雙線偏振天氣雷達性能測試方法研究?

汪旭東,胡志群,劉 浩,郝立勇

(1.安徽四創電子股份有限公司,安徽合肥230088;2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京100081)

0 引言

雙線偏振雷達通過同時或交替發射水平和垂直偏振波,并接收兩個偏振方向的回波信號的方法,可同時探測到降水系統的回波強度ZH、差反射率因子ZDR、差傳播相移率KDP和水平垂直信號相關系數ρHV,這些量直接反映了降水系統粒子相態、滴譜分布等微物理結構的變化規律,從而可以明顯提高雷達資料質量、降水估測和相態識別的能力[1-6]。

但是,雙線偏振雷達探測的偏振量(如差分反射率因子ZDR、差傳播相移率KDP)是水平通道回波強度和傳播相位的差別,一般來說,ZH的取值在-10 dBz到65 dBz之間,而ZDR在-5 dB到5 dB之間變化,KDP通常也在-2°/km到5°/km之間變化,相對于ZH而言,它們的取值范圍小很多;另一方面,這些量非常小的誤差就會引起降水強度和相態識別結果很大的誤差。這就要求雙線偏振雷達探測的精度非常高。為了得到準確可靠的雙線偏振雷達資料,對系統的測試和訂正就顯得非常重要。Doviak[1]對研制的S波段雙線偏振雷達在工作模式、天線結構、數據質量等方面進行了深入的分析。美國在WSR-88D上發展的KOUN雙線偏振雷達系統在應用前,也對其進行了嚴格的測試,并將其測試結果應用到資料的分析中[4]。

我國早在上世紀80年代就利用數字化雷達改造的雙線偏振雷達開展了降水估測、降水粒子相態識別等方面的研究工作[7-8]。在新一代天氣雷達建設的同時,帶有多普勒功能的雙線偏振雷達研制及其應用工作得到了各方面的重視,雷達廠家研制了不同體制的雙線偏振雷達系統,我國已經有多種波長、多種工作模式的雙線偏振雷達先后投入外場試驗和科研工作,并在應用研究方面取得了不少研究成果[9-11]。但迄今為止,雙線偏振天氣雷達目前在我國尚無統一的測試內容、測試方法和性能評估的標準,傳統的方法是以我國新一代多普勒天氣雷達的測試項目和測試方法的標準為依據,在此基礎上增加有關偏振方面的測試內容。如對天線和接收機分別測兩個通道的特性,以兩個通道一致性的好壞作為評價指標,這種方法無疑是正確的,偏振雷達出廠前都作這方面測試,接收單位也是以此作為驗收的依據。但由于出廠測試結果多是各個分機性能測試結果數據的集成,缺乏對雷達總的性能指標的測試(如包括天線在內的性能),且由于運輸和現場安裝原因,雷達在現場安裝起來后,有些分機的性能可能有所變化,再加上天線罩的影響等,這些都會引起雷達參數的改變,如在雷達氣象方程里還采用出廠前的數據,必然會帶來誤差,這可能就是目前我國出現不同雷達探測同一個目標,其強度信號差別較大的一個重要原因。

為此,安徽四創電子股份有限公司在新一代天氣雷達測試定標的基礎上,綜合研究了雙線偏振雷達的測試、定標和偏振信息的訂正和預處理等方面的工作,并在其為北京市氣象局研制的3836雙線偏振多普勒雷達中進行了實際的驗證,其研究結果可供今后雙線偏振雷達研制工作參考。

1 雙線偏振雷達的測試方法及結果

在多普勒天氣雷達中,為保證雷達自身的工作參數穩定,給出的結果數據更為可信,必須隨時檢測雷達的主要參數,以便對探測結果進行必要的修正,這就要求雷達系統具有對主要工作參數進行自動檢測和對探測結果進行修訂的功能,這個過程就是雷達的標定。雷達可進行自動或人工干預檢測和標定,其檢測和標定內容為:發射機脈沖功率在線檢測、天饋駐波的檢測、雙接收通道一致性標校、接收特性曲線標校、強度測試、速度驗證、噪聲系數測試、相位噪聲檢測以及天線波束指向標定。

根據不同類型降水粒子的雙線偏振雷達探測量的取值范圍和雷達探測能力,以及各國的雙線偏振雷達實際的探測精度,一般認為ZH,ZDR和KDP的誤差應分別小于1.0 dB,0.2 dB和0.2°/km。為了保證這一精度要求,除多普勒雷達測試和標定內容外,還要根據雙線偏振雷達探測的偏振量的種類和特點采用其他不同的測試方法。在實際的雷達測試中,本文提出了結合機內機外儀表測試、標定和利用氣象觀測目標相結合的綜合測試方法,其中以機內機外儀表測試、標定為主,氣象和非氣象目標測量為輔。目的是確定雙線偏振雷達偏振量的測量標定方法,提高探測精度,減小系統誤差對氣象產品反演的影響,提高資料的可靠性。

1.1 天饋線系統

雙線偏振雷達的天饋線系統由天線和饋線兩部分組成,天線部分由共軸雙模喇叭口輻射器、正交模耦合器、圓拋物面反射體組成,饋線部分由定向耦合器、隔離器、諧波濾波器、三態極化開關、環流器、方位向雙通道高功率旋轉關節、俯仰向高功率旋轉關節、TR管、固態噪聲源、PIN開關組件、波導同軸轉換及若干波導組成。對天饋線系統的標定測試主要是對天線系統水平、垂直通道一致性測試,即通過天線發射出去的水平、垂直偏振波的波瓣寬度、主要旁瓣的一致性。兩通道的增益一致性是保證水平垂直偏振波的后向散射能力來自同一降水散射體的重要因素,是偏振量可靠性的重要保證。在雷達出場前,都要在微波暗室里對天線進行測試。

目前利用外部信號源的測試方法逐漸應用到雷達安裝現場的測試中,由于該方法利用雷達接收外部標準信號源的信號,所以得到的接收數據更能反映雷達的整體性能和探測能力,這對要求有更高探測數據精度的雙線偏振雷達尤為重要。其測試的原理就是將信號源和標準喇叭安放在合適的陣地上,開機后將信號源發射喇叭對準雷達天線,調整信號源喇叭使其能準確地發射水平(或垂直)線偏振波,斷開雷達接收機前端與混頻器的連線,將其接到與信號源發射頻率相同的頻譜儀的輸入端。測試過程中,通過調整雷達天線,以雷達對準信號源時的位置為中心,在方位角和仰角偏離一定范圍內測量雷達接收到的信號功率。然后計算水平和垂直通道的電軸方向、波瓣寬度、旁瓣電平、隔離度、方向圖的一致性和相關性等性能指標。圖1～4給出了2012年5月在北京3836雙線偏振雷達的一次測試結果。測試結果如下(頻率5 350 MHz):雷達天線水平極化波束寬度為0.92°(H面)、0.95°(E面);垂直極化波束寬度為0.91°(H 面)、1.00°(E面);旁瓣電平24～28.5 d B;水平通道E面水平發垂直收交叉極化隔離度為-28.17 d B,其他優于-30 d B。

圖2 水平通道交叉極化方向圖對比

圖3 垂直通道交叉極化方向圖對比

圖4 3 dB寬度波束

1.2 發射機分配到兩個通道的功率測試

該雷達發射機發射的功率通過功分器分到水平和垂直通道,進入到兩個通道的功率的比值是計算ZH、ZDR的必要因子。對“雙發雙收”體制來說,功分開關的安裝位置越靠近饋源位置越容易實現發射通道的幅相平衡,理論上安裝在天線的背面為最佳方案,因為功分器至饋源之間的饋線連接器件,短時間內幅相起伏很小,但選用該方式,就必須采用三通道旋轉鉸鏈,然而目前三通道鉸鏈的電性能,尤其是其在旋轉過程中插損和相位的起伏很難保證雙線偏振天氣雷達的探測精度要求;該雷達只采用雙通道鉸鏈,將功分開關組件安裝在方位鉸鏈與發射管之間,這對雙通道饋線系統的插損和相位平衡的控制造成很大的難度,一般采用對稱性設計來保證,則此時影響偏振參數測量結果的主要器件為三極化開關、雙通道高功率鉸鏈、正交模耦合器等。

對兩個通道功率差的測試采用在發射口外接信號輸入源,信號經過極化開關、高功率鉸鏈(方位、俯仰)和正交模耦合器后在饋源的出口處測量其兩個通道的差值。測試結果:兩個通道的功率差為0.3 d B(5 350 MHz)。

1.3 兩個通道一致性測試

該雷達采用同時收發體制,兩個通道一致性測試包括通道對功率的損耗差和兩個通道雷達波的相位差。通道損耗差與ZDR的計算有關,而從發射機到天線饋源水平、垂直通道的相位差關系到發射的電磁波是否為與水平方向成45°夾角的線偏振波。

兩個通道一致性測試的方法是將接收機內部的DDS測試信號放大后接入數控衰減器,數控衰減器可同時輸出兩路功率相等的經過衰減后信號分別至兩個接收前端。控制數控衰減器的衰減碼,使注入到接收前端的測試信號逐漸降低,兩路測試信號分別經過接收前端、數字中頻和信號處理器后送入數據處理與顯示分系統,雷達終端監控軟件對信號處理輸出信號進行采集并計算,最終在雷達終端軟件上記錄并顯示出通道增益差曲線。圖5給出了雙通道一致性標校原理框圖。

圖5 雙通道一致性標校原理框圖

測量結果:水平垂直通道的整體損耗差0.39 dB,饋源處兩個通道發射雷達波的相位差小于2°。

1.4 偏振數據質量與回波功率大小的關系測試

偏振雷達的數據由于受硬件條件的限制,對于弱回波的探測往往誤差較大,為了考慮判別偏振數據精度情況,可以此作為判別偏振數據精度的門限。實際的測試方法是將雷達饋源處使用金屬擋板擋住,在發射端耦合器(耦合度53 dB)處用信號源送入信號,在線性區域以5 dB、在高端和低端以1 d B的步長改變信號源的輸出功率,由數據處理終端讀取ZH、ZDR、ΦDP、ρHV等數據并記錄。以各種偏振參量數據為縱軸,以輸入功率為橫軸,畫出曲線圖,從圖中即可看出偏振參量與輸入功率(對應與信噪比)的關系。

圖6是一次隨機測試給出的結果圖。從圖中可以看出,對于ZDR和ΦDP在輸入信號為-20 dB(對應的信噪比為25 dB)以下數據的抖動誤差較大,參數不可信。實際應用中為保證偏振數據的精度,可以此作為判別偏振數據精度的門限。

圖6 偏振數據與回波功率大小的關系

1.5 偏振數據的方位仰角起伏測試

理論上對于固定強度的信號輸入而言,雷達在不同方位和不同仰角上測量到的值應該也是固定的,但是在實際的觀測過程中,由于各種誤差的存在,各參數在方位和仰角上會有變化,這種變化如果超出一定的范圍,就需要根據實際情況對雷達作出調整。

實際的測試方法是將饋源喇叭用金屬板堵住喇叭口,使其發射信號產生全反射,信號源信號從發射機功分器前面耦合入波導。控制雷達在最低仰角上作PPI掃描,然后以0.2°的步長在垂直方向控制雷達天線在不同的仰角上作PPI掃描,在終端上保存其輸出的PPI數據文件,這時得到的ZH、ZDR、ΦDP、ρHV即為該雷達的各偏振參數對這方位和仰角的系統誤差。測試結果如表1所示,圖7給出了ZDR、ΦDP隨方位起伏變化圖。

表1 CPDRW各偏振參數對方位、仰角的系統誤差

圖7 偏振參數隨方位起伏變化圖

1.6 雙通道相位差定標

雷達在實際工作時,水平、垂直兩個通道(包括饋線通道和接收通道)會存在一定的通道差,該差值可能會隨著工作環境的變化而變化,如果其中一個通道發生較大變化時,仍然用固定的通道差值代入雷達參數進行相關計算,可能會造成有些雙線偏振參數發生變化,影響探測的準確性。因此需要對雙接收通道的幅相一致性進行實時標校。標校的方法就是在水平、垂直通道上通過信號源輸入兩個相位一致的信號,通過移相器改變兩個通道的信號的相位差,然后從信號處理器上輸出實際測量的相位差。

在雷達天線俯仰轉臺上設置一個穩定的幅相標定信號源,該信號源同時輸出兩路等幅同相的測試信號至水平和垂直通道上的定向耦合器測試口。雷達正常工作時,關閉該測試信號源電源,以防止泄漏;當雷達需要標定時,通過控制電路控制信號源輸出兩路功率、相位相同的測試信號,通過穩幅穩相電纜分別接入水平、垂直兩個通道的耦合器,經過饋線通道后進入雙通道接收機,中頻處理完成后送入信號處理器,信號處理器將強度和相位的檢測結果送至雷達終端顯示,并由終端將該結果送至信號處理器,由其完成一致性實時標校。

標校信號源在數字處理分機送來的同步信號控制下,產生用于系統幅相一致性標校的兩路標定信號,該標定信號經穩幅穩相電纜送至波導耦合器,饋入雷達系統H、V饋線通道,經饋線傳輸至對應的接收通道,輸出的中頻信號送至數字處理分機處理,完成幅相一致性標校。這種方法的局限性在于:1)不能標定發射通道引起的系統差;2)受標校信號源、耦合器和連接電纜性能影響較大。現在已經開始考慮直接在發射端加標校源的方式,這樣可以一次性地標校出整個硬件通道(包括發射通道)的系統差,但同樣也存在著器件損耗的影響。

1.7 Z DR測量定標

對ZDR的定標測試是先分別測量水平和垂直偏振波的反射率因子,然后計算ZDR。具體的測試方法是:從天線后端水平、垂直兩個通道上分別饋入相同強度的輸入信號(逐漸線性遞增),考慮到兩個通道的衰減差,得到理想的ZDR。然后從終端上讀出ZDR的測量值,分析ZDR的測量誤差及其信噪比對ZDR測量的影響。測試結果表明,當對應的信噪比 ＞30 dB時,雙通道的ZDR系統誤差在0.8 dB左右,這部分差值需要在后續資料處理中給予消除。

2 實際結果檢驗

為了檢驗利用機內和機外儀表標定的結果,采用天線垂直指向的探測方法來進行驗證。理論上,當被測量的氣象目標滿足方位對稱性時,則其固有ZDR為0 dB,因此在天線波束垂直入射時的測量值就能確定全系統的“修正”因子。另一種方法是假設風暴頂層的冰粒子基本滿足偏振面各向同性條件,與天線仰角無關,從而固有ZDR≈0 dB。由于這樣的雷達數據更容易收集,此方法比較容易實施。這種情況下多時刻、不同距離測量的平均ZDR≈0 dB,KDP≈0°/km。

因為太陽輻射是隨機偏振的,也可以利用太陽信號來模擬一個輸入到兩個通道輻射量相等的外部參考信號源的方式來直接標定兩部接收機之間的增益差和相位。當雷達天線對準太陽進行掃描時,就相當于對兩個通道提供相等“噪聲”的功率激勵,這時探測到的回波數據也可以作為系統誤差的一個參考。實際的處理方法是通過在不同時次上獲取的幾百個太陽信號數據進行統計處理,計算其平均值和標準差,然后將其結果作為系統誤差用來修正雷達實際獲取的氣象回波數據。由于太陽噪聲是隨機的,理論上其ρHV應該為0附近,實際對其觀測獲得的ρHV在0.1附近擺動。

需要說明的是,在輸入的信噪比較小時,雷達探測到偏振參數的值擾動較大(如圖8所示),偏振數據不可信。因此,當偏振數據精度的門限較高,大于太陽信號自身的信噪比(一般不超過20 dB)時,此時探測到的偏振數據由于抖動較大,對其進行統計處理得到的結果就沒有明顯的意義,用其結果來訂正實際氣象回波數據得到的結果就是不正確的。

圖8 Z DR太陽目標定標過程中獲取的雷達采樣數據(單位:dB)

3 結束語

本文以安徽四創電子股份有限公司和北京市氣象局合作研發的3836雙線偏振多普勒天氣雷達升級后的狀態為主要平臺,根據雙線偏振雷達探測能力的要求,在新一代天氣雷達測試方法的基礎上,提出了雙線偏振雷達的測試方法,進行了實際的雷達測試分析。同時利用氣象回波和太陽回波資料,驗證了該雷達的測試結果。測試結果和初步資料分析結果表明:雙線偏振雷達的測試方法合理可行,該雙線偏振雷達探測精度能基本滿足雙線偏振雷達探測降水和識別粒子系統的需求,資料可信度較高。

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