李斐斐， 邵 楠， 虞海锋， 步志超， 郭泽勇

(1.中国气象局气象探测中心，北京 100081；2.北京敏视达雷达有限公司，北京 100094；3.阳江市气象局，阳江 529500)

双偏振天气雷达，相比单偏振天气雷达，通过对两个偏振方向的回波处理，得到差分反射率(ZDR)、差分相位(ΦDP)等多个偏振参量，能够获取降水粒子的形状、尺寸大小、相态分布、空间取向及降水类型等信息，有助于提高预报的准确性、定量估测降水的精度和雷达探测数据的质控能力[1-4]。在实际探测过程中，雷达系统双通道一致性对探测结果有很大影响[5-6]。双偏振天气雷达通过同时发射水平和垂直的偏振波，同时获得水平方向反射率因子(ZH)和垂直方向反射率因子(ZV)。ZDR定义为两通道反射率的比值，ΦDP定义为两通道相位差值，其数据精度与双偏振天气雷达双通道一致性密切相关。通过对ZDR和ΦDP标定，能够对双偏振天气雷达双通道一致性进行分析与校准。

Gorgucci等[7]采用小雨法对包括发射机、天线和接收机在内的整个收发通道产生的对ZDR与ΦDP系统误差进行订正，但该方法必须在雨强很小的层状云降水条件下才可使用，受测试条件影响较大；Hubbert等[8]提出了一种利用太阳辐射所产生的回波数据对偏振雷达接收通道幅度一致性进行订正的方法，同时，也可利用交叉接收参量对发射通道进行订正。但是，太阳作为信号源，信噪比较低，对ZDR的标定结果并不理想，且只能在每天有限的时段内使用，只能测接收通道的偏差[9]。邵楠等[10]利用机内信号源对S波段双偏振雷达连续4个月的标定结果进行分析，结果表明机内静态、长期运行标定结果与美国、德国基本相当。但是该方法未对旋转关节以上的天馈系统测试，而旋转关节受加工工艺的影响，在不同方位角和俯仰角都会影响双偏振天气雷达双通道信号的幅度和相位的一致性[11]。

现利用北京敏视达雷达有限公司生产的S波段双偏振多普勒天气雷达，首次对包括旋转关节在内的接收通道一致性、除天线反射体以外的收发全链路一致性进行了测试。测试结果表明：旋转关节对双通道信号的幅度和相位的影响不可忽略，通过逐径向校准的方法可以减小旋转关节带来的影响。

1 测试对象

以采用双发双收模式(simultaneously transmit and receive of horizontal and vertical polarization wave, SHV)的S波段双偏振多普勒天气雷达(北京敏视达雷达有限公司生产)为测试对象，即同时发射和接收水平、垂直偏振波，具有2路发射通道和2路接收通道，工作原理如图1所示。

图1 双发双收模式双偏振天气雷达原理

发射机速调管输出高能量射频脉冲，经定向耦合器，被高功率微波功分器分成两路，一路送到水平发射通道(horizontal transmit channel，TXH通道)，另一路送到垂直发射通道(vertical transmit channel，TXV通道)，两路高频信号分别经过环形器、方位旋转关节、俯仰旋转关节、定向耦合器，通过天线向空间辐射。被气象目标散射的回波信号被天线接收，其水平和垂直极化信号分量分别经过定向耦合器、俯仰旋转关节、方位旋转关节后，通过环形器被分别送到水平接收通道(horizontal receive channel，RXH通道)和垂直接收通道(vertical receive channel，RXV通道)，分别经接收机保护器、低噪声放大器后变成中频信号，送入数字中频信号处理器。该雷达双通道接收机位于机房内，稳定的运行环境，能够减少因环境温度变化带来的双通道幅度和相位一致性的变化。

2 测试方法

2.1 接收通道一致性测试

在天线罩内的俯仰关节之上安装一个可以受控的标定信号源，信号源的输出幅度≥0 dBm，工作频率为雷达站点的工作频率，信号注入位置如图2所示。测试信号经功分器后由定向耦合器(天线功率监测点)注入，经过俯仰旋转关节、方位旋转关节、环形器后，经接收支路返回数字中频信号处理。

图2 接收通道测试信号注入位置

利用雷达控制软件在体扫开始和各仰角扫描间隔向信号源发送控制命令，控制信号源通断。信号源接收到信号开命令后，在10 ms内达到稳定输出状态；收到信号关命令后，在10 ms内达到完全关断状态；关断状态下信号源输出不影响雷达系统的底部噪声。

在雷达运行控制平台分别运行体扫描VCP21D和距离高度扫描RHI(方位0°、俯仰0°～20°)两种扫描模式，利用VCP21D模式俯仰0.5°、方位0°～360°数据分析方位旋转关节的影响，利用RHI模式分析俯仰旋转关节的影响。

2.2 全链路一致性测试

采用机外信号源，从设备机房内的定向耦合器端注入10 dBm的连续波基准测试信号，注入位置如图3所示。测试信号通过高功率微波功分器、环形器、方位和俯仰旋转关节、定向耦合器，经馈源处的全反射罩反射后，经接收支路返回数字中频信号处理。全反射罩采用定制铝制工装，通过四周的调平螺钉，能够和馈源喇叭口紧密连接，减小其引入的测试误差。全反射罩外观及安装位置如图4所示。

图3 测试信号注入位置

图4 全反射罩外观及安装位置

雷达发射机不加高压，在雷达运行控制平台运行VCP21D和RHI(方位0°、俯仰0～20°)两种扫描模式。分别存储两种扫描模式下的雷达基数据，计算不同方位角(RHI模式下为仰角)ZDR和ΦDP的变化范围、标准差。利用VCP21D模式俯仰0.5°、方位0°～360°数据分析方位旋转关节的影响，利用RHI模式分析俯仰旋转关节的影响。

为了减小旋转关节的影响，连续运行VCP21D模式，获取较长时间段内ZDR和ΦDP的变化情况，并将这种变化修正，得到校准之后的基数据。

3 测试结果

3.1 接收通道一致性测试结果

对VCP21D模式下0.5°仰角，0～360°方位角的基数据分析，得到ZDR和ΦDP随方位角变化的曲线，如图5所示。ZDR最大变化范围为0.01 dB，标准差为0.000 5 dB，ΦDP最大变化范围为1.10°，标准差为0.385 7°。

图5 PPI模式下ZDR和ΦDP随方位角变化曲线

对RHI模式下0～20°仰角的基数据分析，得到ZDR和ΦDP随仰角变化的曲线，如图6所示。ZDR最大变化为0 dB，标准差为0 dB，ΦDP最大变化为0.10°，标准差为0.019 9°。

图6 RHI模式下ZDR和ΦDP随方位角变化曲线

3.2 全链路一致性测试结果

对VCP21D模式下0.5°仰角，0～360°方位角的基数据分析，得到ZDR和ΦDP随着方位角变化的曲线，如图7所示。ZDR最大变化范围为0.04 dB，标准差为0.012 0 dB，ΦDP最大变化范围为1.60°，标准差为0.385 7°。

图7 RHI模式下ZDR和ΦDP随方位角变化曲线

对RHI模式下0～20°仰角的基数据分析，得到ZDR和ΦDP随仰角变化的曲线，如图8所示。ZDR最大变化范围为0.02 dB，标准差为0.004 3 dB，ΦDP最大变化范围为0.10°，标准差为0.005 1°。

图8 RHI模式下ZDR和ΦDP随方位角变化曲线

3.3 ZDR和ΦDP校准

通过接收通道和全链路一致性测试表明，旋转关节对双通道一致性有影响。测试结果表明，实测旋转关节导致双偏振幅度和相位偏差具有可重复性和周期性的特点，可以采用逐根径向数据校正方法，大大减少关节带来的幅相偏差，对于短时因关节带来的幅相偏差可以进行较好的修正。

图9 校准后的ZDR和ΦDP随方位角变化曲线

采用全链路一致性测试方法，首先从基数据找到方位(或仰角)最接近的径向数据，以前一次获得的径向数据为基准，后续径向数据的偏振量减去基准。为检验修正结果，通过连续24 h运行拷机检验，存储基数据后分析ZDR和ΦDP的标准差的稳定性。校准之后ZDR和ΦDP随方位角变化曲线如图9所示。校准后ZDR最大变化为0.03 dB，标准差为0.005 1 dB，ΦDP最大变化为0.20°，标准差为0.033 6°，比校准前明显降低。

4 结论

对包括旋转关节的接收通道一致性、除天线反射体以外的收发全链路一致性进行测试分析，并采用逐径向校准的方法对双通道偏差进行了修正。得到以下结论。

(1)修正后的幅度和相位误差比修正前明显降低，ZDR标准差由0.012 dB减小为0.005 1 dB，ΦDP标准差由0.385 7°减小为0.033 6°。

(2)采用全链路法对双通道一致性测试校准，能够最大程度减少雷达系统硬件引入的偏差，提高双偏振数据质量，但是受测试条件限制，无法实时在线校准。建议该方法可以在雷达现场安装调试完成后进行，或者作为雷达年维护的一部分。

(3)采用信号源法对接收通道一致性测试校准，能够减少接收通道引入的偏差，而且该方法可以实时在线校准。建议该方法作为雷达在线标定的一部分，实时检查旋转关节的运行情况，避免因长期运行造成的关节磨损对双偏振数据产生影响。