楊傳鳳，刁秀廣，張騫，魏海文

(山東省氣象臺，山東 濟南 250031)

引言

雙偏振多普勒天氣雷達(以下簡稱“雙偏振雷達”)通過交替發(fā)射或者同時發(fā)射水平和垂直偏振波，并接收兩個偏振方向回波信號的方法，不僅能探測識別粒子的反射率因子(Z)、多普勒速度(V)和速度譜寬(W)信息，更能通過探測到差分反射率因子(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(CC)、差分傳播相移(ΦDP)、差分傳播相移率(KDP)等雙偏振參量，進一步識別降水粒子的形態(tài)、相態(tài)及滴譜分布等更為具體的信息。相比單偏振雷達，雙偏振雷達在定量估測降水、相態(tài)識別等方面更具有優(yōu)勢。2013年美國完成了WSR-88D雷達的雙偏振升級，2015年國內(nèi)開展對業(yè)務(wù)組網(wǎng)雷達進行雙偏振升級改造試點工作，2017年全國各地陸續(xù)開展新一代天氣雷達雙偏振技術(shù)升級。為更好地應(yīng)用雙偏振雷達，國內(nèi)外學(xué)者在雙偏振雷達應(yīng)用方面進行了大量的研究，針對雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究也取得了不少的成績[1-11]。雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究基本上是基于雷達基數(shù)據(jù)及生成的雷達產(chǎn)品展開的，主要解決的是由外界原因如地物遮擋、超折射、電磁波干擾、海浪、昆蟲等引起的非氣象回波等方面的質(zhì)量問題，基于雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線自動標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究相對較少。雙偏振多普勒天氣雷達的主要特點是通過水平(H)和垂直(V)雙通道回波信號的微小差異來識別所探測降水粒子的特征[12-19]，為保證探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，雙偏振雷達升級對硬件性能方面提出了更高的要求。水平和垂直雙通道的一致性和隔離度、系統(tǒng)噪聲及信號強度衰減等都是影響雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線自動標(biāo)定測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線自動標(biāo)定測量數(shù)據(jù)質(zhì)量下降將直接影響著雷達探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的下降。據(jù)文獻[1,20-26]，以反射率因子Z為40 dBZ為例，如果反射率因子Z的測量精度達到±1 dB，差分反射率因子ZDR的測量精度達到±0.20 dB時，則降水估計偏差可控制在18%以下；當(dāng)ZDR的測量精度達到±0.10 dB時，也可區(qū)分不同類型的降水。所以開展天氣雷達雙偏振升級后的標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量評估是一項急需且重要的工作。2019年5月29日濟南CINRAD/SA雷達完成雙偏振(CINRAD/SA-D)技術(shù)升級并通過現(xiàn)場測試，作為國內(nèi)比較早進行雙偏振升級改造的業(yè)務(wù)組網(wǎng)雷達之一，有必要對CINRAD/SA-D雷達運行在線自動標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量開展分析評估，為后續(xù)雙偏振技術(shù)升級數(shù)據(jù)的可靠性及穩(wěn)定性、質(zhì)量控制、定量估測降水及粒子相態(tài)識別等業(yè)務(wù)開展打下基礎(chǔ)。

1 CINRAD/SA-D雷達在線自動標(biāo)定技術(shù)與技術(shù)要求

CINRAD/SA-D雷達在線自動標(biāo)定按照標(biāo)定信號源安裝位置和注入點的不同分為標(biāo)定信號1和標(biāo)定信號2(圖1)。標(biāo)定信號1包括：1)晶振頻率源(4A1)J3輸出的CW射頻連續(xù)波測試信號；2)發(fā)射機高頻脈沖形成器3A5輸出的RFD射頻激勵信號；3)延遲10 μs發(fā)射機速調(diào)管輸出的KD測試信號；4)射頻噪聲源輸出的NOISE測試信號。標(biāo)定信號1經(jīng)接收機四位開關(guān)四選一，通過機房內(nèi)功分器、接收機保護器、低噪聲放大器后進入數(shù)字中頻WRSP，用來檢查安裝在設(shè)備機房內(nèi)的接收通道狀態(tài)。標(biāo)定信號2(TS連續(xù)波測試信號)安裝在天線反射體背面，該標(biāo)定信號經(jīng)過天線內(nèi)功分器、定向耦合器、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、環(huán)形器及機房內(nèi)接收機保護器、低噪聲放大器后進入接收機WRSP，用來檢查天線罩和設(shè)備機房在內(nèi)的所有接收鏈路的狀態(tài)。兩路標(biāo)定信號在線標(biāo)定包含了機房內(nèi)兩路接收通道的幅度和相位一致性、全鏈路接收通道的幅度和相位一致性、接收機噪聲溫度和噪聲電平、反射率標(biāo)定、發(fā)射機功率及系統(tǒng)的地物雜波抑制能力等，各參數(shù)在線標(biāo)定周期見表1。兩路標(biāo)定信號在在線自動標(biāo)定過程中互補，避免了因標(biāo)定信號本身的問題帶來的誤修訂，對檢驗接收鏈路雙通道幅度和相位的一致性至關(guān)重要。CINRAD/SA-D雷達不僅具備完善的自動監(jiān)測、標(biāo)定功能，同時還增加了相位編碼技術(shù)與Burst混頻標(biāo)定技術(shù)，射頻脈沖信號經(jīng)發(fā)射機定向耦合器1DC耦合輸出的延遲10 μs發(fā)射機速調(diào)管輸出的KD測試信號與頻率源(4A1)J2送來的本振(Stalo)信號進行Burst混頻，得到帶有發(fā)射機輸出脈沖信息的信號送入數(shù)字中頻WRSP進行后期標(biāo)定處理，對射頻脈沖進行采樣分析，作為I/Q信號修正和相位編碼基準(zhǔn)，以確保CINRAD/SA-D雷達標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。依據(jù)S波段雙偏振多普勒天氣雷達標(biāo)準(zhǔn)及新一代天氣雷達現(xiàn)場驗收測試大綱[1-2,27-29]要求，表2給出濟南CINRAD/SA-D雙偏振雷達的部分主要性能參數(shù)。

圖1 CINRAD/SA-D雙偏振天氣雷達在線自動標(biāo)定信號流程Fig.1 Flow of automatic online calibration signal of CINRAD/SA-D dual-polarization Doppler weather radar

表1 CINRAD/SA-D主要性能參數(shù)在線自動標(biāo)定周期

表2 CINRAD/SA-D主要性能參數(shù)指標(biāo)

2 CINRAD/SA-D雷達在線自動標(biāo)定數(shù)據(jù)分析評估

CINRAD/SA-D雷達在運行的每個體掃(VCP)間隔期間，都會進行性能參數(shù)在線自動標(biāo)定，以檢測雷達運行是否正常，當(dāng)體掃標(biāo)定的性能參數(shù)達到技術(shù)指標(biāo)要求，表明該體掃雷達運行正常，如果體掃標(biāo)定的性能參數(shù)未達到技術(shù)指標(biāo)要求或者超出惡化極限閾值，表示該體掃雷達運行狀態(tài)性能下降或者變壞，則該體掃雷達探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量也隨之下降或者變壞。雷達每個體掃的標(biāo)定數(shù)據(jù)、報警信息等均記錄在雷達數(shù)據(jù)采集單元(RDA)狀態(tài)性能數(shù)據(jù)RDA/Per/LOG文件下。統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)來源于2019年6—10月在線運行狀態(tài)LOG文件下的Calibration和Status運行狀態(tài)日志。對雷達在線自動標(biāo)定的性能參數(shù)、監(jiān)控信息、報警信息進行梳理，依據(jù)雷達氣象方程結(jié)合回波強度定標(biāo)方法[2,20-23]，遴選對雷達探測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響最大的性能參數(shù)：發(fā)射機輸出峰值功率Pt、相位噪聲σφ、噪聲系數(shù)NF、反射率標(biāo)定系數(shù)ΔSYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分傳播相移ΦDP，通過對在線每個體掃標(biāo)定數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測，繪制出每個參數(shù)長期運行軌跡，能夠分析評估雷達系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。

2.1 發(fā)射峰值功率數(shù)據(jù)分析

發(fā)射峰值功率Pt是指發(fā)射脈沖持續(xù)期間對不同工作比時的發(fā)射機輸出功率的測量。發(fā)射信號經(jīng)高頻功分器等分后經(jīng)大功率雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別向天線的H和V通道注入，H和V通道峰值功率分別記為Pt-H、Pt-V。目前，CINRAD/SA-D雷達在運行期間功率監(jiān)控器能夠?qū)崟r監(jiān)測到的發(fā)射機峰值功率數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集監(jiān)控單元(DAU)，但是H和V通道發(fā)射功率尚不具備監(jiān)測功能，其功率測試值是從發(fā)射機輸出功率通過相關(guān)饋線損耗換算得出。

Pt-H=Pt/2 -LH

(1)

Pt-V=Pt/2 -LV

(2)

式(1)、(2)中LH、LV分別代表H、V發(fā)射通道支路損耗。

雷達運行的每個VCP期間進行發(fā)射機功率監(jiān)測，與其他性能參數(shù)標(biāo)定不同，發(fā)射機峰值功率數(shù)據(jù)位于LOG/Status。發(fā)射峰值功率技術(shù)指標(biāo)要求Pt≥650 kW，低于400 kW 或者超出900 kW，系統(tǒng)則產(chǎn)生功率過低或者功率過高報警。統(tǒng)計分析雷達運行的33 385個體掃峰值功率，除周、月、年停機維護無數(shù)據(jù)外，在線運行輸出峰值功率比較穩(wěn)定，基本維持在679.68 kW(圖2)，但統(tǒng)計時間段內(nèi)有時出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，最大值為738.07 kW，最小值為658.45 kW，經(jīng)核實是由于雷達設(shè)備停機維護，開機時設(shè)備溫度較低引起，待雷達運行幾個體掃后溫度趨于穩(wěn)定，雷達輸出功率隨之穩(wěn)定。H和V雙通道峰值功率Pt-H、Pt-V均值分別為208.56 kW、207.76 kW，長期運行基本一致且穩(wěn)定。

圖2 2019年6—10月在線峰值功率(Pt)以及水平和垂直通道峰值功率(Pt-H/Pt-V)隨時間的變化軌跡Fig.2 Trajectory of online peak power Pt and peak power of horizontal and vertical channels Pt-H/Pt-V from June to October 2019

2.2 噪聲系數(shù)與噪聲電平數(shù)據(jù)分析

噪聲溫度(TN)的標(biāo)定來源于射頻噪聲源的NOISE信號(圖1)，噪聲溫度標(biāo)校每個體掃執(zhí)行一次，利用噪聲源的ON和OFF狀態(tài)，測試接收機輸出噪聲功率，根據(jù)噪聲源的超噪比計算接收系統(tǒng)的噪聲溫度。如果運行標(biāo)定的噪聲溫度超出預(yù)定值，則產(chǎn)生相應(yīng)的告警。

接收機噪聲系數(shù)NF表示接收機輸入端信噪比與其輸出端信噪比的比值。在線標(biāo)定噪聲系數(shù)是通過每個體掃標(biāo)定的噪聲溫度轉(zhuǎn)化獲得，換算公式為：

NF=10lg[TN/290+1]

(3)

噪聲電平E表示接收機接收到的外界噪聲信號與本底噪聲信號疊加在一起而產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(shù)與噪聲電平的關(guān)系為：

NF=REN-(EHot-ECold)

(4)

式(4)中，REN為噪聲源的超噪比，超噪比的大小與噪聲源的型號和被測雷達的工作頻率相關(guān)，ECold、EHot分別為噪聲源處于OFF和ON狀態(tài)時接收的冷、熱態(tài)噪聲電平。

統(tǒng)計分析33 385個體掃噪聲系數(shù)在線標(biāo)定數(shù)據(jù)(圖3a)，發(fā)現(xiàn)噪聲系數(shù)在運行過程中存在異常數(shù)據(jù)，噪聲系數(shù)超標(biāo)3 dB達131個體掃，占總數(shù)的0.39%(H通道噪聲系數(shù)NF-H超標(biāo)90個，V通道噪聲系數(shù)NF-V超標(biāo)41個，見表3)，超標(biāo)數(shù)據(jù)較集中在7月24—30日、8月26日—9月18日和10月2—6日，極大值出現(xiàn)在8月28日01:43(UTC)高達19.92 dB(H通道)和11.06 dB(V通道)，為查找嚴(yán)重超標(biāo)原因，深入分析H和V雙通道冷、熱態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)(ECold -H、EHot-H、ECold-V、EHot-V)，由圖3b可見，H和V雙通道熱態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)穩(wěn)定且擬合較好，而冷態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)波動較大且與系統(tǒng)噪聲系數(shù)關(guān)聯(lián)吻合，熱態(tài)噪聲電平數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明雷達接收系統(tǒng)正常，噪聲系數(shù)的異常波動完全來源于噪聲源處于關(guān)閉狀態(tài)的冷態(tài)噪聲電平，即噪聲系數(shù)的異常數(shù)據(jù)是外界干擾所致，外界干擾影響了接收系統(tǒng)內(nèi)噪聲信號的在線標(biāo)定，抬高了噪聲電平和噪聲系數(shù)，結(jié)果直接影響到探測數(shù)據(jù)質(zhì)量，在雷達產(chǎn)品多表現(xiàn)為射線狀、雜點、環(huán)狀等異?；夭?圖4)。采用基數(shù)據(jù)分析法，發(fā)現(xiàn)因干擾影響造成50 km處最小可測回波強度降低為-3.5 dBZ(圖5a)，而未受干擾時50 km處最小可測回波強度能達到-5.0 dBZ(圖5b)，由外界干擾造成探測靈敏度降低了1.5 dB，為保障雷達探測數(shù)據(jù)質(zhì)量有必要開展雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究。

圖3 2019年6—10月噪聲系數(shù)NF(a)和冷、熱態(tài)噪聲電平ECold、EHot(b)隨時間的變化曲線Fig.3 Variation curve of noise figure NF(a) and cold and hot noise level ECold and EHot(b) from June to October 2019

表3 體掃噪聲系數(shù)異常次數(shù)統(tǒng)計

圖4 2019年8月28日01:43(UTC)噪聲電平和噪聲系數(shù)因干擾升高引起的雷達回波異常(a.反射率因子Z，b.差分反射率因子ZDR，c.相關(guān)系數(shù)CC，d.差分傳播相移率KDP)Fig.4 Radar echo anomaly caused by noise level and noise figure being disturbed at 01:43 UTC 28 August 2019 (a. reflectivity factor Z, b. differential reflectivity factor ZDR, c. correlation coefficient CC, d. differential propagation phase shift rate KDP)

圖5 接收機靈敏度對比(a.有外界干擾，b.無外界干擾)Fig.5 Comparison of receiver sensitivity under external interference (a) and under no external interference (b)

排除受外界干擾時間段的數(shù)據(jù)后，H和V雙通道的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定且具有較好一致性，H和V雙通道噪聲系數(shù)均值維持在1.66 dB和1.73 dB，滿足噪聲系數(shù)NF≤3.0 dB的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 反射率標(biāo)定系數(shù)SYSCAL數(shù)據(jù)分析

反射率標(biāo)定RDA/Per/LOG/{Cali1/CW&RFDi+Cal 2/SYSCAL}(i=1,2,3)是對反射率進行動態(tài)、實時的補償，以保證反射率測量精度。根據(jù)雷達工作頻率、天線增益、發(fā)射支路損耗、接收支路損耗、接收機增益等參數(shù)計算出反射率的校正參數(shù)，記為SYSCAL(system calibration)。SYSCAL的變化體現(xiàn)接收機增益等性能參數(shù)的變化，并直接影響雷達反射率因子的計算結(jié)果。反射率標(biāo)定信號來源于頻率源(4A1)J3的CW測試信號及發(fā)射機脈沖形成器3A5的RFD測試信號(圖1)。RFD的標(biāo)定分為高、中、低三組不同信噪比的信號，可以在線動態(tài)地對反射率強度值進行標(biāo)校，標(biāo)校CW&RFD的實測值記錄在LOG/Cali1/CW & RFDi中，用dBZ表示。每一組標(biāo)定的期望值Expected與實測值Measured之間的差值分別記為ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3。四組信號期望值與實測值之間的差值的平均值作為SYSCAL的變化，記為ΔSYSCAL，計算如下：

ΔSYSCAL=(ΔCW+ΔRFD1+ΔRFD2+ΔRFD3)/4

(5)

當(dāng)每一組標(biāo)定數(shù)據(jù)滿足要求∣期望值-實測值∣≤2 dB，即∣(ΔCW=CWExpected-CWMeasured)∣≤2 dB，∣(ΔRFDi=RFDiExpected-RFDiMeasured)∣ ≤2 dB，則實時訂正反射率標(biāo)定系數(shù)SYSCAL，這個訂正后的SYSCAL將用于下一個體積掃描中計算反射率因子，即下一個體掃SYSCALn+1與當(dāng)前體掃SYSCALn的關(guān)系是：

SYSCALn+1=SYSCALn+ΔSYSCAL

(6)

如自動在線檢查結(jié)果，ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3分別為0.0、0.1、0.1、0.0，根據(jù)公式(5)計算ΔSYSCAL為0.05 dB，應(yīng)用于下一個體積掃描的SYSCALn+1值相比本次掃描變化了0.05 dB，即接收到同樣幅度的信號時，反射率因子的值會增加0.05 dB。如果標(biāo)定數(shù)據(jù)∣期望值-實測值∣超出設(shè)定閾值(一般為2 dB)，即∣(ΔCW=CWExpected-CWMeasured)∣>2 dB，∣(ΔRFDi=RFDiExpected-RFDiMeasured)∣>2 dB，表明雷達系統(tǒng)性能下降或者變壞，系統(tǒng)則自動產(chǎn)生相應(yīng)的報警信息。

統(tǒng)計分析33 385個體掃SYSCAL標(biāo)定數(shù)據(jù)(H通道)，根據(jù)公式(5)計算ΔSYSCAL值，計算結(jié)果(圖6)：11 208個ΔSYSCAL為正值，均值為0.015 dB，最大值為0.25 dB；10 887個ΔSYSCAL為負值，均值為-0.016 dB，最小值為 -0.46 dB；11 290個ΔSYSCAL為0值；ΔSYSCAL滿足±2 dB技術(shù)指標(biāo)要求。ΔSYSCAL值為雷達機內(nèi)四個標(biāo)定信號(3個RFD信號，1個CW信號)測量誤差平均差值，用于補償下一個體掃的SYSCAL值。ΔSYSCAL越小，表明接收系統(tǒng)增益和發(fā)射機輸出功率越穩(wěn)定。所以通過監(jiān)測SYSCAL長期運行的變化情況，能夠檢驗雷達運行的穩(wěn)定性。

圖6 2019年6—10月SYSCAL (a)和ΔSYSCAL(b)值隨時間變化曲線Fig.6 Variation curve of SYSCAL (a) and ΔSYSCAL (b) from June to October 2019

2.4 相位噪聲數(shù)據(jù)分析

相位噪聲表征雷達系統(tǒng)的相干性，即表征雷達系統(tǒng)內(nèi)各信號的穩(wěn)定性。將雷達發(fā)射射頻信號經(jīng)衰減延遲后注入接收機前端，對該信號放大、相位檢波后的I/Q值進行多次采樣，由每次采樣的I/Q值計算出信號的相位，求出相位的均方根誤差σφ來表征系統(tǒng)的相位噪聲。技術(shù)指標(biāo)要求σφ≤0.1°，當(dāng)該測試值超限時，系統(tǒng)報地物雜波抑制能力變壞報警。

根據(jù)臺站設(shè)置不同(2～72 h標(biāo)定一次)，統(tǒng)計分析203次相位噪聲在線標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果(H通道)：最大值0.095°，最小值0.034°，平均值為0.051 3°。由圖7a可看出系統(tǒng)相位噪聲在線標(biāo)定數(shù)據(jù)曲線比較穩(wěn)定，表明系統(tǒng)相干性較好。

圖7 2019年6—10月相位噪聲σφ(a)和濾波前后功率比R(b)隨時間變化曲線Fig.7 Variation curve of phase noise σφ(a) and power rate R before and after filtering (b) from June to October 2019

當(dāng)相位噪聲σφ小于5°時可近似地用來估算系統(tǒng)的地物雜波抑制能力S，其轉(zhuǎn)換公式為：

S=-20lg(sinσφ)

(7)

由公式(7)計算均值為61.08 dB，此結(jié)果與采用在線標(biāo)定濾波前后功率比R估算的地物雜波抑制結(jié)果61.36 dB(均值，15.73/-45.63)吻合(圖7b)。

圖8為雷達觀測地物雜波對消抑制前dBT與對消抑制后dBZ基數(shù)據(jù)分析實例，在80.9°、82.04 km處(箭頭加十字所指)對消前地物雜波強度值為66.5 dBZ，對消后地物雜波強度值為6.5 dBZ，對消前、后差值代表雷達實際地物雜波對消為60 dB。實例分析結(jié)果與采用在線標(biāo)定相位噪聲法及在線標(biāo)定濾波前后功率比法估算地物雜波抑制結(jié)果基本吻合，表明系統(tǒng)相干性和地物雜波對消抑制能力較好。

圖8 2019年9月30日07:02濟南雷達地物雜波抑制前后反射率因子對比(a.抑制前，b.抑制后)Fig.8 Comparison of reflectivity factor before (a) and after (b) clutter suppression of Jinan radar at 07:02 UTC 30 September 2019

2.5 差分反射率因子與差分傳播相移數(shù)據(jù)分析

水平和垂直雙通道的一致性，對雙偏振天氣雷達的探測性能起著決定性的作用[14-19]。為了在線測量和檢驗接收機雙通道幅度和相位的一致性，系統(tǒng)采用機內(nèi)雙信號源法，位于設(shè)備機房內(nèi)的接收機頻率源(4A1)J3輸出的連續(xù)波CW信號經(jīng)功分后分別注入H和V接收通道，用來檢驗機房內(nèi)的H和V接收雙通道信號幅度和相位的一致性，H和V雙通道信號幅度差記為ZDR-CW，相位差記為ΦDP-CW；位于天線俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之上的標(biāo)定信號源輸出的連續(xù)波TS信號經(jīng)功分后注入包括俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在內(nèi)的接收鏈路的H和V通道，用來檢驗雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在內(nèi)的接收全鏈路雙通道信號幅度和相位的一致性，幅度差記為ZDR-TS，相位差記為ΦDP-TS。CW和TS信號標(biāo)校流程見圖1。技術(shù)指標(biāo)要求雙通道幅度標(biāo)準(zhǔn)差ZDR≤0.2 dB，相位標(biāo)準(zhǔn)差ΦDP≤3°。如果標(biāo)定結(jié)果超限，表明接收雙通道一致性差，ZDR-CW、ΦDP-CW超限重點檢查設(shè)備機房內(nèi)接收雙通道一致性，ZDR-TS、ΦDP-TS超限重點檢查雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對接收鏈路雙通道的一致性的影響。

ZDR-CW和ΦDP-CW標(biāo)定是每個VCP間隔做一次。分析33 385個標(biāo)定數(shù)據(jù)(圖9a、圖9b)，ZDR-CW最小值為0.18 dB，最大值為0.35 dB，均值為0.26 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.025 8 dB；ΦDP-CW最小值為107.86°，最大值為113.54°，均值為110.82°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.735°。TS信號標(biāo)定不同于CW信號標(biāo)定，TS信號標(biāo)定是在天線逐仰角360°掃描完成一次標(biāo)定，如VCP21D掃描，9個仰角進行11次360°掃描(0.5°、1.5°仰角，強度和速度各掃描1次)，本體掃結(jié)束后再進行一次VCP標(biāo)定，所以VCP21D一個體掃結(jié)束后有12組標(biāo)定數(shù)據(jù)， 結(jié)果TS測試信號標(biāo)定數(shù)據(jù)是CW測試信號標(biāo)定數(shù)據(jù)的12倍。分析400 620個標(biāo)定數(shù)據(jù)(圖9c、圖9d)，ZDR-TS最小值為0.42 dB，最大值為0.77 dB，均值為0.611 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.044 dB；ΦDP-TS最小值為224.42°，最大值為232.70°，均值為228.73°，標(biāo)準(zhǔn)差為1.116°。

圖9 2019年6—10月ZDR-CW(a)、ΦDP-CW(b)、ZDR-TS(c)、ΦDP-TS(d)隨時間變化曲線Fig.9 Variation curve of ZDR-CW(a), ΦDP-CW(b), ZDR-TS(c), and ΦDP-TS(d) from June to October 2019

采用雙信號源的CW、TS標(biāo)定法，接收雙通道幅度和相位的標(biāo)準(zhǔn)差都滿足接收機雙通道一致性技術(shù)指標(biāo)要求，并且標(biāo)定數(shù)據(jù)波動具有較強的一致性(圖9)。雖然雙信號源標(biāo)定法同步且互補，但兩個信號標(biāo)定結(jié)果還是存在一定的差異，但CW信號標(biāo)定結(jié)果明顯小于TS信號標(biāo)定結(jié)果。這是由于TS標(biāo)定通道增加了雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，導(dǎo)致ZDR-TS和ΦDP-TS標(biāo)定結(jié)果比ZDR-CW和ΦDP-CW出現(xiàn)更大的誤差，這種變化難以通過調(diào)整H和V兩通道的參數(shù)進行補償消除，因此隨著雙偏振雷達的長期運行，對雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來的幅度和相位固有偏差進行測試和訂正非常重要。在線標(biāo)定對機內(nèi)測試通道硬件性能的準(zhǔn)確性和環(huán)境溫度要求較高，如果在條件允許的情況下，有必要采用離線標(biāo)定法：“太陽法”“小雨法”“金屬球”等方法進行接收全鏈路標(biāo)定和訂正。

3 結(jié)論與討論

新一代天氣雷達系統(tǒng)具備完善的自動監(jiān)測、標(biāo)定功能，雷達在線自動標(biāo)定數(shù)據(jù)的精度直接反映出探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本文闡述了CINRAD/SA-D雙偏振雷達的標(biāo)定技術(shù)，分析評估了2019年6—10月濟南雙偏振多普勒天氣雷達運行在線自動標(biāo)定的峰值功率Pt、相位噪聲σφ、噪聲系數(shù)NF、反射率標(biāo)定系數(shù)SYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分傳播相移ΦDP性能參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，評估結(jié)論如下：

1)峰值功率維持在679.68 kW，H和V雙通道的峰值功率長期運行吻合一致性較好，峰值功率的不穩(wěn)定與設(shè)備溫度密切相關(guān)。

2)H和V雙通道噪聲系數(shù)均值維持在1.66 dB和1.73 dB，雙通道噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)總體分布穩(wěn)定且具有較好一致性。但是如果外界有干擾，接收機接收來自天線的干擾信號影響了系統(tǒng)內(nèi)噪聲信號的在線標(biāo)定，引起噪聲電平和噪聲系數(shù)的升高。噪聲電平和噪聲系數(shù)的升高必定影響探測數(shù)據(jù)質(zhì)量，雷達產(chǎn)品多表現(xiàn)為射線狀、環(huán)狀、雜點等異常回波；外界干擾的同時也降低了接收機的靈敏度，因干擾造成接收機靈敏度降低了1.5 dB。為保障雷達探測數(shù)據(jù)質(zhì)量有必要開展雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究。

3)反射率自動標(biāo)校是保證雷達回波強度測量精度的重要手段，ΔSYSCAL值為四個機內(nèi)定標(biāo)信號(3個RFD信號，1個CW信號)測量誤差平均差值用于補償SYSCAL值，ΔSYSCAL越小，表明接收系統(tǒng)增益和發(fā)射機輸出功率越穩(wěn)定。

4)相位噪聲均值為0.051 3°，實際地物雜波對消能力60 dB與估測地物雜波抑制能力61.36 dB結(jié)果基本吻合，證實了雷達系統(tǒng)具有較好的地物雜波抑制能力。

5)H和V雙通道的一致性是雙偏振雷達的關(guān)鍵技術(shù)，通過長期ZDR與ΦDP數(shù)據(jù)分析可以檢驗接收雙通道的一致性。采用雙信號源的CW、TS標(biāo)定法，接收雙通道幅度和相位的標(biāo)準(zhǔn)差：ZDR-CW和ΦDP-CW分別為0.025 dB和0.735°，ZDR-TS和ΦDP-TS分別為0.044 dB和1.116°，滿足接收機雙通道一致性技術(shù)指標(biāo)，但CW信號標(biāo)定結(jié)果明顯小于TS信號標(biāo)定結(jié)果。這是由于TS標(biāo)定通道增加了雙路方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，導(dǎo)致ZDR-TS和ΦDP-TS標(biāo)定結(jié)果比ZDR-CW和ΦDP-CW出現(xiàn)更大的偏差，這種變化難以通過調(diào)整H和V兩通道的參數(shù)進行補償消除，因此隨著雙偏振雷達的長期運行，對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶來的幅度和相位固有偏差進行測試和訂正非常重要。

目前，CINRAD/SA-D雷達在線自動標(biāo)定只能獲取H通道的SYSCAL、相位噪聲、濾波前后功率比數(shù)據(jù)，為更好的檢驗H和V雙通道一致性，建議改進增加V通道在線標(biāo)定數(shù)據(jù)。

機內(nèi)CW和TS標(biāo)定信號法可以對接收雙通道的一致性進行實時監(jiān)測和標(biāo)校，但是對機內(nèi)測試通道硬件性能的準(zhǔn)確性和環(huán)境溫度要求較高。為保障ZDR的測量精度，在條件滿足的情況下，有必要采用“太陽法”“小雨法”“金屬球”等方法進行接收全鏈路標(biāo)定和訂正。