2010, 21 (6): 739-746
2. 中国气象局气象探测中心, 北京 100081;
3. 河南省郑州市气象局, 郑州 450005;
4. 河南省气象局, 郑州 450003
2. Meteorological Observation Center of China Meteorological Administration, Beijing 100081;
3. Zhengzhuu Meteorological Office of Henan Province, Zhengzhou 450005;
4. Henan Provincial Meteorological Bureau, Zhengzhou 450003
天气雷达回波强度的测量误差会极大地影响短时灾害性天气监测和预报水平，尤其是对降水定量估测和降水性质判断｡目前一些雷达回波强度定标需要采用人工定期标校，无法对雷达运行中出现的由于雷达参数变化引起的回波强度测量误差进行实时校正；另一种是由于雷达技术保障人员对雷达参数调校不当或回波强度定标方法不当导致回波强度测量误差｡有关研究对天气雷达原理及定标原理和方法从不同方面进行了论述[1-7]，并对偏振天气雷达资料处理进行论述[8-9]，还对天气雷达资料处理进行了研究[10-15]｡本文根据CINRAD/SB雷达测试信号流程和回波强度定标原理[16]，根据作者多年天气雷达回波强度定标调校经验，给出了解决此问题的回波强度定标工作流程｡依据定标工作流程，从接收机动态范围、雷达参数、线性通道增益定标目标常数、测试通道参数方面详细介绍了相关参数测量、标校和调整方法；并总结出以线性通道增益定标目标常数标校为基准的参数测量调整法和基准调整法，保证了由于发射功率和接收主通道参数变化导致的回波强度测量误差得到实时在线校正，满足了回波强度测量误差范围在±1dBZ内的技术要求｡通过对测试通道参数变化、发射功率测量误差导致回波强度测量误差的原因进行详细分析，依据相关回波强度定标报警和回波显示信息，从接收机测试通道、主通道及天馈系统、发射功率4个方面总结出了CINRAD/SB雷达回波强度定标问题分析、诊断流程｡为提高CINRAD/SB回波强度探测资料的精度，在CINRAD/SB雷达强度定标技术设计上提出需要进一步完善的方面｡
1 CINRAD/SB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[1，16]为
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(1) |
其中，
实际应用中，人们常用dBZ来说明回波强度的大小，CINRAD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，还要考虑发射支路损耗值Lt、接收支路损耗值Lr、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+Lr+L0+Lp)，以及大气双程衰减Lat, 用dBPr表示10lgPr, 所有损耗采用正值，则式 (1) 化为
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(2) |
从式 (2) 可以看出，回波强度的测量取决于回波接收功率、系统损耗和雷达常数｡一般雷达的系统损耗相对比较稳定，雷达常数最易受雷达参数变化影响，而回波接收功率测量的准确主要取决于接收机动态范围和测试信号的定标｡雷达在长时间工作中，接收机动态范围会随接收机噪声系数、通道增益等参数的变化而变化，这些变化都会导致回波强度的测量误差，应在线实时测量和定标校准｡CIN-RAD/SB雷达的回波强度自动定标校正，实际上就是建立在对发射功率和接收系统动态范围的自动监测｡
2 CINRAD/SB雷达回波强度定标流程影响雷达回波强度测量误差的主要因素有两个，即雷达参数测量误差和回波接收功率测量误差｡雷达参数测量误差主要由发射功率的变化引起，而回波接收功率测量误差主要是由于接收机主通道动态范围和测试通道的参数变化引起｡只要实时准确地监测发射功率和接收机动态范围，回波强度的测量精度就有保障｡应注意的是，发射功率和接收机主通道参数变化可以通过在线实时监测达到回波强度测量误差实时校正，但接收机测试通道参数由于没有实时在线监测，其参数变化可直接导致回波接收功率误差，是回波强度测量误差的主要来源，且无法在线实时得到正确校正，因此在回波强度标定调校中要经常准确测量、调整，并正确调整相关适配参数，以确保回波强度测量精度｡回波强度定标工作流程见图 1｡
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| 图 1. 回波强度定标工作流程图 Fig 1. Echo intensity calibration workflow diagram | |
在工作流程中，雷达参数测量、调整可以保证测试信号目标值的准确；接收机测试通道参数测量和对应适配参数调整，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｡这样在雷达运行中通过准确监测线性通道增益定标目标常数变化，才能实现在线实时自动校正回波强度测量误差，同时对出现回波强度测量误差超限及测试通道出现问题进行实时报警，确保雷达观测资料可靠性｡
2.1 接收机动态范围调整一般雷达回波接收功率无法直接测量，可以利用高精度连续波测试信号 (CW) 模拟回波信号，从接收机前端注入，并控制CW信号功率在全动态范围内变化，该信号经接收和信号处理系统处理后，通过在终端实时采集对应距离库信号强度dB值，就可将回波接收功率和信号强度的对应特性曲线测量出来 (动态范围测试)｡因此只要知道信号处理器输出的信号强度即可推算出回波接收功率，并根据该回波所对应目标距离R和相关雷达参数，利用式 (2) 得到回波强度dBZ值｡
接收系统动态曲线低端拐点与高端拐点所对应的输入测试信号功率值的差值定为系统动态范围｡动态范围要求大于85dB；低端拐点及高端拐点与拟合直线的差值均应不大于1dB；采用最小二乘法拟合直线的斜率为1±0.015；线性拟合均方根误差≤0.5dB｡如果不符合技术要求，则通过调整接收机前、后级增益，对于模拟中频则调整高、低端1dB压缩点 (中频衰减控制器起控电平) 来保证，必要时应调整测试通道有关参数｡
2.2 雷达参数测量、调整和检查方法由式 (2) 可知，回波强度测量误差来源之一为雷达参数测量误差｡雷达参数中天线增益、波束宽度，只要没有外力导致变形，一般变化很小，加上现场不具备测量条件，雷达安装后不再进行测量；脉冲宽度变化较小，只要定期测量、调整 (调整发射机脉冲形成器的宽/窄调整电位器、前后沿延迟电位器、速调管谐振腔体)，可满足回波强度测量误差要求；对于全相干雷达，雷达波长基本不变，不需要测量；发射功率则变化比较大，是回波强度测量误差的主要来源，需要实时机内测量来订正回波强度测量误差，要定期进行机外仪表对机内测试值校准｡雷达参数测量应精确到百分位 (小数点后两位)，并和对应适配数据一致，这样可以保证计算的测试信号目标值准确，确保回波强度测量误差的精度在±1dBZ范围内｡
2.3 线性通道增益定标目标常数标校方法一般来讲，如果接收通道增益高，意味着同样功率回波信号的回波强度测量值增大，这样必然导致回波强度的测量值和目标值差值增大，通过标校线性通道增益定标目标常数 (Sr目标) 可使回波强度测量值和目标值的差值减小，以保证不同雷达的回波强度测量的一致性｡
线性通道增益定标目标常数一般与接收机主通道增益、雷达相关参数 (主要是发射功率)、收发系统路径损耗 (损耗主要决定于天线和波导的物理参数，变化很小，分析中可不予考虑) 有关｡通过对接收机动态范围、发射功率变化订正，使回波强度测量误差达到最小｡
线性通道增益定标目标常数的标校方法如下:
根据接收机前端注入的CW信号功率、雷达参数 (发射功率用默认值)，通过式 (2) 计算得到所要求测量距离上理论值，与对应的测量值比较计算出Sr目标｡
对于单一测量点，假定线性通道增益定标目标常数标校后值为Sr, 未标校Sr目标前的回波强度测量值和标校后测量值以及理论值分别为dBZ校前，dBZ校后和dBZ理论，则
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(3) |
线性通道增益定标目标常数标校后CW信号测量值与理论值差值为
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(4) |
通过计算dBZ校后-dBZ理论，并令其为零，可以得出此点Sr, 即
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(5) |
一般测量点涵盖整个动态范围 (接收机前端注入CW信号功率在-90~-40dBm范围，间隔为10dB) 和5~200km距离范围的5，50，100，150，200km距离点，用其中最大和最小两个Sr值的平均值Sk作为标校后的Sr目标，以保证回波强度测量误差值在±1dBZ范围内｡如果测量误差值超限，应重新进行动态范围调整｡从中可以看出，如果标校前的测量值普遍偏大，则Sk为负值，假若Sr目标标校前值为K(CINRAD/SB为适配参数/R234值)，则标校后的Sr目标应为K减去Sk, 反之亦然｡标校后的Sr目标作为雷达回波强度测量误差校正的基准值 (即CINRAD/SB运行RDASC后首个体扫的Sr目标)｡
以上方法也可以用外接信号源方法标校｡如果机内信号误差大，应检查场放前端的CW信号功率测量是否准确、测试通道衰减器是否误差大等｡
2.4 机内测试信号测量误差调整方法 2.4.1 测试通道参数测量调整法一般线性通道增益定标目标常数调整后，如果通过测试通道相关参数 (信号功率、路径损耗) 计算出的接收机前端注入CW信号功率 (测试通道射频衰减器置0dB) 和Sr目标标校时测量的对应值一致，则机内测试信号测量误差值也应在±1dB范围内｡否则应进行测试通道参数测量、调整，使其一致，以保证回波强度测量误差技术要求｡
测试通道一般指测试信号到接收机保护器测试信号注入端的测试信号通道，包括射频测试信号选择开关 (四位)、射频衰减器、射频测试信号输出选择开关 (两位) 及到接收机前端连接电缆等｡测试信号主要包括连续波 (CW)、射频激励测试信号 (RFD)、速调管输出回波强度定标检查测试信号 (KD)，在测试通道测量、调整时，先进行CW信号支路和公共测试通道 (射频测试信号选择开关到保护器测试信号注入端之间测试信号传输通道) 相关参数测量、调整，然后进行RFD，KD支路信号相关参数测量、调整，这些步骤主要确保回波接收功率测量精度，通过调整相关参数可以改变对应测试信号测量值，使各信号的测量误差在±1dB范围内｡
2.4.1.1 CW信号测试通道参数测量、调整方法在测试平台CW信号状态，且射频衰减器衰减量为零，通过测量下式中相关参数使接收机前端 (2A3/J2) CW信号功率P2和Sr目标调整时的值一致｡
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(6) |
式 (6) 中，P1为CW信号源输出功率，RΣCW为CW信号测试通道损耗总和｡对于CINRAD/SB雷达，RΣCW包括适配参数R59，R63，R66，R69，R72项，分别为CW信号测试通道的射频信号选择开关的CW信号插损、射频衰减器4A23(衰减量为0dB) 插损、射频信号输出选择开关插损、接收机到天线座测试电缆、接收机保护器的定向耦合器的损耗；P1为射频信号选择开关 (4A22J3) 的CW信号输入功率值｡
一般CINRAD/SB雷达的最小可测功率为-110dBm左右，接收机的动态范围一般在85~95dB，则接收机前端 (2A3/J2) 注入的CW信号最大值应在-15dBm左右，如果小于-25dBm则无法保障动态最低范围的测试需求，如果大于-10dBm则无法满足小信号动态范围测试要求，这种情况下，就需要检查以上的测试通道路径损耗、频综输出CW信号功率，找出问题器件进行调整或更换｡
2.4.1.2 RFD测试通道参数测量、调整方法在CW信号测试通道参数测量、调整完后，在测试平台在RFD信号状态 (衰减量置零) 测量接收机前端RFD信号功率P4和发射机RFD信号输出峰值功率P3，使下式成立:
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(7) |
式 (7) 中，RΣRF为RFD测试通道损耗总和｡对于CINRAD/SB，包括公共测试通道路径损耗 (适配参数R63，R66，R69，R72) 以及R58(射频信号选择开关的RFD信号路径插入损耗)、R56(发射机输出的RFD测试信号到射频信号选择开关路径损耗)，只需测量、调整后两项参数使式 (7) 成立即可｡
2.4.2 基准调试法也可以采用另一种基准调试法，即以Sr目标标校后测量误差为基准，不再进行上述2.4.1节步骤，直接调整适配数据中各测试信号对应测试通道道参数值 (路径损耗、测试信号功率等) 以改变测试信号测量值；或者调整各对应测试信号的额外定标损耗，以改变测试信号目标值｡通过基准调试法使回波强度测量误差和Sr目标标校后保持一致｡调整测试信号测量值基本方法:先调整CW信号功率和公共测试通道道参数值，使CW信号的测量误差值在±1dB范围内，然后在分别调整RFD信号功率和除公共测试通道外RFD通道参数值，使3种RFD信号的测量误差值均在±1dB范围内｡机内测试信号目标值计算方法如下:
一般地，在适配参数中分别设有专用于计算机内测试信号目标值的额外定标损耗L额外(单位采用负dB值)，机内测试信号目标值计算时在路径损耗中加上这个值｡此时式 (2) 可化为
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(8) |
注意式 (8) 为测试信号目标值的计算方法，只起到基准调校作用，理论值计算应在目标值基础上减去L额外｡通过调整L额外值以改变对应测试信号目标值，同样可达到测量误差值在±1dB范围内的目的｡
对于CINRAD/SB雷达，机内测试信号测量误差调整时，必须保证目标值计算时的发射功率和Sr目标标校时的理论值计算时一致 (用默认值)，以保证调整时发射功率不变，消除发射功率变化在测试通道参数调整时对测试信号测量误差的影响｡
3 回波强度在线实时定标校正方法回波强度在线实时定标校正一般通过两种方法实现:①如果通道参数发生变化 (主通道增益等)，必然引起测量值变化，通过计算测量误差值后，调整下次体扫的测量值从而达到在线定标校正作用；②如果雷达参数 (发射功率) 发生变化，必然引起目标值发生变化，通过计算测量误差值后，调整下次体扫的测量值从而达到在线定标校正作用｡
对于CINRAD/SB雷达，每个体扫的开始前用44km处的小、中、大功率的RFD信号和5km到139km距离范围CW信号 (固定功率) 从接收机前端注入，通过计算4种测试信号测量误差，来校正线性通道增益定标目标常数Sr目标，从而达到校正回波强度测量值目的，以保证回波强度测量误差在±1dBZ范围内｡
3.1 CW信号在线定标校正方法CW信号测量值采集距离范围在5~139km内随距离循环步进 (步进量为1km)，每次体扫前从接收机前端注入-62dBm的CW信号｡定义CW信号的测量误差ΔdBZCW为CW信号的测量值和目标值的差值｡在每次体扫开始时，根据式 (8) 计算出每个距离点目标值 (由-62dBm的CW信号功率、实测发射功率、适配数据中相关雷达参数计算出)，并和终端采集的同样距离的对应测量值比较，计算出ΔdBZCW来定标校正回波强度测量误差｡这样随着体扫次数增加，目标值随距离步进变化，可以达到5km到139km范围内定标校正回波强度测量误差目的｡
3.2 RFD信号在线定标校正方法RFD信号测量值采集距离固定为44km, 每次体扫前从接收机前端分别注入-70，-57，-34dBm3种功率RFD信号，定义RFDi(i=1，2，3) 测试信号的ΔdBZRFDi为测量值和目标值的差值，目标值由接收机前端注入RFD信号功率、实测发射功率、适配数据中相关雷达参数，通过式 (8) 计算出｡在每次体扫开始时，分别计算出3种RFD信号的ΔdBZRFDi来定标校正回波强度测量误差｡这样可以保证雷达定量观测范围内高、中、低回波强度天气测量精度｡
3.3 回波强度在线定标校正方法根据每次体扫开始前4种测试信号的在线定标情况，计算出Sr目标变化量ΔSr, 并在下一个体扫开始校正回波强度测量值｡线性通道增益定标目标常数变化量ΔSr计算方法为
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(9) |
则用于下一个体扫校正回波强度测量值的线性通道增益定标目标常数 (更新的Sr目标) 为
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(10) |
从式 (9) 和 (10) 中可以看出:如果线性通道增益增大，则测试信号测量值增大，ΔdBZRFDi和ΔdBZCW出现正误差，从而导致ΔSr正误差增大，使Sr测量减少 (在适配参数/R234值基础上减少)，通过在线实时定标调整使下一个体扫回波强度测量值减少，从而校正了回波强度测量误差，反之亦然｡同理，雷达发射功率增大，则测试信号目标值减少，ΔdBZRFDi和ΔdBZCW出现正误差，同样导致Sr测量减少，通过在线定标调整使得下一个体扫回波强度测量值减小，反之亦然｡这样保证了回波强度测量值不因雷达参数 (发射功率、动态范围) 变化而变化｡由此可看出RDASC启动后所有体扫标校的Sr测量 (更新的Sr目标) 都是在在适配参数/R234值基础上变化，与R234之间会产生一个差值 (CINRAD/SB雷达在RDASC或UCP程序界面窗口中CAL#参数查得)，该值的大小反映回波强度测量值校正量｡
3.4 回波强度定标问题相关报警算法为了在线对回波强度定标出现问题便于及时解决，CINRAD/SB雷达设置了一些报警信息，一旦有关回波强度定标参数超限就在线实时自动报警，以防止出现测试通道参数变化导致回波强度测量误差增大，以确保回波强度测量精度，相关参数算法如下[4]:
报警号527(线性通道测试信号变坏)，门限设置为适配数据/R237(默认值2dB)｡算法为
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报警号523(线性通道射频驱动测试信号超限)，门限设置为适配数据/R237(默认值为2dB)｡算法为
报警号481(线性通道增益定标目标常数超限)，门限设置为适配数据/R238(默认值为3dB)｡计算方法为Sr测量与R234差值绝对值大于3dB会产生报警481｡
4 回波强度的定标检查方法CINRAD/SB雷达回波强度机内信号自动在线定标检查只起到超限报警作用，不进行回波强度测量误差校正｡定标检查一般分为3种方法:机内信号自动在线检查和人工检查法、机外信号检查法 (参照线性通道增益定标目标常数标校法)｡机内信号自动在线定标检查并不能自动校正回波强度测量误差，还需要人工查找原因，如果是主通道原因，就需要更换故障器件或调整相关主通道参数使回波强度测量误差在±1dBZ范围内；如果是测试通道问题，就需要更换问题器件或调整相关测试通道参数，校正测量值使KD信号的测量误差在±1dB范围内｡接收机前端注入3种速调管输出KDi(i=1，2，3) 信号，功率大小由软件控制测试通道射频衰减器实现，信号测量值采集距离由测试通道延迟线 (10μs) 决定，发射功率在线实测，相关雷达参数由适配数据读出，软件根据式 (8) 可计算出3种KD信号的目标值｡并和终端采集的对应测量值比较，分别计算出3种KDi(i=1，2，3) 信号的测量值减去目标值的测量误差ΔdBZKDi｡KD信号定标检查调整方法和2.4节介绍方法相同｡回波强度定标检查也设置了出现问题的报警门限，报警参数算法如下:
报警号479(线性通道增益定标目标常数检查需要维护请求)，门限设置为适配数据/R241(默认值为2dB)；报警号480(线性通道增益定标目标常数检查超限)，门限设置为适配数据/R240(默认值为4dB)｡算法为
报警号533(线性通道速调管输出测试信号超限)，门限设置为适配数据/R239(默认值为2dB)｡计算方法为
一般回波异常包括强度和显示面积的不正常，回波出现异常一般都会伴随线性通道增益定标目标常数报警，表明回波强度测量误差校正量已超阈值，正确的在线校正 (主通道参数、发射功率变化) 可以保证回波强度精度，但错误的在线校正 (测试通道参数变化) 反而会加大回波强度测量误差；也会出现没有线性通道增益定标目标常数等相关回波强度定标报警，但回波强度偏弱，回波面积减少，有时会伴随发射机/天线功率比率报警｡回波异常分析和诊断一般应从接收机主通道、测试通道及天馈系统、发射功率4方面进行分析诊断，流程如图 2所示｡
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| 图 2. 回波异常分析和诊断流程图 Fig 2. Fault diagnosis flowchart of echo intensity calibration | |
6 小结
CINRAD/SB雷达回波强度定标工作流程和定标调校方法，有效保证了雷达回波强度资料的可靠性，对CINRAD雷达技术保障有一定借鉴意义｡针对CINRAD/SB雷达回波强度定标调校方面不足，希望雷达生产厂家在以下方面进行完善:
1) 由于接收机前端注入测试信号功率无法实时监测，一旦测试信号功率或测试通道参数 (路径损耗等) 发生变化，将使得回波强度测量值得到错误校正，直接导致回波强度测量误差｡希望增加测试信号在接收机前端注入点的功率监测功能，当监测到其功率有变化时，应相应修正其对应测量值，保证回波强度测量精度，如超出范围应自动报警｡
2) CINRAD/SB由于无法进行机外定标信号的回波强度定标检查，不利于对机内回波强度定标对比校准和接收机故障排除；建议在天线座内增加外接定标信号接口｡
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