CINRAD_SA雷达标定技术研究

１ 雷 达 回 波 强 度 定 标 原 理
天气雷达回波强度理论值计算是基于雷达气象
方 程 ，在 满 足 瑞 利 散 射 条 件 下 ，不 考 虑 大 气 对 电 磁 波
的衰减和充塞系数影响的 情 况 下，雷 达 气 象 方 程［１５］
如下：
Ｚ ＝ ＣＲ２ Ｐｒ
（１）
其中，Ｚ 为反射率因子，Ｐｒ 为 回 波 接 收 功 率 （天 线 喇
ＩｄＢｚ ＝１０ｌｇＣ＋２０ｌｇＲ ＋１０ｌｇＰｒ －ＬΣ －ＲＬａｔ（２） 从上 式 可 以 看 出，回 波 强 度 的 测 量 取 决 于 雷 达
常数、系统损耗 和 回 波 接 收 功 率。 雷 达 常 数 最 易 受
雷 达 参 数 变 化 影 响 。 系 统 损 耗 中 ，雷 达 收 、发 支 路 损
耗最易变化，目前 ＳＡ 雷达无法现场直接测量，只能
根据厂家出厂提供 的 适 配 数 据 计 算，而 且 最 易 受 到
无源限幅器、接收 机 保 护 器、方 位、俯 仰 旋 转 关 节 等
微 波 器 件 的 更 换 ，方 位 旋 转 关 节 等 的 机 械 磨 损 ，以 及
波导连接密封性等因素影响。回波接收功率主要受
到接收机动态等影响。
２ 规 范 雷 达 定 标 流 程 及 方 法
缺乏 统 一、标 准 的 ＣＩＮＲＡＤ／ＳＡ 雷 达 定 标 方 法、流程、标定操作 步 骤 及 调 整 方 法，往 往 在 台 站 雷 达定标过程中，由 于 操 作 不 当，或 人 为 因 素，产 生 相 当 可 观 的 系 统 定 标 误 差 ，造 成 雷 达 回 波 强 度 偏 差 ，严 重影响了雷达组 网 拼 图 等 业 务 使 用。 因 此，在 总 结 ＳＡ 雷达定标工作现 状 基 础 上，从 雷 达 天 伺 系 统、发 射 系 统 、接 收 系 统 、以 及 系 统 太 阳 法 标 定 检 验 这 几 个 重要方面，详细制定 了 雷 达 回 波 强 度 定 标 测 试 内 容
第１ 步：对 天 线 水 平、波 束 指 向、方 位 角 及 俯 仰 角控制精度进行检测或检查。
第２ 步：测 量 发 射 机 脉 冲 宽 度 及 发 射 机 峰 值 功 率 ，修 改 发 射 机 相 关 适 配 数 据 。 在 发 射 机 测 试 前 ，必 须准确测量雷达测 试 电 缆 和 衰 减 器 的 损 耗，确 保 在 发射机定向耦合器 １ＤＣ１ 的 耦 合 输 出 端 接 有 ３０ｄＢ 固定衰减器。
第 ３ 步 ：对 接 收 机 机 内 动 态 和 强 度 定 标 检 验 ，接 收机测试通道参数测量和对应适配参数调整。对接 收机测试通道参数测量和对应适配参数调整可参考 相关文献［３－４］，保证了接收机前端回波接收功 率 测 量 准确；线性通道增益 定 标 目 标 常 数 标 校 可 以 保 证 回 波 强 度 测 量 误 差 在 ±１ｄＢｚ范 围 内 。 其 中 ：
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ 气 象 科 技
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气 象 科 技 第 ４４ 卷
本文 针 对 目 前 ＣＩＮＲＡＤ／ＳＡ 标 定 中 存 在 的 问 题 进 行 了 研 究 ，其 成 果 应 用 于 本 省 ２０１４ 年 青 年 奥 运 会雷达特 别 巡 检 及 汛 期 前 的 雷 达 巡 检 等 业 务 工 作 中 ，提 高 了 天 气 雷 达 回 波 强 度 的 客 观 性 和 一 致 性 ，改 进了天气雷达的基数据质量。
等距离线垂直剖面 内 的 网 格 数 据，进 行 三 维 混 合 插 值，然后对比分析，及 时 发 现 雷 达 网 故 障、为 雷 达 定 标提供参考；史 锐 利 ［１４］ 用 ２００２ 年 夏 季 长 江 中 下 游 外场试验中几对双 多 普 勒 天 气 雷 达 资 料，对 比 分 析 了同 一 时 间、同 一 位 置 的 Ｓ 波 段 与 Ｃ 波 段 雷 达 的 ＣＡＰＰＩ和部分 ＰＰＩ回波强度资料等开展研究。
中 国 气 象 局 行 业 专 项 （ＧＹＨＹ２０１２０６０３４）和 江 苏 省 气 象 局 北 极 阁 基 金 项 目 （ＢＪＧ２０１２０６）共 同 资 助 作 者 简 介 ：周 红 根 ，男 ，１９６６ 年 生 ，研 究 方 向 新 一 代 天 气 雷 达 技 术 保 障 ，Ｅｍａｉｌ：ｄｐｌｌｙｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ 收 稿 日 期 ：２０１５ 年 ３ 月 ２４ 日 ；定 稿 日 期 ：２０１５ 年 ７ 月 ６ 日
和 方 法 、操 作 步 骤 的 技 术 要 求 ，实 现 了 雷 达 回 波 强 度 定 标 流 程 的 规 范 化 、标 准 化 （图 １）。 ２．１ 测 试 前 的 准 备 工 作
（１）测试仪 表 等 方 面。 雷 达 使 用 的 机 外 仪 表 应 经过严格的标校，并 且 在 有 效 使 用 期 内。 进 行 测 试 或定标时，必须先 将 仪 表 预 热 ３０ ｍｉｎ 以 上，小 功 率 计校零，相关测试电 缆 线 等 必 须 用 信 号 源 来 标 定 测 量。用小功率计测 量 信 号 源 的 实 际 输 出 功 率 值，信 号源最好安放在俯 仰 箱 上 面，离 信 号 注 入 口 越 近 越 好，以减小引入 系 统 误 差。 时 时 注 意 测 试 电 缆 接 触 良好，测量 ＲＦ 功率和波形时，强调功率头与检波器 将要承受的 功 率 容 量 必 须 小 于 其 额 定 值 （一 般 １００ ｍＷ），否 则 会 造 成 物 理 损 坏 。
（１ 南京雷达气象与强天气开放实验室，南京 ２１０００８；２ 江苏省气象探测中心，南京 ２１０００８； ３ 江苏省常州市气象局，常州 ２１３０２２；４ 江苏省徐州市气象局，徐州 ２２１４９９；５ 江苏省泰州市气象局，泰州 ２２５３００）
摘要 从雷达数据质量需求出发，在４个方面对 ＣＩＮＲＡＤ／ＳＡ 标定技术进行了研究。①结合雷 达 回 波 强 度 定 标 原 理，分析了目前回波强度定标过程中存在的问题，在此基础上详细制定了回波强 度 定 标 测 试 方 法 、操 作 步 骤 和 技 术 要求，实现了 ＳＡ 雷达回波强度定标方法和操作流程的规 范 化、标 准 化，从 而 消 除 将 人 为 因 素 或 测 试 原 因 引 入 雷 达 系统造成定标误差。②对全省雷达波导长度进行实 际 测 量，并 修 正 了 各 雷 达 发 射 支 路 馈 线 损 耗 出 厂 测 试 数 据 ；研 制了能注入微波信号的专用测试波导，实现台站准确测 量 出 ＳＡ 雷 达 收、发 支 路 馈 线 的 实 际 损 耗 数 值 ，应 用 于 雷 达 回波强度定标中。③将太阳作为微波信号源，根据发 布 的 太 阳 能 流 密 度 等 数 据，结 合 实 际 测 量 接 收 到 的 太 阳 射 电 功率，来检验全链路雷达接收系统回波强度。④取相邻 雷 达 等 距 离 线 （中 点）的 低 仰 角 同 步 观 测 反 射 率 因 子 数 据 ， 开展两部雷达、多部雷达对比观测检验等。从而提高 了 回 波 强 度 定 标 的 客 观 性 和 一 致 性 ，更 好 地 为 组 网 雷 达 提 供 一致性的雷达数据。 关 键 词 标 定 ；收 发 支 路 ；测 试 波 导 ；馈 线 损 耗
目前国内新一代天气雷达定标方面存在以下几 个主要 问 题。 ① 没 有 统 一、标 准 的 ＳＡ 雷 达 定 标 方 法 和 流 程 ，没 有 明 确 的 标 定 步 骤 及 调 整 方 法 ，造 成 台 站实际的业务定标操作过程中产生相当可观的系统 定标误差；② 台站无法测量 ＳＡ 雷达收、发支路馈线 的实际损耗数值；③ 早 期 出 厂 雷 达 的 发 射 支 路 馈 线 损耗数据中，波导长度以 １０ ｍ 为 标准计算，而 不 是 计 算 实 际 波 导 长 度 ；④ 没 有 利 用 同 一 信 号 源 ，对 组 网 雷达进行定标检 验。 在 实 际 定 标 过 程 中，容 易 产 生 相当数量的系统定 标 误 差，造 成 雷 达 回 波 强 度 偏 高 或偏低，严重影 响 了 雷 达 组 网 拼 图 源自文库 业 务 使 用。 如 在强降水反射率 因 子 大 于 ４０ｄＢｚ时，如 果 有 ２ｄＢｚ 的 误 差 ，将 导 致 降 水 量 ２ 倍 的 误 差 。
（２）检 查 雷 达 收 发 支 路 损 耗 、天 线 参 数 等 适 配 数 据及修改。首先应该用雷达出厂测试数据对照检查 雷 达 适 配 数 据 中 ，收 发 支 路 损 耗 、天 线 增 益 等 数 据 是 否一致 。 ［１６］ 否则，用 出 厂 测 试 数 据 修 改，除 非 用 的 是准确 测 量 过 的 雷 达 收 发 支 路 损 耗、波 束 宽 度 等 数据。 ２．２ 雷 达 回 波 强 度 定 标 流 程 和 方 法
（１）在 ＣＷ 测 试 信 号 参 数 测 量 及 调 整 中，要 测 准无源限幅器损耗，一 定 要 选 准 ＣＷ 注 入 信 号 测 量 点位置并测准数据。
（２）在 ＲＦＤ 测 试 通 道 参 数 测 量 与 调 整 中，仅 需 测量、调整 Ｒ５８和 Ｒ５６参数。
（３）接 收 机 系 统 机 内 反 射 率 标 定 ，在 调 整 完 测 试 通道后，通过 修 改 Ｒ２３４ 项，做 机 内 反 射 率 标 定，使 得强度误差控制在０．２０ｄＢ 内（图１）。
第 ４４ 卷 第 １ 期 ２０１６ 年 ２ 月
气 象 科 技 ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１６
ＣＩＮＲＡＤ／ＳＡ 雷达标定技术研究
周 红 根１，２ 高 飞３ 蔡 勤４ 朱 毅２ 刘 俊５ 张 玲５ 赵 泉 钦２
引言
我 国 即 将 建 成 由 ２１６ 部 多 普 勒 天 气 雷 达 组 成 的 观 测 网 ，对 天 气 雷 达 定 标 工 作 ，中 国 气 象 局 制 定 了 新 一代天气雷达出 厂 （现 场 ）验 收 测 试 大 纲 （２０１０ 版） 及新一代天气 雷 达 系 统 巡 检 规 定 （试 行）（２００９ 版） 等一系列的业 务 文 件，规 定 了 不 少 ＳＡ 雷 达 测 试 项 目。国内一些专家 学 者 也 开 展 了 一 定 研 究，并 取 得 了一 定 进 展，王 立 轩 介 ［１］ 绍 新 一 代 天 气 雷 达 参 数 测 试 ，用 机 外 仪 表 对 机 内 自 动 标 校 结 果 进 行 检 验 ；柴 秀 梅 分 ［２］ 析 ＣＩＮＲＡＤ／ＣＣ 自动 标 校 的 技 术 原 理，对 其 存在的问题提出解决方案；潘新民 论 ［３－４］ 述了 回 波 强 度定标与 故 障 的 诊 断 分 析 方 法 及 定 标 故 障 诊 断 流 程；王志武、蔡宏 分 ［５－７］ 析 了 雷 达 定 标 相 关 的 适 配 参 数 ，对 定 标 和 检 查 中 可 能 出 现 的 各 种 报 警 给 出 对 策 ； 赵瑞金等 对 ［８－１１］ 雷达故障等 导 致 的 异 常 回 波 进 行 分 析研究；张文言 利 ［１２］ 用 ＣＩＮＲＡＤ／ＳＡ 雷达回波强度 资料对 ＮｕｉｓｔＲＤ－Ｘ 雷达进行强度标 定，然 后 对 两 者 的雷达回 波 作 对 比 分 析。 周 海 光 利 ［１３］ 用 相 邻 雷 达
叭口），Ｒ 为回波的距离，Ｃ 为雷达常数。
为方便起见，常用ＩｄＢｚ来 说 明 回 波 强 度 的 大 小，
新一代天 气 雷 达 发 射 功 率 值 是 速 调 管 输 出 的 测 量
值，测试信号（模 拟 回 波 信 号 ）从 接 收 机 前 端 （保 护
器天线端）输入，还要考虑接收支路损耗值 Ｌｒ、发 射 支路损耗值 Ｌｔ、天线 罩 的 双 程 损 耗 Ｌｐ、匹 配 带 通 滤 波器额外损耗Ｌ０，并统称系统总损耗ＬΣ（ＬΣ ＝Ｌｔ＋ Ｌｐ ＋Ｌ０ ＋Ｌｒ），以 及 大 气 双 程 衰 减 Ｌａｔ，所 有 损 耗 采 用 正 值 ，则 （１）式 变 为 ：