的原理和方法，檢驗(yàn)了雙偏振雷達(dá)雙通道的一致性，對(duì)各級(jí)臺(tái)站雙偏振雷達(dá)技術(shù)保障工作具有良好的借鑒意義。

1 影響雙通道一致性的因素

CC-D雷達(dá)由天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號(hào)處理分系統(tǒng)等9部分組成。接收分系統(tǒng)產(chǎn)生可變頻C波段射頻激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)發(fā)射分系統(tǒng)整形功放送入速調(diào)管，輸出峰值功率大于250 kW的射頻脈沖信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)功分的水平(H)、垂直(V)兩路電磁波信號(hào)經(jīng)天饋系統(tǒng)由天線向空間定向輻射出去；由散射粒子返回的微弱射頻回波，經(jīng)過(guò)饋線送往接收分系統(tǒng)做功放和下變頻處理得到60 MHz的中頻回波信號(hào)，經(jīng)采樣處理后的I/Q正交信號(hào)送往信號(hào)處理分系統(tǒng)；在信號(hào)處理分系統(tǒng)中，對(duì)I/Q正交信號(hào)進(jìn)行平方律檢波、地物雜波對(duì)消處理得到反射率數(shù)值；通過(guò)脈沖對(duì)處理(Pulse Pair Processing，PPP)或傅里葉變換處理(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，從而得到散射粒子的動(dòng)態(tài)信息如差分反射率因子等。通過(guò)上述工作過(guò)程可見(jiàn)，影響雙偏振雷達(dá)雙通道一致性的因素主要包括天線、接收機(jī)、旋轉(zhuǎn)鉸鏈和饋線[15]。

天線對(duì)雙通道一致性的影響主要取決于方向圖的一致性和通道增益的一致性，這些由雷達(dá)口徑和發(fā)射波長(zhǎng)及波導(dǎo)長(zhǎng)度等出廠設(shè)計(jì)產(chǎn)生的誤差是隨機(jī)的，在實(shí)際測(cè)量檢測(cè)中，無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)配置來(lái)訂正校準(zhǔn)。目前常見(jiàn)的是依靠相控陣天線硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)期望目標(biāo)，以減小差分反射率誤差。信號(hào)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)，由于信號(hào)進(jìn)出的方向不同，對(duì)雙通道造成的影響也不相同,且旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)雷達(dá)雙通道一致性的影響較為隨機(jī)，無(wú)法通過(guò)后期修正補(bǔ)償。接收機(jī)分為H、V兩路，要求其擁有一致的靈敏度和相同的動(dòng)態(tài)范圍。但實(shí)際上由于微波器件插入產(chǎn)生功率損耗、噪聲系數(shù)不同和連接波導(dǎo)長(zhǎng)度不完全匹配，使測(cè)得信號(hào)和相移長(zhǎng)度都會(huì)存在差異，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)曲線的斜率和截距，但這種誤差可通過(guò)系統(tǒng)訂正補(bǔ)償進(jìn)行消除。

2 雙通道一致性校準(zhǔn)方法

CC-D雷達(dá)雙通道一致性校準(zhǔn)主要是對(duì)Zdr進(jìn)行數(shù)值校準(zhǔn)，采用相對(duì)值進(jìn)行校準(zhǔn)，排除由波導(dǎo)和微波器件連接產(chǎn)生的誤差及測(cè)試過(guò)程中信號(hào)源、傳輸電纜等測(cè)試設(shè)備帶來(lái)的不可預(yù)見(jiàn)誤差[16]。可通過(guò)遮擋饋源處實(shí)現(xiàn)收發(fā)通路的一體化標(biāo)校，但鏈路越長(zhǎng)，產(chǎn)生的不確定誤差越多，實(shí)際中可分為接收通路一致性校準(zhǔn)(Receive Consistency Calibration，RCC)；發(fā)射通路一致性校準(zhǔn)(Transmit Consistency Calibration，TCC)；天線支路一致性校準(zhǔn)(Antenna Consistency Calibration，ACC)。

系統(tǒng)總誤差可表示為

ESYS=ERCC+ETCC+EACC。

(1)

2.1 收發(fā)通路一致性校準(zhǔn)

接收通道測(cè)量框圖如圖1所示。

圖1 接收通道測(cè)量框圖

圖1中，使用信號(hào)源注入幅度適當(dāng)信號(hào)Si，信號(hào)幅度可通過(guò)估算損耗盡量選取在動(dòng)態(tài)區(qū)間范圍內(nèi)輸入。測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器、隔離器、定向耦合器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和環(huán)形器后，由接收支路返回中頻數(shù)字信號(hào)處理，得出H、V兩通道的幅度值PRH、PRV，則接收通路一致性誤差可表示為

ERCC=(PRH-PRV)+(SRH-SRV)+

(CH-CV),

(2)

式中:PRH、PRV——終端顯示功率數(shù)值；

SRH、SRV——信號(hào)源經(jīng)過(guò)功分后進(jìn)入H、V通道的信號(hào)；

CH、CV——對(duì)應(yīng)耦合度。

發(fā)射通路一致性校準(zhǔn)過(guò)程與接收通路類似，經(jīng)測(cè)量可得發(fā)射通路一致性誤差為

ETCC=(PTH-PTV)+(STH-STV)+

(CH-CV),

(3)

式中:PTH、PTV——終端顯示功率數(shù)值；

STH、STV——信號(hào)源經(jīng)過(guò)功分后進(jìn)入H、V通道的信號(hào)；

CH、CV——對(duì)應(yīng)耦合度。

2.2 天線支路一致性校準(zhǔn)

天線支路測(cè)量框圖如圖2所示。

圖2中，由饋源接收射頻信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)Si，信號(hào)源按照雷達(dá)工作參數(shù)設(shè)置頻率和幅度，經(jīng)過(guò)相移器、耦合器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和環(huán)形器后進(jìn)入接收機(jī)或恒溫接收機(jī)中，經(jīng)數(shù)字中頻信號(hào)處理后在終端顯示，得出兩個(gè)支路的幅度值分別記為PAH、PAV，也可使用太陽(yáng)法進(jìn)行測(cè)量比較，則天線支路一致性誤差可表示為

圖2 天線支路測(cè)量框圖

EACC=(PAH-PAV)+(SAH-SAV)+

(CH-CV),

(4)

式中:PAH、PAV——終端顯示功率數(shù)值；

SAH、SAV——H、V通道中的信號(hào)；

CH、CV——對(duì)應(yīng)耦合度。

綜上所述，系統(tǒng)一致性誤差主要產(chǎn)生在收發(fā)通路和天線支路。由于差分發(fā)射率因子Zdr是電磁波信號(hào)由散射粒子返回的動(dòng)態(tài)信息量求得的差分量，因此接收通道一致性的檢測(cè)尤為重要，在實(shí)際中，我們要求雙通道幅度差≤0.2 dB，即Zdr的誤差應(yīng)≤0.2 dB[17]。

3 雙通道一致性檢驗(yàn)

CC-D雷達(dá)是新一代天氣雷達(dá)CINRAD/CC升級(jí)換代產(chǎn)品，主要布設(shè)在吉林、黑龍江、云南、新疆等省區(qū)，CC-D雷達(dá)在CC雷達(dá)基礎(chǔ)上，在關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)采集、自動(dòng)標(biāo)校、接收數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)信息上傳等方面做了全面技術(shù)升級(jí)，最重要的是增加雙線偏振功能，可對(duì)降水粒子的物理相態(tài)做準(zhǔn)確判斷，適用于冰雹、冰晶、雪片等回波識(shí)別。

采用文中方法對(duì)長(zhǎng)春市CC-D雷達(dá)雙通道一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，使用儀器見(jiàn)表1。

表1 儀器及型號(hào)

在窄脈寬條件下，利用機(jī)外信號(hào)源和機(jī)內(nèi)信號(hào)源注入測(cè)試信號(hào)的H、V通道機(jī)外和機(jī)內(nèi)特性曲線如圖3所示。

(a)H通道機(jī)外運(yùn)動(dòng)曲線

由圖3可以看出，H和V通道的下拐點(diǎn)分別為107.8 dB和107.9 dB，即最小可測(cè)功率信號(hào)，雙通道特性曲線斜率均為1.004，動(dòng)態(tài)范圍均≥85，在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)任取測(cè)試點(diǎn)外接信號(hào)源進(jìn)行測(cè)量，可得信號(hào)源注入相同功率對(duì)應(yīng)H和V通道接收機(jī)輸出功差值，即雙通道幅度差≤0.2 dB，符合技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

提出CC-D天氣雷達(dá)雙通道一致性校準(zhǔn)方法，采用內(nèi)外相對(duì)測(cè)量檢驗(yàn)雙通道一致性，有效排除了信號(hào)源、測(cè)試電纜和轉(zhuǎn)接頭等設(shè)備和元件產(chǎn)生的不確定干擾，輔之以天線和全鏈路一致性校準(zhǔn),提升了檢驗(yàn)的準(zhǔn)確率和可信度。經(jīng)檢驗(yàn)雙通道動(dòng)態(tài)曲線和動(dòng)態(tài)范圍基本一致，雙通道幅度差≤0.2 dB，具有良好的校準(zhǔn)效果。