CINRAD/SA 雷達天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測量方法研究

0 引 言

新一代天氣雷達是監(jiān)測臺風(fēng)、暴雨等大范圍降水天氣和冰雹、龍卷等強對流天氣最有效的探測手段，是氣象現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，在氣象短臨預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)等工作中發(fā)揮著不可替代的作用。1998 年開始，中國氣象局在全國范圍內(nèi)布設(shè) CINRAD 新一代天氣雷達。CINRAD/SA 雷達的波長為 10 cm，因其波長的衰減小，可用于探測臺風(fēng)、暴雨及冰雹。CINRAD/SA 雷達作為降水測試系統(tǒng)的重要組成部分，提高其回波強度測試精度是確保雷達氣象預(yù)警預(yù)報準(zhǔn)確性的可靠保障 [1]，天氣雷達回波強度的測量誤差會極大地影響短時災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)報水平（尤其對降水定量估測和降水性質(zhì)判斷）[2]。國內(nèi)諸多專家對雷達定標(biāo)做了很多工作，根 據(jù)《新一代天氣雷達觀測規(guī)定（第二版）》（氣測函〔2018〕171 號）的要求 [2-11]，為規(guī)范新一代天氣雷達天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測量的檢驗方法，確保測量檢驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠，雷達站必須對天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進行至少每年一次的檢驗。

1 原 理

CINRAD/SA 雷達天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)主要利用太陽法進行測量檢驗。太陽法檢驗的原理 ：根據(jù)地球與太陽的運動規(guī)律，利用雷達天線喇叭口所在經(jīng)緯度及北京時間計算出此時太陽在天空中的位置，即與地理北極的夾角（方位）和與地平面的夾角（仰角）。再利用這兩個數(shù)據(jù)指引雷達天線在此處一定范圍內(nèi)的天空搜索太陽的噪聲信號，一旦發(fā)現(xiàn)就立即記錄時間和天線指向的方位和仰角，全部搜索完成后，經(jīng)相關(guān)運算得出天線指向和實際太陽位置間的誤差，最后在雷伺服系統(tǒng)上進行標(biāo)定，以消除誤差。太陽法檢驗可對包括天線、天線罩在內(nèi)的全雷達接收系統(tǒng)反射率的標(biāo)定準(zhǔn)確性和雷達天線波束寬度進行檢驗。

2 前期準(zhǔn)備工作

2.1 站址簡介

蚌埠雷達站塔樓建于蚌埠市錐子山東南坡，雷達站址位于東經(jīng) 117 度 26 分 52 秒，北緯 32 度 55 分 05 秒。雷達塔樓地面海拔高度為 83.0 m。

2.2 測試儀表

測試儀器必須經(jīng)過專業(yè)設(shè)備的標(biāo)校且應(yīng)在校準(zhǔn)有效期內(nèi)。測試儀器儀表包括信號源、功率計、功率探頭、測試電纜等，參考型號詳見表 1

3 測量項目和步驟

測量檢驗雷達天饋系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)包括天線增益、水平和垂直波束寬度。

3.1 測量天線增益

3.1.1 測量收發(fā)支路損耗

為保證測試準(zhǔn)確度，功率計應(yīng)利用功率計顯示值和對信號源輸出功率誤差的最小區(qū)間進行測試。在 -20 ～ 18 dBm范圍內(nèi)，間隔 2 dBm 改變信號源的輸出功率，分別查看功率計顯示值，記錄見表 2 所列。

用繪圖軟件作出信號源輸出功率（縱坐標(biāo)單位為 dBm，間隔為 2 dBm）和功率計對應(yīng)功率測量顯示值（橫坐標(biāo)）的柱狀圖，如圖 1 所示。

由 圖 1 和 表 2 可 知， 功率計誤差最小區(qū)間在 -6 ～ -4 dBm，一般饋線損耗不會超過 2 dB，因此選取信號源輸出功率為 -4 dBm。

使用信號源、功率計、功率探頭、測試電纜等，按《新一代天氣雷達定標(biāo)技術(shù)說明》[2] 中的具體步驟和方法對收發(fā)支路損耗進行測量，記錄接收支路損耗值和發(fā)射支路損耗值，并對適配數(shù)據(jù)進行相應(yīng)修改。

當(dāng)更換收發(fā)支路中的關(guān)鍵器件（如接收機保護器、波導(dǎo)開關(guān)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等）時需對相應(yīng)支路損耗重新進行測試，記錄測試數(shù)據(jù)、修改適配數(shù)據(jù)、重新做反射率標(biāo)定，并用太陽法對反射率標(biāo)定進行驗證。

3.1.2 計算太陽射電功率理論值

圖 2 所示為太陽活動預(yù)報中心提供的當(dāng)天測試時間的太陽射電能流密度 S10.7 以及接收帶寬、天線方向性增益、波長、頻率等，利用太陽射電功率理論值計算公式（1），計算太陽射電被雷達接收并傳輸?shù)浇邮諜C的信號功率理論值。

當(dāng)雷達天線對準(zhǔn)太陽，天線接收的太陽射電功率 Ps 為 ：

式中：B為接收帶寬（Hz）；G為天線方向性增益（dB）；λ為波長（m）；S為所需頻率上的太陽能流密度；π為常數(shù)。

不同頻率上的太陽能流密度可在 10.7 cm 太陽能流密度基礎(chǔ)上用以下公式獲得 ：

式中：S10.7 為 10.7 cm 波長太陽能流密度；f 為頻率（MHz）；α 等于 0.000 2；β 等于 -0.01。

將式（2）代入式（1），得到式（3）

3.1.3 獲取太陽射電功率實際測量值

利用 CINRAD/SA 雷達控制軟件將天線對準(zhǔn)太陽，用雷達測量實際接收的太陽射電功率。選擇太陽高度角范圍25°～ 40°，具體操作方法與步驟如下。 

（1） 雷 達 RDA 計算機系統(tǒng)時鐘和經(jīng)緯度校準(zhǔn)。 要 求 RDA 計算機系統(tǒng)時間與北京時間誤差不超過 1 s。在RDASOT 軟件中的太陽法設(shè)置欄內(nèi)填入當(dāng)?shù)販y繪部門提供的準(zhǔn)確的雷達天線饋源經(jīng)緯度。 

（2）雷達天線控制精度定標(biāo)。按照定標(biāo)流程，標(biāo)校雷達方位、俯仰控制精度，使之符合技術(shù)指標(biāo)（天線控制精度誤差不超過 0.1°）要求且盡量調(diào)到最小。

（3）雷達波束空間指向誤差定標(biāo)。按照定標(biāo)流程標(biāo)校雷達波束空間指向誤差，使之符合技術(shù)指標(biāo)（雷達波束空間指向誤差不超過 0.3°）要求且盡量調(diào)到最小。 

（4）將雷達運行于太陽噪聲標(biāo)定模式下，連續(xù)記錄雷達收到的射電功率，其中最大功率即為太陽射電功率測量值。

3.1.4 對比理論值和測量值

將雷達應(yīng)接收到的太陽射電功率理論計算值與雷達實際接收的太陽射電功率進行對比。當(dāng)測量值與理論值的差值不超過 2.5 dB 時，表示天線增益符合要求 ；若超過該指標(biāo)，則需分析并查找出誤差原因并改進，之后重新進行太陽法檢驗，直到符合要求為止。

3.2 測量水平和垂直波束寬度

3.2.1 制作太陽射電功率曲線圖

根據(jù) CINRAD/SA 雷達天饋系統(tǒng)位置信息（經(jīng)度、緯 度）和雷達 RDA 計算機準(zhǔn)確的時間數(shù)據(jù)，通過雷達中的RDASOT 軟件自行計算出任意時刻太陽中心位置的高度角和方位角，控制天線在俯仰和方位兩個方向經(jīng)太陽中心位置各掃描一次，通過雷達 RDA 計算機獲得太陽射電功率，由RDASOT 軟件自動畫出太陽射電功率曲線圖。

3.2.2 計算天線波束寬度

根據(jù)太陽射電功率曲線圖計算天線波束寬度。當(dāng)天線進行方位角掃描時，計算出的波束寬度代表水平波束寬度 ；同 理，當(dāng)天線進行俯仰角掃描時，計算出的波束寬度代表垂直波束寬度。

計算方法 ：在太陽射電功率曲線圖（圖 3 為方位圖，圖 4為俯仰圖）上找出太陽最大射電功率，在左、右兩側(cè)各找出一個比太陽最大射電功率小 3 dB 的點，并找出兩個點所對應(yīng)的方位角（圖 3 中的 A1 和 A2 點）和俯仰角（圖 4 中的A3 和 A4 點），A2 和 A1 的差值即為水平波束寬度，A4 和A3 的差值即為垂直波束寬度。

3.2.3 檢驗雷達天線波束寬度

若用太陽法計算出的水平和垂直波束寬度值與雷達天線測試值的誤差在 ±0.2°范圍內(nèi)，則表示檢驗合格，否則需要查找原因進行改進，并重新測量檢驗。

4 結(jié) 語

目前 CINRAD/SA 雷達現(xiàn)場無法測試發(fā)射和接收支路的損耗，且不少雷達已更換過接收機保護器、無源限幅器、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、波導(dǎo)開關(guān)等饋線微波器件，甚至部分雷達還進行了大修。由此可見，沿用之前雷達出廠時的收發(fā)支路損耗值對雷達回波強度進行標(biāo)定是不準(zhǔn)確的，必然會引入較大的系統(tǒng)定標(biāo)誤差，導(dǎo)致雷達回波強度出現(xiàn)偏差。因此，開展對雷達天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測量方法的研究十分必要。