張福貴 舒毅 唐佳佳 魏潔 羅贊

（1 成都信息工程大學(xué)，成都 610225；2 中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，成都 610225；3 福建省泉州市氣象局，泉州 362000）

0 天氣雷達(dá)發(fā)展簡(jiǎn)史

我國(guó)天氣雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)代化建設(shè)和技術(shù)升級(jí)，由20世紀(jì)60年代的模擬天氣雷達(dá)到20世紀(jì)90年代的數(shù)字化多普勒雷達(dá)再到全部業(yè)務(wù)化運(yùn)行的新一代多普勒天氣雷達(dá)。最早在20世紀(jì)60年代初期，我國(guó)將843型軍用空軍警戒雷達(dá)改裝成天氣雷達(dá)，843型天氣雷達(dá)由蘇制843型測(cè)高雷達(dá)改進(jìn)而成，利用其探測(cè)到的氣象雜波開(kāi)展警戒臺(tái)風(fēng)、監(jiān)測(cè)降水的試驗(yàn)工作，為天氣雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)711型號(hào)、713型號(hào)、714型號(hào)的天氣雷達(dá)成為數(shù)字化天氣雷達(dá)的重要基礎(chǔ)，通過(guò)不斷地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，714SD型號(hào)增加了多普勒探測(cè)性能，成為了數(shù)字化多普勒天氣雷達(dá)，用于臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流、暴雨監(jiān)測(cè)和人工影響天氣指揮及效果評(píng)估。新一代多普勒天氣雷達(dá)布設(shè)了CINRAD/SA、CINRAD/SB、CINRAD/SC、CINRAD/CA、CINRAD/CB、CINRAD/CC、CINRAD/CCJ等多種型號(hào)的單極化系統(tǒng)。隨著我國(guó)氣象現(xiàn)代化事業(yè)飛速發(fā)展，近幾年開(kāi)展了雙極化（雙偏振）天氣雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)與業(yè)務(wù)化應(yīng)用試驗(yàn)等工作，新一代多普勒單極化天氣雷達(dá)正逐步升級(jí)到以CINRAD/SA-D型為主的雙極化（雙偏振）天氣雷達(dá)系統(tǒng)?！傲醒b一代、研制一代、探索一代”是《氣象觀測(cè)技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)計(jì)劃（2020—2035年）》的發(fā)展思路，按照《引領(lǐng)計(jì)劃》，其中相控陣天氣雷達(dá)是下一代天氣雷達(dá)技術(shù)試驗(yàn)探索的重要內(nèi)容（見(jiàn)圖1）。

圖1 天氣雷達(dá)發(fā)展簡(jiǎn)史與趨勢(shì)Fig.1 Development history and trend of weather radar

1 天氣雷達(dá)保障技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

美軍從20世紀(jì)70年代便開(kāi)始對(duì)雷達(dá)保障技術(shù)進(jìn)行研究，尤其是對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)保障診斷技術(shù)系統(tǒng)相當(dāng)重視，到20世紀(jì)90年代中期，受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動(dòng)，美國(guó)的裝備測(cè)試、維修和故障診斷技術(shù)不斷向智能化、遠(yuǎn)程化方向發(fā)展。到目前為止，與世界各國(guó)相比，美國(guó)的雷達(dá)裝備技術(shù)保障能力與系統(tǒng)仍然非常優(yōu)越。美國(guó)國(guó)家氣象局主要通過(guò)天氣雷達(dá)站衛(wèi)星通道上傳未經(jīng)壓縮處理的雷達(dá)產(chǎn)品圖像進(jìn)行拼圖，然后從圖像中判斷天氣雷達(dá)是否出現(xiàn)故障，同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還使用新型技術(shù)管理回饋系統(tǒng)對(duì)維護(hù)數(shù)據(jù)和執(zhí)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線訪問(wèn)，雷達(dá)工作效率達(dá)96%。西歐國(guó)家為此也投入了大量的研究，并且在很多裝備保障與診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究中取得重大進(jìn)展。國(guó)外不僅注重對(duì)新型雷達(dá)的研發(fā)與新技術(shù)的植入，而且注重科學(xué)、充分的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用檢驗(yàn)與評(píng)估，在雷達(dá)裝備研制過(guò)程中同步設(shè)計(jì)定標(biāo)、測(cè)試、維修與故障診斷系統(tǒng)，對(duì)提高業(yè)務(wù)裝備保障能力以及讓雷達(dá)在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中能充分發(fā)揮其重要作用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)技術(shù)保障具體內(nèi)容包含周維護(hù)、月維護(hù)、年維護(hù)、汛前雷達(dá)巡檢、雷達(dá)故障診斷處理等，都需要對(duì)天氣雷達(dá)關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行定標(biāo)、測(cè)試以及高效故障診斷判定，天氣雷達(dá)定標(biāo)、測(cè)試與故障診斷技術(shù)是整個(gè)天氣雷達(dá)系統(tǒng)保障技術(shù)的核心（圖2）。國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)定標(biāo)、測(cè)試與故障診斷主要依靠臺(tái)站一線保障人員進(jìn)行“第一時(shí)間”的診斷和預(yù)判，同時(shí)需要進(jìn)行大量的儀器儀表連接操作、測(cè)試、對(duì)比參數(shù)精度指標(biāo)、故障定位等工作，具有工作量大、儀器儀表連接繁瑣、容錯(cuò)性小、操作步驟復(fù)雜等特點(diǎn)；需要臺(tái)站一線保障人員能夠熟練掌握天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)、性能、定標(biāo)測(cè)試方法、儀器儀表操作等內(nèi)容，尤其是對(duì)天氣雷達(dá)故障診斷和定位，需要臺(tái)站一線保障人員具有很強(qiáng)的綜合保障技術(shù)能力，才能滿(mǎn)足對(duì)天氣雷達(dá)進(jìn)行定標(biāo)、測(cè)試和故障診斷的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和正確性。

圖2 國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)技術(shù)保障內(nèi)容Fig.2 Technical support contents of domestic weather radar

2 天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)

2.1 國(guó)外天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)發(fā)展

美國(guó)國(guó)家氣象局在2013年完成了NEXRAD業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)網(wǎng)160部S波段雙偏振天氣雷達(dá)升級(jí)，德國(guó)、芬蘭、加拿大、澳大利亞等國(guó)家也正在開(kāi)展雙偏振天氣雷達(dá)改造及布網(wǎng)，所以雙極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)方面走在了前列，在成熟的定標(biāo)技術(shù)基礎(chǔ)之上更加注重對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)算法、質(zhì)量控制與綜合評(píng)估等研究。Ryzhkov等研究了雙偏振天氣雷達(dá)反射率

Z

和差分反射率

Z

的絕對(duì)定標(biāo)技術(shù)。

Z

的絕對(duì)定標(biāo)技術(shù)是利用太陽(yáng)光的正交偏振測(cè)量值以及高仰角下探測(cè)的自然目標(biāo)物（如小雨和干雪）的偏振特性來(lái)進(jìn)行定標(biāo)，率先確定了

Z

精度可實(shí)現(xiàn)在0.1～0.2 dB范圍內(nèi)。Silberstein等提出了一種借助夸賈林環(huán)礁上的雷達(dá)來(lái)為熱帶雨量測(cè)量任務(wù)（TRMM）需要實(shí)現(xiàn)控制雨量測(cè)量提供基準(zhǔn)校準(zhǔn)的方法，該方法使用多個(gè)地物回波、最低仰角掃描處日平均雜回波在每小時(shí)、每天和每月都穩(wěn)定在1 dB左右，只有在刻意修改系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)故障或其他未知原因時(shí)，它們才會(huì)發(fā)生顯著變化。無(wú)論雜波區(qū)是否有雨，每天都能得到降水和雜波反射率的累積分布函數(shù)（CDF），并使用數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對(duì)CDFs進(jìn)行每日計(jì)算，并用它來(lái)校正7.5年的測(cè)量值，從而有效增強(qiáng)了TRMM觀測(cè)到的全球降水記錄的完整性。Ivi?提出了一種可以在每個(gè)掃描方向上實(shí)時(shí)估計(jì)噪聲功率，并與氣象數(shù)據(jù)收集并行的技術(shù)，研究了這種技術(shù)對(duì)相關(guān)系數(shù)估計(jì)的影響，使用更精確的噪聲功率估計(jì)值可以顯著降低相關(guān)系數(shù)的估計(jì)偏差，達(dá)到了明顯改善相關(guān)系數(shù)場(chǎng)的效果。Ivi?和Torres提出了從每個(gè)天線位置（徑向）的同相和正交數(shù)據(jù)中動(dòng)態(tài)地估算系統(tǒng)噪聲功率，該技術(shù)使用一種新的準(zhǔn)則來(lái)檢測(cè)不包含重要天氣信號(hào)的雷達(dá)體積，并使用這些數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)系統(tǒng)噪聲功率，該技術(shù)產(chǎn)生的噪聲功率估計(jì)值與從雷達(dá)遠(yuǎn)距離人工識(shí)別的無(wú)信號(hào)雷達(dá)量所得到的噪聲功率估計(jì)值非常接近，達(dá)到了顯著提高業(yè)務(wù)氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的效果。Holleman等介紹了日常監(jiān)測(cè)偏振天氣雷達(dá)差分反射率偏差的方法，是對(duì)低海拔地區(qū)天氣雷達(dá)天線和雷達(dá)接收鏈監(jiān)測(cè)方法的延伸，在線太陽(yáng)監(jiān)測(cè)可用來(lái)檢查雷達(dá)天線水平和垂直偏振波瓣之間的一致性，通過(guò)在垂直入射時(shí)進(jìn)行在線太陽(yáng)監(jiān)測(cè)和雨量校準(zhǔn)，可以消除差分接收機(jī)偏振和差分發(fā)射機(jī)偏振，這種‘在線'監(jiān)測(cè)方法非常適合在業(yè)務(wù)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。Hubbert等介紹了科羅拉多州立大學(xué)-芝加哥大學(xué)-伊利諾伊州立水勘測(cè)局（CSU-CHILL）雷達(dá)和S波段雙偏振多普勒雷達(dá)系統(tǒng)（S-Pol）的雷達(dá)協(xié)方差矩陣校準(zhǔn)過(guò)程，給出了一種新的計(jì)算線性退偏振比（LDR）的方法，它主要是利用了交叉到交叉的協(xié)方差，確定了這種方法在低信噪比區(qū)域的有效性，還根據(jù)降水?dāng)?shù)據(jù)確定CSU-CHILL雷達(dá)的共對(duì)交叉相位偏移，通過(guò)確定兩個(gè)相對(duì)幅值和三個(gè)偏移相位構(gòu)造校準(zhǔn)的協(xié)方差矩陣，利用太陽(yáng)校準(zhǔn)測(cè)量和降水交叉極化功率測(cè)量來(lái)完成

Z

的精確校準(zhǔn)。

2.2 國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)90年代天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)探索主要以數(shù)字化多普勒天氣雷達(dá)為主，定標(biāo)后天氣雷達(dá)殘存回波強(qiáng)度誤差在整個(gè)接收系統(tǒng)的對(duì)數(shù)動(dòng)態(tài)線性范圍內(nèi)控制在±2 dB以?xún)?nèi)，技術(shù)指標(biāo)要求不高。隨著數(shù)字中頻技術(shù)在天氣雷達(dá)系統(tǒng)中不斷發(fā)展和應(yīng)用，單極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)也愈加成熟，回波強(qiáng)度測(cè)量誤差在±1 dB范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)詳細(xì)制定單極化雷達(dá)系統(tǒng)回波強(qiáng)度定標(biāo)測(cè)試方法、操作步驟和技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了單極化雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)方法和操作流程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而消除人為因素或測(cè)試原因引入雷達(dá)系統(tǒng)造成定標(biāo)誤差，提高了天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度測(cè)量精度。

2.2.1 單極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)

在單極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)展了很多研究。王立軒等用機(jī)外儀表對(duì)新一代天氣雷達(dá)機(jī)內(nèi)參數(shù)自動(dòng)標(biāo)校結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。柴秀梅等分析CINRAD/CC自動(dòng)標(biāo)校技術(shù)原理，并對(duì)存在的問(wèn)題提出了解決方法。潘新民等論述了天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)與故障診斷分析方法、故障診斷流程。趙瑞金等對(duì)天氣雷達(dá)故障等導(dǎo)致的異?；夭ㄟM(jìn)行分析和研究。張文言等利用CINRAD/SA雷達(dá)回波強(qiáng)度對(duì)NuistRD-X雷達(dá)進(jìn)行強(qiáng)度定標(biāo)，并對(duì)兩者的雷達(dá)回波強(qiáng)度作對(duì)比分析。周海光利用相鄰雷達(dá)等距離線垂直剖面內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行三維混合插值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)故障為雷達(dá)定標(biāo)提供參考。史銳等對(duì)比分析了同一時(shí)間、同一位置S波段和C波段雷達(dá)CAPPI和部分PPI回波強(qiáng)度資料。周紅根等從雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量需求出發(fā)分析了單極化天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)雷達(dá)波導(dǎo)長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量修正了各雷達(dá)發(fā)射支路饋線損耗出廠測(cè)試數(shù)據(jù)，研制了能注入微波信號(hào)的專(zhuān)用測(cè)試波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)站準(zhǔn)確測(cè)量出雷達(dá)收、發(fā)支路饋線實(shí)際損耗數(shù)值并應(yīng)用于雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)中；將太陽(yáng)作為微波信號(hào)源，根據(jù)太陽(yáng)能流密度等數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際測(cè)量接收到的太陽(yáng)射電功率，檢驗(yàn)全鏈路雷達(dá)接收系統(tǒng)回波強(qiáng)度；取相鄰雷達(dá)等距離線的低仰角同步觀測(cè)反射率因子數(shù)據(jù)，開(kāi)展兩部雷達(dá)、多部雷達(dá)對(duì)比觀測(cè)檢驗(yàn)等，構(gòu)建臺(tái)站級(jí)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)的方法對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)。秦建峰等以CINRAD/SA天氣雷達(dá)一次在線定標(biāo)為例對(duì)定標(biāo)實(shí)效進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

表1詳細(xì)列舉了我國(guó)S波段和C波段單極化業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)、天伺系統(tǒng)、整體系統(tǒng)定標(biāo)指標(biāo)、精度和穩(wěn)定度。制定和掌握先進(jìn)的天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)規(guī)范是為了提高雷達(dá)組網(wǎng)回波強(qiáng)度定標(biāo)的客觀性和一致性，對(duì)改進(jìn)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要作用和意義。如今，國(guó)內(nèi)單極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，通過(guò)制定雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)測(cè)試方法、操作步驟和技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波強(qiáng)度定標(biāo)方法和操作流程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，更加注重對(duì)單極化天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制分析、數(shù)據(jù)算法、綜合評(píng)估等內(nèi)容。

表1 國(guó)內(nèi)單極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)指標(biāo)Table 1 The content of signal polarization CINRAD calibration indicators

2.2.2 雙極化天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)

雙偏振天氣雷達(dá)與單偏振天氣雷達(dá)相比在性能上有更加嚴(yán)格的要求，而且對(duì)具有雙偏振雷達(dá)性能特性的指標(biāo)提出了相應(yīng)的誤差范圍。雙偏振天氣雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)（尤其是雙通道一致性定標(biāo)技術(shù)）在國(guó)內(nèi)尚未成熟，國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)化的新一代天氣雷達(dá)（單偏振）將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)進(jìn)行雙偏振技術(shù)升級(jí)，雙偏振天氣雷達(dá)能否實(shí)現(xiàn)全面業(yè)務(wù)化應(yīng)用，關(guān)鍵在于其性能是否穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。面對(duì)國(guó)內(nèi)雙偏振天氣雷達(dá)建設(shè)的迫切需求，科學(xué)、可行、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)亟待研究。

雙偏振天氣雷達(dá)主要定標(biāo)技術(shù)指標(biāo)有雙通道一致性、雙通道極化隔離度以及偏振參量測(cè)量精度；雙通道一致性要求雙通道增益、天線波瓣寬度等參數(shù)盡量相同，雙通道極化隔離度越大越好；雙偏振天氣雷達(dá)測(cè)量的偏振量主要有差分反射率因子

Z

、差分傳播相移

Φ

、差分傳播相移率

K

，線性退偏振比

LDR

以及零滯后互相關(guān)系數(shù)

ρ

(0)等。目前，對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)偏振參量精度研究主要側(cè)重于差分反射率因子

Z

和差分傳播相移

Φ

。能否準(zhǔn)確測(cè)量

Z

和

Φ

偏差并進(jìn)行訂正是雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵基礎(chǔ)。當(dāng)

Z

的偏差在±0.2 dB以?xún)?nèi)時(shí)，定量降水估計(jì)誤差可控制在18%以下；當(dāng)

Z

的偏差在±0.1 dB以?xún)?nèi)，同時(shí)

Φ

的偏差控制在2%以?xún)?nèi)時(shí)，小雨的降水測(cè)量誤差可控制在10%～15%。雙偏振天氣雷達(dá)對(duì)

Z

和

Φ

定標(biāo)技術(shù)方法主要包括太陽(yáng)法、小雨法、標(biāo)校平臺(tái)（源）法、金屬球定標(biāo)等。太陽(yáng)法可用來(lái)測(cè)量包括天線罩、天線和接收機(jī)在內(nèi)整個(gè)接收通道產(chǎn)生的

Z

和

Φ

偏差，但太陽(yáng)作為信號(hào)源信噪比較低，只能定標(biāo)雷達(dá)接收通道（天饋線和接收機(jī)）不平衡產(chǎn)生的

Z

和

Φ

系統(tǒng)誤差，不能定標(biāo)雷達(dá)發(fā)射通道不平衡引入的

Z

和

Φ

系統(tǒng)誤差，且只能在每天有限時(shí)段內(nèi)使用。小雨法可用來(lái)測(cè)量包括發(fā)射機(jī)、天線和接收機(jī)在內(nèi)整個(gè)收發(fā)通道產(chǎn)生的

Z

和

Φ

系統(tǒng)誤差，但該方法必須限定在雨強(qiáng)很小的層狀云降水條件下才能使用。國(guó)內(nèi)對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)的探索和驗(yàn)證主要如下。李喆等使用機(jī)外儀表法、太陽(yáng)法和小雨法對(duì)南京大學(xué)C波段雙偏振天氣雷達(dá)進(jìn)行

Z

定標(biāo)，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果為

Z

測(cè)量誤差最大為0.17 dB。張治國(guó)等對(duì)北京房山X波段雙偏振天氣雷達(dá)天線系統(tǒng)、接收系統(tǒng)雙通道一致性進(jìn)行了測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)由于接收雙通道放大器增益存在差異而導(dǎo)致雙通道動(dòng)態(tài)曲線不一致，在50～70 dBz范圍強(qiáng)回波的

Z

會(huì)被引入0.25～0.35 dBz誤差，這種誤差很難通過(guò)調(diào)整接收機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行訂正消除，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響，為保證偏振參量的探測(cè)精度，雙偏振天氣雷達(dá)接收機(jī)處理的回波信號(hào)必須要高信噪比?；陔p偏振雷達(dá)的測(cè)量要求，王致君提出了利用系留金屬球定標(biāo)法和小雨定標(biāo)法對(duì)天線兩通道增益進(jìn)行定標(biāo)、檢查兩通道隔離度。史朝和何建新基于某X波段雙極化多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)，以WSR-98XD雷達(dá)為試驗(yàn)平臺(tái)分析得到

Z

系統(tǒng)誤差的3個(gè)主要來(lái)源：發(fā)射機(jī)功率分配不均、饋線插損不一致和雙通道接收機(jī)增益不一致，分別進(jìn)行了信號(hào)源法、太陽(yáng)法、小雨法3種定標(biāo)方法的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)功率分配不均與雙路饋線插損不一致所引入的誤差較小且相對(duì)穩(wěn)定；

Z

探測(cè)誤差主要源自接收機(jī)有源通道增益不一致且在全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)該誤差的起伏與輸入信噪比有關(guān)，將全動(dòng)態(tài)范圍分為大信號(hào)段、線性段與小信號(hào)段3個(gè)區(qū)間，分別進(jìn)行誤差定標(biāo)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接收機(jī)有源通道增益不一致引入誤差時(shí)間穩(wěn)定性較差，需要對(duì)其進(jìn)行定時(shí)標(biāo)校；相比硬件幅、相修正方式，軟件方式更適合差分反射率這種細(xì)微且在全動(dòng)態(tài)范圍具有非線性特點(diǎn)的誤差修正。徐坤等提出了一種差分反射率因子誤差訂正方法，利用雷達(dá)基數(shù)據(jù)回波強(qiáng)度反算進(jìn)入接收機(jī)回波功率，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的每點(diǎn)回波功率對(duì)應(yīng)差分反射率因子值，對(duì)

Z

進(jìn)行訂正。劉蕾設(shè)計(jì)了一種基于定標(biāo)源的差分反射率誤差修正方法，先檢測(cè)雙偏振通道（包括發(fā)射和接收）的一致性（包括幅度和相位），通過(guò)外接信號(hào)源進(jìn)行誤差標(biāo)校，指出了接收機(jī)底噪不一致是差分反射率測(cè)量誤差訂正亟需解決的問(wèn)題。胡東明等評(píng)估分析了SA型天氣雷達(dá)雙偏振升級(jí)數(shù)據(jù)質(zhì)量，汪章維等分析了雙偏振天氣雷達(dá)精細(xì)化探測(cè)技術(shù)性能。國(guó)內(nèi)這些雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)方法進(jìn)展為我國(guó)雙偏振天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)化定標(biāo)技術(shù)發(fā)展提供了參考內(nèi)容和思考方向。標(biāo)校平臺(tái)（源）法通過(guò)信號(hào)源定標(biāo)整個(gè)收發(fā)通道產(chǎn)生的

Z

系統(tǒng)誤差，在業(yè)務(wù)雙偏振天氣雷達(dá)方面使用是比較可靠的技術(shù)手段。標(biāo)校平臺(tái)（源）又包括標(biāo)校塔、高空氣球、移動(dòng)高架有源應(yīng)答源、軍用飛機(jī)或民航系統(tǒng)等。這些標(biāo)校源各有不足之處：標(biāo)校塔和高空氣球的位置固定，資源稀少，進(jìn)行定標(biāo)需要雷達(dá)轉(zhuǎn)場(chǎng)，組織實(shí)施不方便；移動(dòng)高架有源應(yīng)答源高度有限，雷達(dá)可測(cè)量的仰角范圍??；軍用飛機(jī)申請(qǐng)程序復(fù)雜，定標(biāo)周期長(zhǎng)，實(shí)施成本高；民航ADS-B系統(tǒng)提供的仰角真值與雷達(dá)測(cè)量值，時(shí)間對(duì)準(zhǔn)困難，定標(biāo)精度差等。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用成本降低及其靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，近幾年引起了國(guó)內(nèi)外天氣雷達(dá)研究人員的重視。國(guó)外相關(guān)研究人員用無(wú)人機(jī)作為雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)平臺(tái)，開(kāi)展了一些定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，取得了一些初步研究成果。國(guó)內(nèi)也有相關(guān)院校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行無(wú)人機(jī)定標(biāo)的前期試驗(yàn)，但均處在摸索期，試驗(yàn)的連續(xù)性和緊迫性不強(qiáng)，在對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)保障技術(shù)需求如此迫切的環(huán)境下，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)裝備技術(shù)保障需求。用無(wú)人機(jī)作為定標(biāo)平臺(tái)對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)進(jìn)行定標(biāo)，還有很多理論和技術(shù)問(wèn)題需要解決。首先，在定標(biāo)過(guò)程中無(wú)人機(jī)作為空中移動(dòng)平臺(tái)其姿態(tài)穩(wěn)定性是一個(gè)重要問(wèn)題，姿態(tài)變換對(duì)應(yīng)無(wú)人機(jī)坐標(biāo)標(biāo)架和雷達(dá)坐標(biāo)之間的幾何位形關(guān)系的變化，這種變化將直接影響雙偏振雷達(dá)偏振參量的測(cè)量準(zhǔn)確度，研究無(wú)人機(jī)姿態(tài)變換對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)影響及消除方法具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。另外，無(wú)人機(jī)用于定標(biāo)的源信號(hào)（或者攜帶的散射體）必須能夠反映真實(shí)天氣目標(biāo)回波特征，這樣對(duì)于雙偏振雷達(dá)定標(biāo)和應(yīng)用才更有實(shí)際意義，所以研究能夠反映典型天氣目標(biāo)回波特征的機(jī)載信號(hào)源或信號(hào)源庫(kù)，對(duì)基于無(wú)人機(jī)的雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)非常有必要。在無(wú)人機(jī)平臺(tái)具有優(yōu)勢(shì)的條件下，研究先進(jìn)的多偏振參量定標(biāo)算法，提高定標(biāo)水平，提高我國(guó)雙偏振天氣雷達(dá)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)我國(guó)雙偏振天氣雷達(dá)應(yīng)用和發(fā)展有著極其重大的意義。

2.2.3 相控陣天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)

為了保障相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，要使相控陣?yán)走_(dá)性能始終處于規(guī)定技術(shù)條件范圍內(nèi)必須定期對(duì)陣列天線進(jìn)行定標(biāo)。通過(guò)定標(biāo)獲得各通道幅相特性對(duì)相控陣天線性能進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)實(shí)際工作需要進(jìn)行校準(zhǔn)使天線性能達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)陣列天線單元采樣或測(cè)試信號(hào)注入路徑不同，相控陣?yán)走_(dá)定標(biāo)分為內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)：內(nèi)定標(biāo)測(cè)試信號(hào)源置于天線陣內(nèi)，外定標(biāo)測(cè)試信號(hào)源置于天線陣外。

國(guó)內(nèi)張志強(qiáng)和劉黎平研究了相控陣技術(shù)在天氣雷達(dá)中的初步應(yīng)用，通過(guò)分析相控陣天氣雷達(dá)波束寬度與增益特性，在經(jīng)典雷達(dá)天氣方程基礎(chǔ)上給出了有關(guān)相控陣天氣雷達(dá)反射率的計(jì)算方法，分區(qū)域給出了詳細(xì)的反射率因子估算參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反射率估算，為相控陣天氣雷達(dá)定標(biāo)與定量測(cè)量提供理論基礎(chǔ)。賴(lài)光霽等基于碼分復(fù)用的相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)定標(biāo)技術(shù)，提出一種能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)陣列進(jìn)行定標(biāo)的方法—基于碼分復(fù)用的內(nèi)定標(biāo)方法，選擇偽隨機(jī)序列（m序列）和Walsh序列進(jìn)行相位編碼，對(duì)基于兩種序列的內(nèi)定標(biāo)進(jìn)行分析并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。程張凡等對(duì)一維X波段相控陣天氣雷達(dá)天線的發(fā)射校正、接收校正以及強(qiáng)度定標(biāo)基本原理及方法進(jìn)行了對(duì)比研究。劉黎平和吳翀研究了X波段一維掃描有源相控陣天氣雷達(dá)測(cè)試定標(biāo)方法，根據(jù)有源相控陣天氣雷達(dá)體制特點(diǎn)，參考多普勒天氣雷達(dá)測(cè)試定標(biāo)方法，提出了一維掃描有源相控陣天氣雷達(dá)測(cè)試和定標(biāo)方法，將測(cè)試重點(diǎn)放在天饋系統(tǒng)、T/R組件、脈沖壓縮、動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試和定標(biāo)上以解決不同觀測(cè)模式、不同波位的天線增益等參數(shù)變化引起的回波強(qiáng)度測(cè)量誤差問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果表明：天饋系統(tǒng)在不同觀測(cè)模式下天線參數(shù)隨仰角的變化情況、波束指向的準(zhǔn)確度、T/R組件的動(dòng)態(tài)范圍等均符合設(shè)計(jì)要求，回波強(qiáng)度和徑向速度定標(biāo)精度較高，并與附近多普勒天氣雷達(dá)（SA）和C波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明回波強(qiáng)度誤差在合理范圍內(nèi)，精細(xì)測(cè)量、警戒搜索、快速觀測(cè)3種模式觀測(cè)的強(qiáng)回波水平和垂直位置、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)誤差均比較一致，數(shù)據(jù)可靠。探索和研究先進(jìn)的相控陣天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)，不斷推動(dòng)我國(guó)相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)對(duì)我國(guó)相控陣天氣雷達(dá)應(yīng)用有著極其重大的意義。

2.2.4 定標(biāo)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為滿(mǎn)足天氣雷達(dá)對(duì)定量降水估測(cè)精度和相態(tài)識(shí)別的需求，雙極化天氣雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)指標(biāo)提出了一系列新的要求，定標(biāo)指標(biāo)要求也更高，比如：差分反射率因子

Z

和差分傳播相移

Φ

是重要的雙偏振參數(shù)，

Z

的雙通道一致性偏差必須控制在0.2 dB之內(nèi)，同時(shí)

Φ

的偏差需要控制在2%以?xún)?nèi)，所以準(zhǔn)確測(cè)量

Z

和

Φ

的偏差并進(jìn)行訂正是研究雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)的關(guān)鍵，也是雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、可靠的重要基礎(chǔ)。當(dāng)然，將來(lái)相控陣天氣雷達(dá)是重要的發(fā)展方向，相控陣?yán)走_(dá)的掃描速度更快、更細(xì)、更廣、更準(zhǔn)。隨著對(duì)相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的不斷探索和技術(shù)逐漸成熟，相控陣技術(shù)優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)，對(duì)相控陣天氣雷達(dá)的定標(biāo)技術(shù)迫切需要更多的探索和研究，比如：陣列天線定標(biāo)、內(nèi)定標(biāo)技術(shù)、外定標(biāo)技術(shù)、一維定標(biāo)方法等（圖3）。

圖3 國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig.3 Development trend of weather radar calibration technology

3 天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)

天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷的經(jīng)典方法可以分為三類(lèi):即基于信號(hào)處理、解析模型和知識(shí)處理方法?；谛盘?hào)處理方法是根據(jù)控制過(guò)程輸入輸出的變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行診斷；基于解析模型方法則主要是通過(guò)分析系統(tǒng)模型參數(shù)與物理元器件參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和狀態(tài)估計(jì)；基于知識(shí)處理方法主要包括基于粗糙集的故障診斷方法、基于遺傳算法的故障診斷方法和基于故障樹(shù)的故障診斷方法等。

3.1 傳統(tǒng)技術(shù)

傳統(tǒng)技術(shù)主要由原始人工診斷階段和傳感器與計(jì)算機(jī)融合診斷階段，傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)測(cè)試、維護(hù)和故障診斷技術(shù)方法主要以依靠?jī)?nèi)建測(cè)試技術(shù)（BIT），根據(jù)內(nèi)建的自測(cè)試功能，一旦各分系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，然后人工根據(jù)報(bào)警參數(shù)和測(cè)試信息進(jìn)行判斷和診斷故障。天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)保障技術(shù)已經(jīng)積累很多經(jīng)驗(yàn)，并不斷分享形成了很多案例，尤其是在雷達(dá)故障分析和故障維護(hù)技術(shù)方面。胡東明等對(duì)CINRAD/SA雷達(dá)發(fā)射機(jī)調(diào)制器故障進(jìn)行了分析與處理；周紅根等對(duì)CINRAD/SA天氣雷達(dá)故障和伺服系統(tǒng)特殊故障進(jìn)行了分析；劉娟等對(duì)CINRAD/SC天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)故障總結(jié)了綜合分析與檢修技巧；蔡勤等對(duì)CINRAD/SA雷達(dá)閃碼故障進(jìn)行了診斷和分析；朱毅等設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；楊傳鳳等討論了CINRAD/SA雷達(dá)數(shù)字中頻改造技術(shù)難題及解決方法；蔡宏等分析了新一代天氣雷達(dá)接收系統(tǒng)噪聲溫度不穩(wěn)定性原因；何建新、潘新民等、周紅根等、楊傳鳳等對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)原理和系統(tǒng)特殊故障處理進(jìn)行了介紹和總結(jié)；蔡勤等、舒毅等、李明元等、胡東明等分別對(duì)雷達(dá)閃碼、軸角箱、控制序列超時(shí)以及伺服系統(tǒng)方位典型故障進(jìn)行了分析和處理；潘新民等和舒毅等在發(fā)射機(jī)觸發(fā)器芯片級(jí)故障診斷、發(fā)射機(jī)高壓打火組件級(jí)故障診斷、SA(B)整流組件設(shè)計(jì)和風(fēng)冷技術(shù)改進(jìn)等獲得成果 。各種傳統(tǒng)技術(shù)形成的故障診斷案例已經(jīng)匯聚成了天氣雷達(dá)故障診斷專(zhuān)家?guī)欤蔀榱酥悄芑\斷技術(shù)的基礎(chǔ)，為智能化診斷階段做出了很多貢獻(xiàn)。

3.2 智能化診斷技術(shù)

智能化診斷技術(shù)主要有智能化診斷階段和智能化預(yù)測(cè)與管理階段，現(xiàn)代天氣雷達(dá)設(shè)備大多采用集成化、固態(tài)化技術(shù)，組件數(shù)量和復(fù)雜程度不斷增加，在提高了天氣雷達(dá)探測(cè)性能的同時(shí)，也為精確查找天氣雷達(dá)故障種類(lèi)、位置提出了更高的技術(shù)要求，傳統(tǒng)技術(shù)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足。近年來(lái)，各種智能化診斷技術(shù)蓬勃發(fā)展，將智能診斷技術(shù)應(yīng)用于天氣雷達(dá)系統(tǒng)故障診斷成為了當(dāng)前天氣雷達(dá)系統(tǒng)保障技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)、軟件、微電子等技術(shù)的不斷深入發(fā)展和完善，虛擬儀器以其開(kāi)放性、易用性、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，逐步取代傳統(tǒng)檢測(cè)儀器，成為各種復(fù)雜電子設(shè)備故障檢測(cè)的高效手段。于是，國(guó)內(nèi)也提出了利用天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)來(lái)輔助或者代替?zhèn)鹘y(tǒng)雷達(dá)測(cè)試與故障診斷手段，以達(dá)到縮短天氣雷達(dá)測(cè)試和故障診斷時(shí)間、規(guī)范維修維護(hù)方法、提高維修效率的目的，天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器系統(tǒng)（WRSOC）和基于虛擬儀器的天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷平臺(tái)的出現(xiàn)可以滿(mǎn)足需求。

天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器系統(tǒng)（WRSOC）主要用于監(jiān)測(cè)天氣雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，同時(shí)具備對(duì)雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)、附屬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及適配參數(shù)變更痕跡等信息采集、在線監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和傳輸?shù)裙δ?。它通過(guò)構(gòu)建一種聯(lián)合異常檢測(cè)與支持向量機(jī)的天氣雷達(dá)故障診斷模型，采用異常檢測(cè)與支持向量機(jī)聯(lián)合診斷模型對(duì)天氣雷達(dá)整機(jī)進(jìn)行故障診斷，從而使得故障診斷準(zhǔn)確率有較大提高，目前已經(jīng)在天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)中進(jìn)行成熟的應(yīng)用（圖4）。

圖4 天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器系統(tǒng)Fig.4 Weather radar standard output controller system

基于虛擬儀器的天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷平臺(tái)是采用PXIE結(jié)構(gòu)板卡儀表資源的便攜式測(cè)試系統(tǒng)，硬件上配備了滿(mǎn)足業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)測(cè)試時(shí)需要的儀器儀表：萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜分析儀等。平臺(tái)結(jié)合了測(cè)試系統(tǒng)理論和虛擬儀器技術(shù)的研究是基于QT、LabView等軟件技術(shù)的專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)嵌的專(zhuān)業(yè)軟件可通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)、故障樹(shù)、開(kāi)放式診斷流程等設(shè)計(jì)方（算）法，引導(dǎo)用戶(hù)解決天氣雷達(dá)常規(guī)測(cè)試、性能檢測(cè)以及故障診斷與排查等操作。天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)可以通過(guò)虛擬儀器進(jìn)行軟件編程，集合多種測(cè)試功能，并能進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)處理與顯示，能有效地縮短維修周期、降低維修成本、提高維修可靠性，把天氣雷達(dá)系統(tǒng)的維護(hù)、測(cè)試與故障診斷技術(shù)水平提升到一個(gè)新的臺(tái)階和高度，實(shí)現(xiàn)了集成化、模塊化和智能化（圖5）。

圖5 天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷平臺(tái)Fig.5 Weather radar test and fault diagnosis platform

3.3 智能化診斷算法

當(dāng)前，天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷智能化技術(shù)的發(fā)展也面臨著很多挑戰(zhàn)，尤其是在天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器（WRSOC）和天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷平臺(tái)系統(tǒng)中的故障診斷程序不斷有著新技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是基石，那么智能化核心算法就是未來(lái)智能化技術(shù)的“心臟”。軍用、船舶、航管等雷達(dá)測(cè)試與故障診斷智能化技術(shù)方面發(fā)展的比較快，天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷智能化技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較滯后，采用軍民融合的方式或許可加快天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷智能化技術(shù)的快速發(fā)展。

王杰和何建新、黃裔誠(chéng)和郭澤勇采用故障樹(shù)分析法對(duì)天氣雷達(dá)設(shè)備可靠性進(jìn)行精確地分析、計(jì)算和評(píng)估，對(duì)天氣雷達(dá)系統(tǒng)建立故障樹(shù)模型，運(yùn)用集合論、布爾代數(shù)、概率論等對(duì)該模型進(jìn)行定性、定量分析指導(dǎo)改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且在系統(tǒng)故障檢測(cè)中能進(jìn)行故障定位和診斷預(yù)測(cè)未來(lái)設(shè)備發(fā)生故障的概率。扈勝超和張濤、胡霄楠和史忠科采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專(zhuān)家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的診斷方法，在實(shí)際雷達(dá)電路中建立精確的數(shù)學(xué)模型，提升天氣雷達(dá)系統(tǒng)故障診斷的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。馬敏等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)相結(jié)合的自適應(yīng)模糊Petri網(wǎng)，根據(jù)雷達(dá)故障專(zhuān)家系統(tǒng)中常用的模糊產(chǎn)生式規(guī)則建立模糊Petri網(wǎng)，然后結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)通過(guò)樣本數(shù)據(jù)對(duì)模糊Petri網(wǎng)中的權(quán)值進(jìn)行反復(fù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，避免依靠人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)置帶來(lái)的不確定性，基于自適應(yīng)模糊Petri網(wǎng)（AFPN）的雷達(dá)故障診斷方法和故障樹(shù)方法相比又具有很多優(yōu)勢(shì)；馬敏等還提出一種自上而下由整體到部分的分層建模與驗(yàn)證方法，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的初步分析，利用UML建模語(yǔ)言為該系統(tǒng)畫(huà)出用例圖和類(lèi)圖得到系統(tǒng)的靜態(tài)模型來(lái)確定該系統(tǒng)的具體組成構(gòu)架，然后為該系統(tǒng)建立一個(gè)隨機(jī)Petri網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型，根據(jù)模型計(jì)算出系統(tǒng)性能指標(biāo)，可以預(yù)防系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖、饑餓和資源沖突的情況，提高設(shè)備資源利用率，節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，方便自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組建。富震和潘偉在粗糙集理論和遺傳算法研究基礎(chǔ)上，提出一種纂于知識(shí)依賴(lài)度為啟發(fā)信息的改進(jìn)自適應(yīng)遺傳約簡(jiǎn)算法，并將其應(yīng)用于雷達(dá)故障診斷，利用該算法對(duì)雷達(dá)故障進(jìn)行診斷，獲取簡(jiǎn)單而又能體現(xiàn)故障征兆與故障原因?qū)?yīng)的診斷規(guī)則，避免了基于故障樹(shù)專(zhuān)家故障診斷系統(tǒng)準(zhǔn)確性差、效率低的缺點(diǎn)。李志華和沈祖詒為了優(yōu)化自動(dòng)測(cè)試流程，并將故障診斷算法動(dòng)態(tài)插入到雷達(dá)故障診斷循環(huán)中，提出一種將雷達(dá)故障狀態(tài)測(cè)試流程與故障診斷算法流程分離，使得測(cè)試流程與算法流程可以成為計(jì)算機(jī)中不同的線程或進(jìn)程，定義了一種測(cè)試流程優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，討論了一種基于預(yù)定義測(cè)試流程動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)在測(cè)試人員自主修改測(cè)試路徑后，默認(rèn)測(cè)試流程自動(dòng)優(yōu)化。莊夏提出一種基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)故障診斷模型，對(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型進(jìn)行了構(gòu)建和分析，采用馬拉特（Mallat）塔式小波變換算法對(duì)故障輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取方法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型的所有參數(shù)作為馬爾科夫決策模型（MDP）的狀態(tài)空間，采用增強(qiáng)學(xué)習(xí)中的行動(dòng)者評(píng)論家算法來(lái)尋求最優(yōu)參數(shù)，并通過(guò)行動(dòng)者對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行不斷改變，不斷提高雷達(dá)故障診斷效率和診斷精度等，都是在對(duì)智能化算法進(jìn)行不斷地探索和改進(jìn)。

3.4 測(cè)試與故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)的天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷技術(shù)雖然在傳統(tǒng)技術(shù)上積累了很多天氣雷達(dá)相關(guān)的測(cè)試和故障診斷案例，但是主要依賴(lài)于基于信號(hào)處理方法，沒(méi)有形成相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和體系。為了進(jìn)一步提高故障診斷技術(shù)在雷達(dá)故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用能力，出現(xiàn)了一些對(duì)經(jīng)典方法進(jìn)行改進(jìn)的算法，使得故障診斷算法更加智能，并逐漸將天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷技術(shù)推向智能化方向發(fā)展。由于對(duì)天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷技術(shù)的投入與天氣雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)相比非常薄弱，當(dāng)前處于傳統(tǒng)技術(shù)與智能化診斷階段初期的交替時(shí)期，仍然以傳統(tǒng)技術(shù)為主，以智能化手段診斷為輔助，實(shí)現(xiàn)全面智能化診斷技術(shù)還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間積累和應(yīng)用實(shí)踐（圖6）。

圖6 天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig.6 Development of weather radar test and fault diagnosis technology

面對(duì)全國(guó)天氣雷達(dá)雙極化技術(shù)升級(jí)，將來(lái)對(duì)性能更加先進(jìn)、結(jié)構(gòu)更加精密、指標(biāo)更加精細(xì)的雙極化天氣雷達(dá)甚至相控陣天氣雷達(dá)的測(cè)試和故障診斷的智能化技術(shù)要求會(huì)更高，需求也會(huì)更加迫切。以智能化診斷技術(shù)為主，并逐漸甚至完全替代傳統(tǒng)技術(shù)是將來(lái)的重要發(fā)展方向和趨勢(shì)。虛擬儀器技術(shù)和軟件核心算法都是為了不斷提高對(duì)天氣雷達(dá)測(cè)試與故障診斷技術(shù)的效率和準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的“自適應(yīng)性”和“智能性”。未來(lái)，隨著智能化測(cè)試與故障診斷技術(shù)的不斷豐富以及軟件算法的不斷完善，比如：VR技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)，將會(huì)全面發(fā)展和應(yīng)用到天氣雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，從而達(dá)到和實(shí)現(xiàn)全面智能化技術(shù)的目的。

4 總結(jié)與展望

軟件化雷達(dá)技術(shù)在萌芽發(fā)展，它通過(guò)軟件定義、擴(kuò)展和重構(gòu)新一代雷達(dá)技術(shù)構(gòu)建開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，在研制雷達(dá)操作環(huán)境的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)功能，可形成快速響應(yīng)需求、縮短研制周期、提高維護(hù)保障和升級(jí)換代能力。軟件化雷達(dá)技術(shù)采用開(kāi)放式體系架構(gòu)，基于標(biāo)準(zhǔn)化總線及通信協(xié)議，構(gòu)建綜合處理硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)綜合處理能力的靈活擴(kuò)展和硬件資源的重組，支持符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的硬件平臺(tái)替換和升級(jí)，從而便于裝備的維護(hù)保障。

智能化雷達(dá)技術(shù)也在發(fā)展概念，未來(lái)智能化雷達(dá)具有環(huán)境自感知，基于知識(shí)學(xué)習(xí)、決策和系統(tǒng)控制能力，系統(tǒng)處理流程更加靈活，處理算法更復(fù)雜。它采用開(kāi)放式架構(gòu)的軟件化雷達(dá)技術(shù)支持雷達(dá)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)功能、流程靈活定義和重構(gòu)能力，支持雷達(dá)系統(tǒng)各類(lèi)數(shù)據(jù)、知識(shí)的高速、有效存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用，支持雷達(dá)各種智能算法的即插即用，發(fā)展軟件化雷達(dá)技術(shù)可有效支持智能化雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。

從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，面對(duì)國(guó)內(nèi)雙偏振天氣雷達(dá)建設(shè)的迫切需求，科學(xué)、可行、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的雙偏振天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)亟待研究，同時(shí)對(duì)相控陣天氣雷達(dá)定標(biāo)與測(cè)試技術(shù)不斷進(jìn)行探索。展望未來(lái)軟件化和智能化天氣雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，天氣雷達(dá)系統(tǒng)智能化水平也非常高，對(duì)天氣雷達(dá)保障技術(shù)復(fù)雜程度、難度和要求更是新益求新、精益求精，這必將對(duì)天氣雷達(dá)的定標(biāo)、測(cè)試和故障診斷技術(shù)發(fā)展帶來(lái)更多新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。