CINRAD/SA 雷達(dá)天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量方法研究

0 引 言

新一代天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨等大范圍降水天氣和冰雹、龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣最有效的探測(cè)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(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等工作中發(fā)揮著不可替代的作用。1998 年開(kāi)始，中國(guó)氣象局在全國(guó)范圍內(nèi)布設(shè) CINRAD 新一代天氣雷達(dá)。CINRAD/SA 雷達(dá)的波長(zhǎng)為 10 cm，因其波長(zhǎng)的衰減小，可用于探測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨及冰雹。CINRAD/SA 雷達(dá)作為降水測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，提高其回波強(qiáng)度測(cè)試精度是確保雷達(dá)氣象預(yù)警預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的可靠保障 [1]，天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度的測(cè)量誤差會(huì)極大地影響短時(shí)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平（尤其對(duì)降水定量估測(cè)和降水性質(zhì)判斷）[2]。國(guó)內(nèi)諸多專(zhuān)家對(duì)雷達(dá)定標(biāo)做了很多工作，根 據(jù)《新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)規(guī)定（第二版）》（氣測(cè)函〔2018〕171 號(hào)）的要求 [2-11]，為規(guī)范新一代天氣雷達(dá)天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量的檢驗(yàn)方法，確保測(cè)量檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，雷達(dá)站必須對(duì)天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行至少每年一次的檢驗(yàn)。

1 原 理

CINRAD/SA 雷達(dá)天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)主要利用太陽(yáng)法進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)。太陽(yáng)法檢驗(yàn)的原理 ：根據(jù)地球與太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用雷達(dá)天線喇叭口所在經(jīng)緯度及北京時(shí)間計(jì)算出此時(shí)太陽(yáng)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(gè)數(shù)據(jù)指引雷達(dá)天線在此處一定范圍內(nèi)的天空搜索太陽(yáng)的噪聲信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)就立即記錄時(shí)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(yùn)算得出天線指向和實(shí)際太陽(yáng)位置間的誤差，最后在雷伺服系統(tǒng)上進(jìn)行標(biāo)定，以消除誤差。太陽(yáng)法檢驗(yàn)可對(duì)包括天線、天線罩在內(nèi)的全雷達(dá)接收系統(tǒng)反射率的標(biāo)定準(zhǔn)確性和雷達(dá)天線波束寬度進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 前期準(zhǔn)備工作

2.1 站址簡(jiǎn)介

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

2.2 測(cè)試儀表

測(cè)試儀器必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的標(biāo)校且應(yīng)在校準(zhǔn)有效期內(nèi)。測(cè)試儀器儀表包括信號(hào)源、功率計(jì)、功率探頭、測(cè)試電纜等，參考型號(hào)詳見(jiàn)表 1

3 測(cè)量項(xiàng)目和步驟

測(cè)量檢驗(yàn)雷達(dá)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(cè)量天線增益

3.1.1 測(cè)量收發(fā)支路損耗

為保證測(cè)試準(zhǔn)確度，功率計(jì)應(yīng)利用功率計(jì)顯示值和對(duì)信號(hào)源輸出功率誤差的最小區(qū)間進(jìn)行測(cè)試。在 -20 ～ 18 dBm范圍內(nèi)，間隔 2 dBm 改變信號(hào)源的輸出功率，分別查看功率計(jì)顯示值，記錄見(jiàn)表 2 所列。

用繪圖軟件作出信號(hào)源輸出功率（縱坐標(biāo)單位為 dBm，間隔為 2 dBm）和功率計(jì)對(duì)應(yīng)功率測(cè)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(jì)誤差最小區(qū)間在 -6 ～ -4 dBm，一般饋線損耗不會(huì)超過(guò) 2 dB，因此選取信號(hào)源輸出功率為 -4 dBm。

使用信號(hào)源、功率計(jì)、功率探頭、測(cè)試電纜等，按《新一代天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)說(shuō)明》[2] 中的具體步驟和方法對(duì)收發(fā)支路損耗進(jìn)行測(cè)量，記錄接收支路損耗值和發(fā)射支路損耗值，并對(duì)適配數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)保護(hù)器、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等）時(shí)需對(duì)相應(yīng)支路損耗重新進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)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(yáng)法對(duì)反射率標(biāo)定進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1.2 計(jì)算太陽(yáng)射電功率理論值

圖 2 所示為太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)中心提供的當(dāng)天測(cè)試時(shí)間的太陽(yáng)射電能流密度 S10.7 以及接收帶寬、天線方向性增益、波長(zhǎng)、頻率等，利用太陽(yáng)射電功率理論值計(jì)算公式（1），計(jì)算太陽(yáng)射電被雷達(dá)接收并傳輸?shù)浇邮諜C(jī)的信號(hào)功率理論值。

當(dāng)雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，天線接收的太陽(yáng)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(zhǎng)（m）；S為所需頻率上的太陽(yáng)能流密度；π為常數(shù)。

不同頻率上的太陽(yáng)能流密度可在 10.7 cm 太陽(yáng)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(zhǎng)太陽(yáng)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(yáng)射電功率實(shí)際測(cè)量值

利用 CINRAD/SA 雷達(dá)控制軟件將天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，用雷達(dá)測(cè)量實(shí)際接收的太陽(yáng)射電功率。選擇太陽(yáng)高度角范圍25°～ 40°，具體操作方法與步驟如下。 

（1） 雷 達(dá) RDA 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘和經(jīng)緯度校準(zhǔn)。 要 求 RDA 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間與北京時(shí)間誤差不超過(guò) 1 s。在RDASOT 軟件中的太陽(yáng)法設(shè)置欄內(nèi)填入當(dāng)?shù)販y(cè)繪部門(mén)提供的準(zhǔn)確的雷達(dá)天線饋源經(jīng)緯度。 

（2）雷達(dá)天線控制精度定標(biāo)。按照定標(biāo)流程，標(biāo)校雷達(dá)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(guò) 0.1°）要求且盡量調(diào)到最小。

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

（4）將雷達(dá)運(yùn)行于太陽(yáng)噪聲標(biāo)定模式下，連續(xù)記錄雷達(dá)收到的射電功率，其中最大功率即為太陽(yáng)射電功率測(cè)量值。

3.1.4 對(duì)比理論值和測(cè)量值

將雷達(dá)應(yīng)接收到的太陽(yáng)射電功率理論計(jì)算值與雷達(dá)實(shí)際接收的太陽(yáng)射電功率進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)測(cè)量值與理論值的差值不超過(guò) 2.5 dB 時(shí)，表示天線增益符合要求 ；若超過(guò)該指標(biāo)，則需分析并查找出誤差原因并改進(jìn)，之后重新進(jìn)行太陽(yáng)法檢驗(yàn)，直到符合要求為止。

3.2 測(cè)量水平和垂直波束寬度

3.2.1 制作太陽(yáng)射電功率曲線圖

根據(jù) CINRAD/SA 雷達(dá)天饋系統(tǒng)位置信息（經(jīng)度、緯 度）和雷達(dá) RDA 計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)雷達(dá)中的RDASOT 軟件自行計(jì)算出任意時(shí)刻太陽(yáng)中心位置的高度角和方位角，控制天線在俯仰和方位兩個(gè)方向經(jīng)太陽(yáng)中心位置各掃描一次，通過(guò)雷達(dá) RDA 計(jì)算機(jī)獲得太陽(yáng)射電功率，由RDASOT 軟件自動(dòng)畫(huà)出太陽(yáng)射電功率曲線圖。

3.2.2 計(jì)算天線波束寬度

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

計(jì)算方法 ：在太陽(yáng)射電功率曲線圖（圖 3 為方位圖，圖 4為俯仰圖）上找出太陽(yáng)最大射電功率，在左、右兩側(cè)各找出一個(gè)比太陽(yáng)最大射電功率小 3 dB 的點(diǎn)，并找出兩個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方位角（圖 3 中的 A1 和 A2 點(diǎn)）和俯仰角（圖 4 中的A3 和 A4 點(diǎn)），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(yàn)雷達(dá)天線波束寬度

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

4 結(jié) 語(yǔ)

目前 CINRAD/SA 雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法測(cè)試發(fā)射和接收支路的損耗，且不少雷達(dá)已更換過(guò)接收機(jī)保護(hù)器、無(wú)源限幅器、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)等饋線微波器件，甚至部分雷達(dá)還進(jìn)行了大修。由此可見(jiàn)，沿用之前雷達(dá)出廠時(shí)的收發(fā)支路損耗值對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定是不準(zhǔn)確的，必然會(huì)引入較大的系統(tǒng)定標(biāo)誤差，導(dǎo)致雷達(dá)回波強(qiáng)度出現(xiàn)偏差。因此，開(kāi)展對(duì)雷達(dá)天饋系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量方法的研究十分必要。