2014, 25 (4): 406-414
2. 成都信息工程学院，成都 610225;
3. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044;
4. 安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088
2. Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225;
3. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;
4. Anhui Sun-create Electronic Co Ltd, Hefei 230088
目前，常规天气雷达受机械伺服系统、脉冲累积数目的限制[1-2]，其扫描时间和资料精细程度均难以显著提高。当相控阵体制运用于天气雷达后，可使用宽波束发射多波束同时接收的扫描方式提升观测效率，并通过“电扫描”的方式快速灵活地控制多波束的产生和移动，大大增强了气象信息的获取能力，因此相控阵体制是今后天气雷达发展的重要方向之一[3-4]。自2002年起，美国海洋大气局 (NOAA) 的强风暴实验室 (NSSL) 先后获得了一部S波段相控阵天气雷达 (NWRT-PAR) 和一部X波段车载相控阵天气雷达 (MWR-05XP)，并在大量的试验基础上讨论了相控阵技术在双极化方向的技术可行性及下一代天气雷达的性能方案[5-6]。其中，NWRT-PAR由一大型军用二维相控阵雷达改造而来，加装机械转动系统后构成固定的相控阵技术试验站[7-9]。而MWR-05XP则是NSSL针对强对流过程专门研发的车载雷达，不仅可完成常规雷达的体扫 (VPPI)，还可由不同方位角RHI组成VRHI形式的扫描数据，两种扫描模式下获取360°方位角的观测资料用时仅需40~62 s，75 m的距离分辨率覆盖1°~55°仰角 (31层)，该雷达已在VOTEX2试验中采集了大量资料[10-14]。我国也开展了相控阵技术在天气雷达领域的相关研究，在军用雷达的基础上分别改造出了一部S波段车载和一部X波段机载相控阵天气雷达，研制了拥有自主知识产权的相控阵天气雷达系统[15-17]。
虽然相控阵技术能够使天气雷达高效获取气象信息，但受阵列天线结构影响，雷达波束宽度、天线的发射增益 (简称发射增益)、天线的接收增益 (简称接收增益) 等系统参数均会随扫描角的波束指向 (简称波位) 远离阵面法向而恶化[18-19]，造成了其在标定过程中与常规体制天气雷达方法[20]的差异。相控阵天气雷达大多由军用警戒搜索雷达改造而来，其初始设计并未用于精细气象目标探测，较高的副瓣和较宽的波束均会影响资料质量。Zhang等[21]在分析观测资料NWRT-PAR时发现，天线副瓣将引入一定的地物杂波，需进行相应的质量控制。对于我国S波段一维相控阵天气雷达，张志强等[22]和吴翀等[23]发现该雷达的宽波束对回波结构产生了明显的平滑，与多普勒天气雷达相比回波结构存在一定差异。对于X波段机载二维相控阵天气雷达，该雷达同样存在因过宽波束导致的平滑效应，二维平面阵体制使不同方位的平滑作用也不同，在阵面边缘的平滑作用远高于法向，难以获取较常规天气雷达精细的观测资料①。
① Wu Chong, Liu Liping.Comparison of the observation capability of an X-band phased-array radar with and X-band Dopplar radar an S-band operational radar.Adv Atmos Sci, to be published.
2009年，中国气象科学研究院与安徽四创电子股份有限公司合作研发了车载X波段相控阵天气雷达。该雷达采用一维有源相控阵天线，扫描模式和用途与NSSL的MWR-05XP类似，均用于强对流天气过程的数据采集。与常规多普勒天气雷达相比，其观测资料的分辨率更高，并在使用4°展宽波束及赋形波束 (0°~20°) 的观测模式中实现了多个通道同时接收的技术，扫描效率得以成倍提升，能够大幅减少高分辨率观测资料的获取时间。2013年4—6月，X-PAR在完成装配后进行了首次测试观测，以检验并调试雷达系统。本文将X-PAR测试过程中不同模式的观测数据与相同位置的C-POL对比，结合雷达设计参数和定标方法分析了回波强度测量偏差的产生原因并进行初步订正，为雷达的进一步调试和改进提供依据。
1 X-PAR性能及工作参数中国气象科学研究院与安徽四创电子股份有限公司合作研发的X波段相控阵天气雷达是我国今后天气雷达体制研究及试验的验证系统，使用了由128根波导组成的裂缝平面阵列天线、全数字T/R组件、数字波束形成 (DBF)、直接数字合成 (DDS)、数字脉冲压缩等先进技术，性能较常规天气雷达有较大提升。该雷达发射功率为1 kW，使用33 μs脉冲压缩，探测范围为70 km，距离分辨率为37.5 m。在垂直方向，雷达阵面的预仰角固定为10°，通过DBF系统控制8个数字阵列模块 (DAM) 内的128个有源T/R组件产生不同宽度和指向的波束，在每个方位进行RHI方式的垂直扫描，并由水平方向上的机械伺服系统控制雷达的扫描周期，得到VRHI方式的扫描数据②。目前，X-PAR在系统验证和初步调试过程中使用了3种扫描模式，即精细测量 (fine mode，简称为FM)、警戒搜索 (guard mode, 简称为GM)、快速观测 (quick mode, 简称为QM)，3种模式下的基本工作参数见表 1。
② 刘绍平，吴翀，汪旭东，等.X波段相控阵天气雷达对流过程外场试验及初步结果分析.大气科学，待发表.
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表 1 X-PAR 3种模式工作参数及波束特性 Table 1 Parameters and beam patterns of X-PAR (FM/QM/GM) |
X-PAR工作时，首先由校正网络对各通道的幅相一致性进行订正，将幅度精度控制在0.3 dB、相位精度控制在0.5°以内。随后DBF系统控制DAM内的DDS参数，由其内部的FPGA产生高精度的中频信号。DDS输出的发射波形经一本振和二本振两次上变频和放大后送达天线的输入端，裂缝波导线阵将射频信号辐射到空间中形成雷达所需要的发射波束。在接收过程中，天线接收的信号经低噪声放大后由一本振、二本振下变频到中频信号，送至数字接收机进行AD采样和数字下变频处理，该过程均在阵面的DAM内完成。随后，高速光纤将处理得到的基带数据由阵面送至后端，由DBF完成128个阵元的波束加权合成后进行数字脉冲压缩处理。对于处理后的基带信号，信号处理系统将使用4 MHz对其采样，并由DVIP及FFT处理计算得到回波强度、径向速度、速度谱宽等基数据。
在X-PAR的测试过程中，雷达回波强度的标定与计算均使用式 (1) 的气象雷达方程[24]，其中增加了脉压得益Gp来衡量脉冲压缩体制对雷达性能改善
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(1) |
由于X-PAR 3种模式下的收发波束存在差异 (图 1)，发射增益Gtv、接收增益Grv、垂直波束宽度φv均与波束与阵面夹角相关。设法向处的发射波束和接收波束的宽度分别为φt0，φr0，其俯仰角分别为αt，αr，与阵面法向夹角分别为vt，vr，雷达法向处的收发增益分别为Gr0，Gt0。在雷达工作中，终端软件根据表 1给出的X-PAR参数值，将对应模式和波位下的参数Gr0，Gt0，φv分别代入式 (1)，再根据标准的收发功率及距离即可计算出X-PAR对当前气象目标的回波强度Z值。
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| 图 1. X-PAR波位分布图 (a) 精细测量, (b) 警戒搜索, (c) 快速观测 Fig 1. Beam distribution of X-PAR (a) FM, (b) GM, (c) QM | |
由3种模式的参数对比可以看出，在精细测量模式下X-PAR使用单波束顺序扫描40°的三维空间，能够得到最精细的观测资料，耗时也最长，这将对不同方位角的时间一致性产生不利影响。在警戒搜索模式下，雷达以赋形波束发射、14路波束接收的方式同时扫描20°的三维空间，能够获得最高的扫描效率，但赋形波束的增益远不如单波束强，探测能力也将受到局限。在快速模式下，雷达使用4°展宽波束发射、4路波束接收的方式顺序扫描40°的三维空间，扫描效率较单波束提升了4倍，是现阶段兼顾扫描效率及雷达探测能力的观测方案。
2 资料选取及测量偏差分布 2.1 测试资料选取X波段一维相控阵天气雷达于2013年4月15日起在广东省江门市鹤山气象局新站 (22.7°N, 113.0°E, 海拔高度为42.8 m) 开展了为期两个月的外场测试工作，一部用于资料对比验证的C-POL雷达架设在相同位置。在整个外场测试过程中，X-PAR均使用距离库长为37.5 m、双PRF 1800:1200 Hz的设置进行观测，对其探测范围内的天气过程开机18次，获取了一定数量的观测资料。
C-POL是C波段双线偏振雷达，该雷达采用了单发双收的工作模式，峰值功率高 (大于250 kW)、动态范围大 (大于85 dB)，并经过了较为严格的标定，其观测资料的可靠性较高。对于X-PAR，其接收波束宽度较C-POL更窄 (不大于1°)、距离分辨率更高 (小于50 m)，不存在类似我国S波段相控阵天气雷达因过宽波束导致的平滑作用。因此，其与C-POL的测量偏差主要来自于相控阵天线参数差异引起的标定误差。
在资料比对过程中，C-POL与X-PAR地理位置完全相同，各仰角的观测资料不需经纬度插值可直接使用，由于X-PAR的距离分辨率为C-POL的4倍，已按4个库为间隔做平滑处理。在垂直方向，C-POL采用VCP11的扫描策略，可与同样使用单波束扫描的X-PAR精细测量模式19.5°仰角以下资料进行对比。对于X-PAR 20.5°~39.5°仰角的观测资料，C-POL没有资料与之对应，因此使用精细测量资料与快速观测模式对比，分析4°宽波束与单波束的探测差异。需要注意的是，两部雷达分别处于C波段及X波段，不同波长下的衰减情况也存在差异，这种差异随距离增加及不同的降水类型而改变、不易定量表示，在资料对比时将尽可能选择衰减较小的区域进行分析。另外，由于X-PAR采用VRHI的扫描方式，垂直方向的时空分辨率远高于常规天气雷达，在强对流天气过程中X-PAR的垂直结构与C-POL存在一定差异。为了准确分析两部雷达的测量偏差，选择降水过程较为稳定及观测模式较为丰富的9次个例进行对比分析，个例概况见表 2。本文所用时间均北京时。
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表 2 X波段相控阵天气雷达观测个例概况 Table 2 Weather observations of X-PAR |
2.2 X-PAR与C-POL的测量偏差分布
根据表 2的个例分布情况，取出X-PAR与C-POL相同位置下的观测资料，通过点对点的比较，得到各仰角下平均回波强度的测量偏差。为了降低大范围降水时不同波长衰减差异造成的影响，均选取离雷达最近的无遮挡雨带进行分析，取值范围控制在15 km内。其中，选取X-PAR精细测量模式于2013年5月20日09:12，09:32，09:52，5月21日11:23，11:33，12:03，5月28日19:38，6月3日17:32，17:41，6月5日13:14，6月10日13:16的观测数据，将主要降水区域内0.5°~19.5°仰角数据与C-POL对比，得到测量偏差廓线 (图 2a)。同时，将X-PAR快速观测模式于5月28日18:55—19:10，19:38—19:53，5月29日15:21—15:36，16:28—16:33，16:37—16:42，6月4日17:09—17:18, 17:29—17:37的40层数据与精细测量模式对比，分析展宽波束与单波束观测结果的异同 (图 2b)。图 2给出不同测量偏差所对应的样本量可以看出，统计得到的测量偏差廓线具有较高的代表性。
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| 图 2. X-PAR各仰角回波强度测量偏差随仰角变化廓线 (a) 精细测量与C-POL对比, (b) 快速观测与精细测量对比 Fig 2. Reflectivity bias of X-PAR along elevation (a) from FM to C-POL, (b) from QM to FM | |
从对比结果可以看出，X-PAR精细测量模式的观测资料可靠性很高，与C-POL的测量偏差稳定分布于2.67~3.38 dB之间，随仰角的变化非常小，验证了修正项 (cosvt)-1对雷达方程订正的合理性。而快速观测模式与精细测量的偏差以4°为周期反复变化，在4°展宽波束的第1号、第2号波位 (vt-0.5°, vt-1.5°) 快速观测模式的观测结果基本偏弱，对于第3号、第4号波位 (vt+0.5°, vt+1.5°) 则明显偏强。同时，快速观测模式在不同展宽波束之间 (即以4°仰角为间隔) 的测量偏差也存在差异，2°仰角附近的测量偏差明显低于22°仰角，这与不同波位处的增益变化有关。
3 测量偏差产生原因及初步订正 3.1 X-PAR单波束照射体积对回波强度的影响对于使用单波束扫描的精细测量模式，各仰角间差异很小，但整体与C-POL相比存在约3 dB的固定测量偏差，这样的差异与方程中雷达常数的计算有关。对于C-POL等常规体制的天气雷达，其雷达常数是由圆形抛物面天线的近似计算得来，而采用裂缝波导平面阵的X-PAR，天线的有效截面如图 3a所示。对于式 (1) 中的X-PAR雷达方程，虽然考虑了增益和波束宽度随波位的变化，但仍使用圆形截面的近似方法，导致X-PAR的雷达常数将出现系统性差异，从而产生回波强度的测量偏差。
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| 图 3. 波束剖面对比图 (a) X-PAR与C-POL的有效截面对比, (b) X-PAR快速观测模式收发波束分布图 Fig 3. Comparison of beam profile (a) effective cross section of X-PAR and C-POL, (b) transmitting and resaving beam positions of X-PAR QM | |
目前，X-PAR的天线增益G均通过波束宽度θφ计算而来。由天线理论可知，增益与实际的波束宽度成反比，波束宽度又与天线有效截面成反比，而在雷达方程中，回波强度则分别与波束宽度及增益的平方均成反比关系。因此，X-PAR的回波强度与θφ将成正比关系，由于天线有效截面的低估引起波束宽度的偏大，造成了雷达常数及其计算的回波强度的高估现象。
通过计算，X-PAR的有效截面存在约
对于使用4°展宽波束的快速观测模式，仅需10次扫描即可完成40°空域的观测，效率较精细测量提升了4倍。与图 2b对比，该模式下不同波位处的测量偏差以4°为周期变化，这正与其发射波束宽度吻合，因此推测展宽波束的实际方向图与理论值存在差异。
X-PAR在标定过程中，假设展宽波束内各接收波束波位处的天线发射增益一致，如图 3b中的虚线所示。但雷达展宽波束的实际方向图并非与理论值完全一致，这样造成的差异已反映至图 3b中深色部分，并周期性影响雷达方程中回波强度的准确性。根据图 2b的实测数据，统计分析出展宽波束内接收波束的4个波位处回波强度的平均测量偏差分别为-0.83，-0.41，1.85，1.67 dB。使用该结果对X-PAR快速观测模式的数据进行订正，并再次与精细测量对比得到测量偏差的廓线 (图 4a)。可以发现，新的误差廓线更为平滑，图 2中以4°为周期的起伏现象基本消失。
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| 图 4. X-PAR快速观测与精细测量模式各仰角回波强度测量偏差随仰角变化廓线 (a) 快速观测模式经展宽波束订正, (b) 快速观测模式经过展宽波束和发射增益订正 Fig 4. Reflectivity bias of X-PAR between QM and FM along elevation (a) broaden beam correction for QM, (b) broaden beam and transmitting gain correction for QM | |
3.3 X-PAR发射增益对回波强度的影响
根据雷达性能，X-PAR的天线增益均会随扫描角远离阵面法向而恶化，需对雷达方程中的增益参数按 (cosvt)-1进行修正。对比图 2a，该方法对单波束收发的精细测量模式效果较好，各仰角的测量偏差基本不随仰角变化。但在图 4a的快速观测模式中，各仰角的测量偏差并不一致，其中低仰角偏弱而高仰角偏强。推测4°展宽波束的发射增益并非按 (cosvt)-1规律变化，其在不同波位处与理论值的差异导致了测量偏差的产生。
根据图 4a的测量偏差分布情况，拟合得到对应的订正曲线y=-0.04x2-0.193x+1.875，将其代入原数据中，图 4b给出了经两次订正后测量偏差的分布情况。与图 2b相比可以明显发现，因雷达方程参数差异造成的测量偏差得到了较好的修正，X-PAR快速观测模式与精细测量模式的测量偏差已控制在±1 dB内。
4 订正后X-PAR与C-POL回波结构对比2013年6月5日12:00—17:00鹤山站附近出现大范围对流性降水过程，选取X-PAR 13:36—13:48的观测资料与相同位置的C-POL进行回波结构比较。对比前，根据第3章中的初步订正方法对X-PAR精细测量模式各仰角按-3 dB修正测量偏差，快速观测模式在此基础上分别对展宽波束内的增益差异和不同发射波束间的增益差异进行修正，得到以15°方位角的垂直剖面对比见图 5。
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| 图 5. X-PAR与C-POL回波强度垂直剖面对比图 (a) X-PAR精细测量模式, (b) X-PAR快速观测模式, (c) C-POL Fig 5. Vertical cross sections comparison by X-PAR and C-POL (a) FM, (b) QM, (c) C-POL | |
由图 5可以看到，订正后X-PAR精细测量模式与快速观测模式的垂直结构几乎一致，与C-POL相比其降水回波的位置、强弱分布均合理，不仅准确反映了降水过程的发展特征，同时也验证了订正方法的可靠性。由于直接数字合成技术的应用，X-PAR扫描范围和波束的指向非常灵活，以1°步进角完成40层扫描的垂直分辨率远超VCP11分布的C-POL，有助于对天气过程的精细探测。
5 结论与讨论2013年4—6月，中国气象科学研究院的X波段一维相控阵天气雷达进行了装配后的首次测试观测。为了检验该雷达系统的可靠性和不同模式的测量精度，本文将X波段相控阵天气雷达的观测资料与相同位置的C波段双线偏振天气雷达进行定量对比，得到不同仰角回波强度测量偏差的分布规律，结合雷达标定和理论参数分析了该雷达测量偏差的产生原因，并提出了初步订正方法，得到结论如下：
1) 目前X-PAR使用了1°单波束、4°展宽波束、20°赋形波束的3种扫描模式，不同模式下的天线参数各不相同、对应的标定方案存在差异，需通过测量偏差的对比进行验证。在资料选取时，使用了稳定降水的观测数据以减小不同扫描方式的影响，同时近处区域的样本避免了不同波长的衰减差异。
2) 通过偏差廓线的分析发现，X-PAR使用1°单波束扫描的精细测量模式探测结果与C-POL存在约3 dB的固定测量偏差，但在各仰角间的浮动很小。X-PAR使用展宽波束的快速观测与精细测量模式的测量偏差以4°波束宽度为周期规律性变化，且较高仰角附近的测量偏差更大。
3) 根据检测分析，X-PAR精细测量模式与C-POL的测量偏差主要由有效截面的计算和天线参数的差异共同造成，通过雷达常数的修正可以将测量偏差缩小至±0.4 dB内。在此基础上，快速观测模式还受展宽波束方向图和不同方位增益的影响，其与精细测量的偏差同时随波束宽度和仰角升高变化，通过对实际数据的统计拟合可以将测量偏差订正至±1 dB内。
4) 将X-PAR订正后的垂直剖面与C-POL对比，不同模式下的回波结构几乎一致，均准确反映降水系统的发展特征，验证本文分析方法的可靠性。X-PAR在垂直方向的分辨率远高于常规天气雷达，有利于强对流过程的分析研究。
由于有源数字阵列天线的结构复杂，其实际性能难以与理论值保持严格一致，这对于雷达的精确标定提出了较高要求。今后在外场观测中较好的解决方案是将一部经严格标定的常规天气雷达架设在相同位置进行对比，通过实测数据将雷达的标定误差降至最低。
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