广州CINRAD/SA新一代天气雷达(以下简称广州雷达)是广东省第一部、全国第三部布设的新一代天气雷达，于1999年7月开始土建，2000年12月25日完成现场测试，2001年6月28日开始运行，2016年5月完成双偏振升级，至今已有17年，广州雷达累积运行时间超过1.2×105 h。
在广州雷达进行双偏振升级后，其各项性能达到同型号最新批次雷达出厂时的技术性能和技术指标要求。完美地解决了珠三角地区汛期气象服务和地方重大社会活动保障需求日益增多的问题，同时，也确保了雷达在汛期内正常业务运行，全面提升广州新一代天气雷达的可靠性、稳定性和使用性，充分满足地方经济建设及珠三角地区气象灾害联防服务需要。
双偏振雷达在降水粒子的相态和形状识别、融化层探测和定量降水估计算法方面具有独特的优势，可以在天气预报和预警业务中发挥重要的作用[1]。而对于双偏振天气雷达的性能要求, 差分反射率(ZDR)的期望精度值为±0.2 dB, 远高于一般的单极化天气雷达的±1 dB反射率测量精度要求。而ZDR的测量误差主要来自雷达系统，即由雷达硬件造成的误差，所以ZDR的测量精度取决于雷达硬件系统的标定结果[2]。同时，随着投入业务运行的双偏振雷达数量增多，对双偏振雷达运行的稳定性也提出了更高的要求。因此，本研究主要从机内标定长期稳定性、全链路标定一致性、接收链路一致性和旋转关节对接收链路一致性4个方面对广州雷达开展评估。这可以为提升双偏振雷达的可靠性、稳定性和使用性提供重要的参考价值[3]。同时，也为未来我国双偏振雷达的实时业务化标定提供参考。
1 机内标定长期稳定性利用机内标定数据，通过对机内标定数据如雷达常数(SYSCAL)值、ZDR值、差分相移(PDP)值等的长期监测，可以反映系统稳定度[4]。
测试信号来自接收机的频率源J3输出端口，经过测试通道(四位开关、射频数控衰减器、测试电缆、二路功分器)后进入两路接收机保护器的耦合端(J3)，即图 1中的A和B两点。测试信号进入接收机后在信号处理器端可以读取数据，所有标定数据记录在雷达数据采集系统(RDA)计算机的LOG文件夹下的calibration文件中。
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| 图 1 定标测试节点 Fig.1 Scale test nodes |
广州雷达统计了2017-03-09—2017-10-15连续7个多月的机内标定文件(名称为calibration和status日志文件)和该时间段内的维护维修情况。表 1给出了雷达的故障情况。
| 故障开始时间 Start time of the fault |
故障结束时间 End time of the fault |
故障类型 The fault types |
故障现象 The fault phenomenon |
解决情况 Resolved situation |
| 2017-10-15 19：20 | 2017-10-16 2：10 | 伺服系统 Server system |
天线动态故障 Antenna dynamic fault |
已解决 Resolved |
| 2017-11-9 10：00 | 2017-11-9 13：00 | 发射系统 Launch system |
出现低压电源、灯丝电源报警 Low voltage power supply, filament power alarm |
已解决 Resolved |
分别对calibration标定文件中SYSCAL、接收通道标定的差分反射率值(CW ZDR)、接收通道标定的差分相移值(CW PDP)、水平通道噪声温度(Noise temperature H，计算得到Noise figure H)、垂直通道噪声温度(Noise temperature V，计算得到Noise figure V)参数数值进行提取，对status日志文件中的峰值功率(Peak power)、水平通道天线峰值功率(H Chan antenna peak power)、垂直通道天线峰值功率(V Chan antenna peak power)、机房内温度(Shelter temperature)、发射机通风口处温度(Xmtr air temperature)、天线罩温度(Radome temperature)进行提取，绘制长期稳定性曲线，分析机内标定长期稳定性。
表 1的出故障时间并没有出现数据明显问题，但是2017年6月30日13：25—13：47的共25组数据中SYSCAL、CW ZDR、CW PDP(包括3组跳变数据)、噪声系数(Noise figure)等存在明显跳变，经查厂家在2017年6月30日对雷达进行维修并对问题数据进行删除，对由于非汛期期间停机、周/月维护工作等情况下峰值功率存在周期性为0数值进行删除。
下面分别绘制了SYSCAL、CW ZDR、CW PDP、Noise figure、Peak power、Temperature等参数质控前后长期变化曲线(图 2~5)。
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| 图 2 质控前后SYSCAL、CW ZDR、CW PDP随时间变化曲线 Fig.2 Variation curve of SYSCAL, CW ZDR and CW PDP with time before and after quality control |
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| 图 3 质控前后Peak power、Peak power H、Peak power V随时间变化曲线 Fig.3 Variation curve of Peak power, Peak power H and Peak power V with time before and after quality control |
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| 图 4 质控后温度随时间变化曲线 Fig.4 Curve of temperature change with time after quality control |
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| 图 5 质控后Noise figure随时间变化曲线 Fig.5 Variation curve of Noise figure with time after quality control |
通过对典型问题数据质控后，从图 2a可以看出，连续运行7个月期间，SYSCAL值比较稳定的数值位于33 dB附近，CW ZDR一直处于-0.6 dB附近，CW PDP于18~22°比较稳定。
从图 3a可以看出，峰值功率连续运行7个月期间，出现了较多断续的0点值，经过质控后，可以看出Peak power数值相对稳定，Peak power H数据在3月初不稳定(巡检测试中)，其他情况下Peak power H和Peak power V数据分布稳定且具有较好一致性。
从图 4可以看出，机房内温度(Shelter temperature)相对稳定地分布在20℃、发射机通风口处温度(Xmtr air temperature)、天线罩温度(Radome temperature)整体趋势反应比较合理，昼夜大概存在10℃的温差，夏天和冬天存在20℃左右的温差，这可以为接收机上移体制的温控设计提供材料。
对关键数据的长期一致性进行统计方差分析，结果如表 2所示。从表 2质控后的数据可以看出，CW ZDR均值为-0.614 9 dB, 方差为0.017 9 dB, CW PDP均值为19.090 0°，方差为0.626 8°，符合CW ZDR方差小于0.2 dB，CW PDP的方差小于3°的要求；水平通道的噪声系数(Noise figure H)均值为2.209 9 dB、垂直通道的噪声系数(Noise figure V)的均值为2.179 6 dB，符合小于3 dB的要求。从图 5可以看出，噪声系数(Noise figure)数值在雷达连续运行的过程中也比较稳定。峰值功率的均值为692.262 5 kW，符合大于650 kW的要求，波动为0.035 dB, 满足波动小于0.3 dB的要求；H和V通道的差异均值为0.01 dB, 方差为8.378 6 e-04 dB。为了进一步统计CW ZDR/CW PDP的变化趋势，对每个月监控的数据做均方差值，得到表 3，并做出随月份变化的曲线。
| 项目 Project |
关键参数Key parameters | |||||||
| SYSCAL (dB) |
CW ZDR (dB) |
CW PDP (°) |
Noise figure H (dB) |
Noise figure V (dB) |
Peak power (kW) |
Peak power H (kW) |
Peak power V (kW) |
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| 质控前均值 Mean before quality control |
33.161 1 | -0.614 6 | 19.109 5 | 2.209 5 | 2.186 4 | 692. 212 0 | 233.253 6 | 288.206 9 |
| 质控前方差 Variance before quality control |
0.311 7 | 0.040 0 | 2.490 9 | 1.168 4 | 1.313 6 | 6.672 8 | 33.366 6 | 6.015 7 |
| 质控后均值 Mean after quality control |
33.160 8 | -0.614 9 | 19.090 0 | 2.209 9 | 2.179 6 | 692.262 5 | 229.174 3 | 228.647 4 |
| 质控后方差 Variance after quality control |
0.224 9 | 0.017 9 | 0.626 8 | 1.167 4 | 1.186 1 | 5.630 0 | 1.876 6 | 1.872 4 |
| 备注 Note |
— | — | — | — | — | 去除维护 时0 kW点 Remove 0 kW point for maintenance |
去除213三 个波动点 Remove the 3 wave points of 213 | — |
| 月份Month | CW ZDR | CW PDP | |||
| 均值 Mean |
方差 Variance |
均值 Mean |
方差 Variance |
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| 3月March | -0.6053 | 0.005 8 | 19.396 4 | 0.228 3 | |
| 4月April | -0.616 9 | 0.007 5 | 19.859 9 | 0.367 3 | |
| 5月May | -0.603 2 | 0.016 4 | 18.646 0 | 0.016 4 | |
| 6月June | -0.608 2 | 0.017 4 | 19.348 2 | 0.1669 | |
| 7月July | -0.639 1 | 0.013 0 | 19.476 9 | 0.414 7 | |
| 8月August | -0.621 3 | 0.017 7 | 18.402 0 | 0.399 7 | |
| 9月September | -0.612 3 | 0.012 5 | 18.757 1 | 0.243 6 | |
| 10月October | -0.606 9 | 0.006 2 | 18.796 0 | 0.183 1 | |
从图 6可以看出，广州市雷达接收机测得的CW ZDR、CW PDP均值和方差按月份波动都较小，其中CW ZDR的方差从0.005 8 dB变化到0.017 4 dB，CW PDP的方差从0.016 4°变化到0.414 7°, 雷达整体运行比较稳定。
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| 图 6 CW ZDR和CW PDP均方差值按照月份变化曲线 Fig.6 Monthly variation curve of CW ZDR and CW PDP mean variance values |
2 全链路标定一致性
由于小雨所含的降水粒子多数呈圆球形状，统计意义上差分反射率因子应为0[5]。利用小雨法做天顶标定，可以对整个双偏振雷达系统进行幅度和相位的检查[6]。天顶标定命令天线指向垂直位置(仰角为90°)，同时发射机处于发射状态，接收机接收天顶反射回来的信号，经过信号处理器计算出系统的ZDR，旋转一周后用所有方向上的有效ZDR估计系统整个收发链路ZDR偏移。
广州雷达于2017年3月7日抓住一次适合做小雨法的过程，对广州雷达进行了4次小雨法标定，结果分别为-0.412，-0.520，0.464，0.050，标定情况如图 7所示。
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| 图 7 广州雷达标定结果截图 Fig.7 A screenshot of the calibration result of Guangzhou Radar |
小雨天气时，天顶标定理论得到的ZDR为0，实际得到的ZDR可以作为系统ZDR偏差。从广州雷达小雨法测试的结果来看，有正有负，偏差较大，有两方面原因：
(1) 降水回波强度不同。虽然被称为小雨法，但在实际应用中发现小雨时是很难同时满足进行天顶标定的各项条件，回波强度要在30 dBz附近，而且ZDR和协相关系数(CC)表现出明显的降水特征才能得到正确的结果，如图 7a的降水比较弱，ZDR和CC就没有表现出明显的聚合特征，而图 7c的降水强度合适，其数据可以得到合理的结果。
(2) 从图 7上面起始距离的取数范围来看，设置得不太合理，高度是1~5 km，图 7中显示5 km很可能包含了0°层，应该剔除0°层数据来计算；比较科学的方法是先做一组，找到0°层高度，然后再做至少一组，取0°层以下的数据。所以使用图 7c 0°层之下的数据可以得到合理的系统ZDR偏差。不同台站的海拔不同，0°层高度会随着站点和季节有差异。这是由于台站机务人员对小雨法的测试方法和原理未能充分理解造成的。
3 接收链路一致性利用太阳法获得的两路接收链路数据，分析双通道一致性。太阳法标定是一种离线检查整个接收通道的幅度差异和稳定性的方法[7]，其基本原理是利用太阳辐射电磁波的随机极化特性(即不同极化方向等概率出现)，使雷达天线接收到回波功率的水平极化分量与垂直极化分量基本相同，ZDR近似为0 dB[8]。太阳法可用来测量包括天线和接收机在内的整个接收通道产生的ZDR偏差，即天馈支路(ZDRRX)与接收之路(ZDRANT)之和[9]。因此，可以检查整个接收链路，包括天线罩、天线、馈线、方位和俯仰关节等在内的所有接收器件的稳定性。
广州雷达在每个月做一次太阳法，检查水平和垂直两个接收通道收到的太阳功率差异稳定度，连续10次太阳法标定结果如表 4所示。
| 序号No. | 太阳辐射功率Sun radiant power (dB) | ||
| H | V | 差值 Difference value |
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| 1 | -67.739 1 | -67.330 2 | -0.408 9 |
| 2 | -67.676 0 | -67.332 6 | -0.343 4 |
| 3 | -67.872 3 | -67.427 7 | -0.444 6 |
| 4 | -67.732 1 | -67.344 9 | -0.387 2 |
| 5 | -67.839 7 | -67.425 3 | -0.414 4 |
| 6 | -67.882 6 | -67.413 6 | -0.469 0 |
| 7 | -67.769 7 | -67.431 1 | -0.338 6 |
| 8 | -67.753 5 | -67.431 9 | -0.321 6 |
| 9 | -68.052 5 | -67.670 8 | -0.381 7 |
| 10 | -67.787 3 | -67.454 5 | -0.332 8 |
从广州雷达10次太阳法测试结果来看，两个接收通道收到的太阳功率差异均方差维持在0.05 dB左右，这个0.05 dB包括了天线罩、天线、馈线、接收机增益、信处的量化差异，差异值比较稳定，波动很小，说明双接收通道一致性较好。
4 旋转关节对接收链路一致性在俯仰关节之上，经过波导同轴转换和定向耦合器，注入连续波测试信号，在信号处理端进行馈线的离线和在线标定[10]。
将连续波测试信号经过功分器和测试电缆后注入到接收通道内，信号注入点示意图详见图 1中的E和F。测试时需要拆开俯仰关节和定向耦合器之上的波导，并接上波导同轴转换以注入测试信号到接收通道内。
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 dB，工作频率为雷达站点的工作频率，在线标定经过关节、馈线和接收机的双通道一致性。标定在雷达仰角抬升的过程中，方位和仰角的位置是随机的，一个体扫有12组数据。该标定数据记录在calibration日志中，分别记为TSZDR、TSPDP，对于广州雷达TSZDR的数据是在2017-05-07—2017-10-15，历时共约6个月，绘制TSZDR和TSPDP按月变化的曲线如图 8所示。可以看出，TSPDP和TSZDR的值跳变具有较强的一致性，经查2017年5月7日厂家对雷达进行维护和维修，TSPDP和TSZDR随着时间的推移渐渐稳定，下面按照月份做出了TSZDR和TSPDP的均值和方差变化表格(表 5)。
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| 图 8 TSZDR/TSPDP按照月份变化曲线 Fig.8 Monthly variation curve of TSZDR/TSPDP |
| 月份Month | TSZDR (dB) | TSPDP (°) | |||
| 均值 Mean |
方差 Variance |
均值 Mean |
方差 Variance |
||
| 5月May | -1.165 8 | 0.052 4 | 29.783 6 | 11.220 5 | |
| 6月June | -1.234 0 | 0.061 3 | 35.683 9 | 1.342 9 | |
| 7月July | -1.373 0 | 0.064 0 | 28.245 1 | 1.734 6 | |
| 8月August | -1.348 2 | 0.074 1 | 29.663 0 | 1.481 3 | |
| 9月September | -1.343 2 | 0.097 5 | 30.061 1 | 1.465 5 | |
| 10月October | -1.373 5 | 0.096 8 | 30.061 4 | 1.143 4 | |
扣除5月份有维护和维修的数据，TSZDR的均值-1.332 1 dB，方差为0.112 0 dB，TSPDP的均值为30.697 1°，方差为4.370 9°。6月份广州雷达进行了一次标定测试，拆装了俯仰关节上端口的馈线，进行了离线测试后恢复连接，所以6月份TSPDP数据出现了约5°的变化。
为了考虑能否用矫正的方法去除旋转关节对ZDR和PDP的影响，下面分别绘制了所有仰角下的旋转关节对TSZDR和TSPDP随着角度变化的曲线，并针对0.5°单一仰角绘制了TSZDR和TSPDP随着角度变化的曲线。从图 9可以看出，广州市雷达TSZDR/TSPDP随着角度变化并不具有特定规律，旋转关节的影响不好简单地矫正。
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| 图 9 所有仰角和0.5°仰角下TSZDR/TSPDP随着角度的变化曲线 Fig.9 The variation curve of TSZDR/TSPDP with angle at all elevation angles and 0.5° elevation angle |
5 结论
机内标定长期稳定性评估中SYSCAL、CW ZDR、CW PDP、Noise figure、Peak power等参数均满足技术指标要求，双通道的Peak power H和Peak power V数据分布稳定且具有较好一致性，接收机测得的CW ZDR和CW PDP均值和方差都按月份波动较小。机房内温度相对稳定地分布在20℃、发射机通风口处温度、天线罩温度整体趋势反应比较合理，昼夜大概存在10℃的温差，夏天和冬天存在20℃左右的温差，这可以为接收机上移体制的温控设计提供材料。全链路标定一致性评估中小雨法天气选择不合理，选取高度层不合适，结果不具有评估意义。接收链路一致性评估从太阳法测试结果来看，两个接收通道收到的太阳功率差异均方差维持在0.05 dB左右，双通道一致性较好。旋转关节长期稳定性评估中，排除5月份维修和6月份拆装了俯仰关节上端口的馈线造成的波动之外，TSZDR、TSPDP均值和方差按月份波动都较小, 系统稳定性高。TSZDR/TSPDP随着角度变化并不具有特定规律，旋转关节的影响不好简单地矫正。
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