CINRAD/CC-D雙偏振天氣雷達雙通道一致性研究

姜方達, 曲紹君, 趙雪明, 鞏力源, 裴建勛

(吉林省氣象探測保障中心，吉林 長春 130000)

0 引 言

天氣雷達作為天氣探測和預報的重要技術裝備已經歷了三個發展階段：常規模擬天氣雷達階段、數字化天氣雷達階段和多普勒天氣雷達階段[1]。前兩者只能探測氣象目標的位置和強度等靜態信息，由于缺乏獲取目標動態信息的能力，很難做出準確的天氣預報，而多普勒天氣雷達不僅能探測氣象目標的靜態信息，還能夠探測目標的動態信息，如速度、譜寬等，從而得到大氣風場和湍流等信息，以提高預報準確度。

2000年開始，美國將布網天氣雷達升級為具有偏振功能的雷達，標志著偏振探測技術的成熟[2]。隨后，單偏振多普勒天氣雷達逐漸發展為雙偏振和多偏振，其中雙偏振天氣雷達技術趨于成熟并得到廣泛應用，因此，對雙偏振標定方法、精度和穩定性提出了更高的要求。使用雙偏振標定技術可以全面檢查雷達系統的狀態，實時在線校正雷達系統偏差，提高了雙偏振雷達數據質量[3]。

文獻[4]指出造成雙偏振雷達差分反射率因子Zdr誤差的主要原因包括雙通道隔離度和天線增益等。文獻[5]分析了天線系統、接收機和數據處理系統，提出了兩通道隔離度對偏振數據的影響，并利用金屬球法和微雨滴法對天線兩通道的增益進行標定，使用以上方法,文獻[6-7]中以提高雷達雙通道探測性能為目標對雷達系統差分反射率Zdr進行了測試和標定的研究工作。文獻[8]在模擬研究的基礎上給出了共極化和交叉極化通道隔離度的求法。文獻[9-11]通過對不同極化方式的測量數據分析，得出通道增益是導致差分反射率誤差因子產生的主要原因。文獻[12-14]通過C波段雙偏振天氣雷達機內信號源的連續波輸出對雷達旋轉關節進行檢測，結果表明，旋轉關節造成的誤差由于信號進出的方向不同，對雙通道造成的影響也不相同，但對雙通道一致性的影響較為固定，可以通過后期處理進行修正。目前，通過硬件工藝可以有效改善雙通道增益和隔離度對差分反射率因子的影響，通過以上嘗試和探索得出在造成差分反射率測量誤差的因素中，雙通道的一致性成為最主要原因之一。文中結合長春市氣象局CC-D雷達闡述了雷達的工作原理和系統結構，分析了接收、發射和天線通路對雙通道一致性的影響，提出雙通道一致性校準的原理和方法，檢驗了雙偏振雷達雙通道的一致性，對各級臺站雙偏振雷達技術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雷達由天饋線分系統、發射分系統、接收分系統、信號處理分系統等9部分組成。接收分系統產生可變頻C波段射頻激勵信號，經發射分系統整形功放送入速調管，輸出峰值功率大于250 kW的射頻脈沖信號，最后經過功分的水平(H)、垂直(V)兩路電磁波信號經天饋系統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，經過饋線送往接收分系統做功放和下變頻處理得到60 MHz的中頻回波信號，經采樣處理后的I/Q正交信號送往信號處理分系統；在信號處理分系統中，對I/Q正交信號進行平方律檢波、地物雜波對消處理得到反射率數值；通過脈沖對處理(Pulse Pair Processing，PPP)或傅里葉變換處理(Fast Fourier Transform，FFT)，從而得到散射粒子的動態信息如差分反射率因子等。通過上述工作過程可見，影響雙偏振雷達雙通道一致性的因素主要包括天線、接收機、旋轉鉸鏈和饋線[15]。

天線對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，這些由雷達口徑和發射波長及波導長度等出廠設計產生的誤差是隨機的，在實際測量檢測中，無法通過系統配置來訂正校準。目前常見的是依靠相控陣天線硬件來實現期望目標，以減小差分反射率誤差。信號經過旋轉關節時，由于信號進出的方向不同，對雙通道造成的影響也不相同,且旋轉關節對雷達雙通道一致性的影響較為隨機，無法通過后期修正補償。接收機分為H、V兩路，要求其擁有一致的靈敏度和相同的動態范圍。但實際上由于微波器件插入產生功率損耗、噪聲系數不同和連接波導長度不完全匹配，使測得信號和相移長度都會存在差異，進而影響動態曲線的斜率和截距，但這種誤差可通過系統訂正補償進行消除。

2 雙通道一致性校準方法

CC-D雷達雙通道一致性校準主要是對Zdr進行數值校準，采用相對值進行校準，排除由波導和微波器件連接產生的誤差及測試過程中信號源、傳輸電纜等測試設備帶來的不可預見誤差[16]?？赏ㄟ^遮擋饋源處實現收發通路的一體化標校，但鏈路越長，產生的不確定誤差越多，實際中可分為接收通路一致性校準(Receive Consistency Calibration，RCC)；發射通路一致性校準(Transmit Consistency Calibration，TCC)；天線支路一致性校準(Antenna Consistency Calibration，ACC)。

系統總誤差可表示為

ESYS=ERCC+ETCC+EACC。

(1)

2.1 收發通路一致性校準

接收通道測量框圖如圖1所示。

圖1 接收通道測量框圖

圖1中，使用信號源注入幅度適當信號Si，信號幅度可通過估算損耗盡量選取在動態區間范圍內輸入。測試信號經過功分器、隔離器、定向耦合器、旋轉關節和環形器后，由接收支路返回中頻數字信號處理，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——終端顯示功率數值；

SRH、SRV——信號源經過功分后進入H、V通道的信號；

CH、CV——對應耦合度。

發射通路一致性校準過程與接收通路類似，經測量可得發射通路一致性誤差為

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

(CH-CV),

(3)

式中:PTH、PTV——終端顯示功率數值；

STH、STV——信號源經過功分后進入H、V通道的信號；

CH、CV——對應耦合度。

2.2 天線支路一致性校準

天線支路測量框圖如圖2所示。

圖2中，由饋源接收射頻信號源發出的信號Si，信號源按照雷達工作參數設置頻率和幅度，經過相移器、耦合器、旋轉關節和環形器后進入接收機或恒溫接收機中，經數字中頻信號處理后在終端顯示，得出兩個支路的幅度值分別記為PAH、PAV，也可使用太陽法進行測量比較，則天線支路一致性誤差可表示為

圖2 天線支路測量框圖

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

(CH-CV),

(4)

式中:PAH、PAV——終端顯示功率數值；

SAH、SAV——H、V通道中的信號；

CH、CV——對應耦合度。

綜上所述，系統一致性誤差主要產生在收發通路和天線支路。由于差分發射率因子Zdr是電磁波信號由散射粒子返回的動態信息量求得的差分量，因此接收通道一致性的檢測尤為重要，在實際中，我們要求雙通道幅度差≤0.2 dB，即Zdr的誤差應≤0.2 dB[17]。

3 雙通道一致性檢驗

CC-D雷達是新一代天氣雷達CINRAD/CC升級換代產品，主要布設在吉林、黑龍江、云南、新疆等省區，CC-D雷達在CC雷達基礎上，在關鍵點參數采集、自動標校、接收數據處理、狀態信息上傳等方面做了全面技術升級，最重要的是增加雙線偏振功能，可對降水粒子的物理相態做準確判斷，適用于冰雹、冰晶、雪片等回波識別。

采用文中方法對長春市CC-D雷達雙通道一致性進行檢驗，使用儀器見表1。

表1 儀器及型號

在窄脈寬條件下，利用機外信號源和機內信號源注入測試信號的H、V通道機外和機內特性曲線如圖3所示。

(a)H通道機外運動曲線

由圖3可以看出，H和V通道的下拐點分別為107.8 dB和107.9 dB，即最小可測功率信號，雙通道特性曲線斜率均為1.004，動態范圍均≥85，在動態范圍內任取測試點外接信號源進行測量，可得信號源注入相同功率對應H和V通道接收機輸出功差值，即雙通道幅度差≤0.2 dB，符合技術指標要求。

4 結 語

提出CC-D天氣雷達雙通道一致性校準方法，采用內外相對測量檢驗雙通道一致性，有效排除了信號源、測試電纜和轉接頭等設備和元件產生的不確定干擾，輔之以天線和全鏈路一致性校準,提升了檢驗的準確率和可信度。經檢驗雙通道動態曲線和動態范圍基本一致，雙通道幅度差≤0.2 dB，具有良好的校準效果。