引言

20世纪90年代，我国开始建设新一代天气雷达网，截至2019年，全国已有200多部雷达在组网运行。随着新技术的发展，双线偏振多普勒(简称“双偏振”)雷达通过发射水平和垂直两种极化的电磁波，不仅能探测到降水粒子的回波强度(Z)、多普勒速度(V)和速度谱宽(W)信息，还能够探测到差分反射率因子(Z_DR)、相关系数(CC)、差分传播相移PDP(有文献^[1-2]记为P_DP或Φ_DP)、差分传播相移率(K_DP)、线性退极化比(LDR)等双偏振参量信息。对双偏振参量进行分析、反演，能进一步识别降水粒子的形状大小、空间取向、相态及滴谱分布等更为具体的信息，准确地分类降水类型，提高了雷达定量估测降水的准确性和降水粒子相态识别的能力^[3-7]。基于此类雷达的先进性和实用性，从2007年开始，美国开展了WSR-88D雷达的双偏振升级工作，2013年升级工作全部完成。2015年，国内开始开展对业务组网雷达进行双偏振升级改造试点工作，中国气象局在《气象雷达发展专项规划》中明确指出，2017—2020年对已建的新一代天气雷达进行双偏振技术升级，同时在气象服务重点区、灾害天气频发区、东南沿海地区和“一带一路”沿线重要区域，根据气象保障服务需求，增补37部双偏振新一代天气雷达。2017年，全国各地陆续开展天气雷达双偏振技术升级工作，2018年12月，山东济南、青岛雷达完成双偏振升级并投入业务试运行，济宁、聊城双偏振天气雷达投入建设阶段。本文针对CINRAD/SA天气雷达双偏振技术升级，介绍了升级后CINRAD/SA-D双偏振雷达双发双收工作体制原理，阐述了雷达升级后WRSP信号处理器、晶振频率源、标定技术、Burst与相位编码技术、信号处理新技术新算法等关键技术，对比分析了升级前后雷达的主要性能参数，通过采用CW(机内标定信号1)与TS(机内标定信号2)在线定标技术，检验了双偏振雷达双通道的一致性，对今后双偏振雷达技术改进具有一定借鉴意义。

1 双偏振天气雷达工作体制与关键技术指标

双偏振天气雷达通常采用双发双收(SHV)或脉间变换交替发射的单发双收(AHV)发射体制的工作模式。目前，CINRAD/SA-D雷达在业务上广泛采用SHV发射体制的双发双收工作模式，发射机输出功率经高频功分器功分后以水平和垂直极化方式同时发射，双通道接收机和信号处理器对同时接收的两路数据进行并行处理(图 1)。此型雷达除了具有双偏振模式功能外，还兼容了单偏振模式功能，体扫工作模式可以进行单、双偏振模式切换(图 2)。

双偏振天气雷达通过水平和垂直两个通道回波信号的微小差异来识别探测目标物特征。因此，水平和垂直双通道的一致性，对双偏振天气雷达的探测性能起着决定性的作用^[8-13]。根据美国强风暴实验室的长期研究结果，当Z_DR的测量精度达到±0.20 dB时，定量降水估计误差可控制在18%以下；当Z_DR的测量精度达到±0.10 dB时，降水估测误差可控制在10%~15%，同时0.10 dB的Z_DR测量精度也可区分不同类型的降雪^{[1, 14-16]}。国内S波段双偏振天气雷达系统指标^[17-20]要求满足Z_DR ≤0.2 dB，PDP(P_DP或Φ_DP)≤3°。

2 双偏振天气雷达关键技术升级

双偏振天气雷达具有水平和垂直双通道，其结构更加复杂，为保障双通道的一致性及雷达整体性能的提升，需要对CINRAD/SA雷达软件及硬件技术同时整改升级。详见表 1。

2.1 软件技术升级

RDA(雷达数据采集系统)、RPG(雷达产品生成系统)、PUP(雷达产品显示系统)、RDASC(雷达数据采集系统控制平台)、RDASOT(雷达数据采集测试平台)运行环境(Linux)、软件统一进行双偏振软件升级。升级后的双偏振天气雷达控制软件实现了组网雷达同步、任务调度、扫描模式多样化功能；实现了KD(速调管输出)脉冲识别、流传输、基数据格式标准化、FTP上传、I/Q存档等功能；改进了雷达在线标定功能，避免因标定信号本身问题带来的误修订；通过升级信号处理算法，在基数据和产品生成部分增加和改进雷达自动判断异常回波数据的功能, 有效降低了异常回波的发生概率，提高了雷达识别地物和电磁干扰的能力；雷达测试软件操作便捷，控制模式实现了RDASC与RDASOT适配参数修改的同步性，减少了中间环节的差错概率，提高了工作时效。

2.2 硬件技术升级 2.2.1 网络数字接收机/信号处理器技术升级

接收机升级是双偏振雷达技术升级的关键点。升级过程中，增加了垂直接收通道；频率源升级为高性能晶振频率源；A/D数字中频升级为网络版的数字中频信号处理器(WRSP)；增加了相位编码技术。

1) 改进了数字中频信号处理器。由A/D、下变频、HSP-A、HSP-B及PSP等多个器件构成的信号处理器升级为集成独立的、网络版的数字中频信号处理器(WRSP)(图 3)，减少了多器件转化引起的故障率，提高了系统运行的稳定性。升级后的WRSP具有双偏振接口功能，支持水平与垂直通道(H/V)，是集多通道ADC实时中频采样、实时数字下变频处理、动态范围补偿和雷达定时同步控制功能为一体，以超大规模现场可编程阵列(FPGA)和高性能数字信号处理(DSP)芯片为核心，每秒可执行300亿次以上乘、加运算，处理能力较升级前信号处理器提升了近20倍。WRSP以PPP(脉冲对处理方法)、FFT(快速傅里叶变换)为主要处理方式，数据输出有T(滤波前反射率因子)、Z、V、W、Z_DR、PDP、CC、K_DP等，支持雷达定标测试功能，支持雷达在线数据更新和保存功能。WRSP摒弃了传统的PCI总线的硬件信号处理器，采用千兆以太网作为通信接口，基于MAC层的网络数据交互，效率高，灵活通用，降低了终端软件信号处理计算机选型难度和采购成本。

2) WRSP信号处理。雷达回波产生的I/Q数据与Burst信号同时送入WRSP数字信号处理器中，在信号处理器中经过干扰滤波、地物滤波识别、地物杂波滤除、相位编码处理等产品算法后一起进行基本产品计算和质量控制因子计算，再经点杂波滤除、无效回波滤除和速度去折叠等技术，输出高质量的气象数据产品(图 4)。

3) 增加了相位编码技术与Burst混频标定通道。Burst混频将4A20四路功分器送来的发射机输出信号(发射射频脉冲信号经发射机定向耦合器1DC耦合输出)与4A1频率源J2送来的本振(STALO)信号混频，得到带有发射机输出脉冲信息的信号送入WRSP数字中频信号处理器进行后期标定处理，对发射脉冲进行采样分析，作为I/Q信号修正和相位编码基准。

4) 接收机关键部件增加温度补偿功能。将位于天线罩内的接收机前端的低噪声放大器和保护器等关键器件移入恒温、恒湿运行环境下的设备机房；接收双通道器件进行一致性配对选择。确保接收系统处于同一电磁环境下，减少电磁干扰带来的差异，保障了雷达双通道幅度、相位的一致性和系统运行的稳定性。

2.2.2 天线伺服系统技术升级

将需定期维护、运行寿命短、故障率高的直流电机改进为运行稳定、免维护、寿命长的交流电机。采用新型金属丝汇流环替代传统的碳刷式汇流环。金属丝汇流环没有碳刷，不存在碳粉堆积、碳刷消耗等问题，绝缘度高，在整个寿命周期(500万转)内维护次数不超过两次。汇流环信号输入设计采用航空接插件，分为电源和信号两种接口形式，减少了信号中间连接环节。升级后，降低了天线伺服系统的故障率，提高了系统运行的稳定性和可靠性。

2.2.3 雷达远程监控的实现

雷达升级增加了雷达远程控制功能。通过改进配电机柜，增加远程网络接口控制继电器组件，远程控制电源机柜总电源开关，以及各分机电源开关，实现雷达一键式开、关机功能。

雷达远程控制的实现，能够满足雷达远程控制请求、分机电源控制、一键开关机控制、故障复位、扫描模式控制、工作模式切换控制，满足雷达无人值守的运行要求；能够远程监控标定数据，评估、修改雷达适配参数，从而提高雷达运行的稳定性和数据质量的可靠性。

2.3 标定系统技术升级

CINRAD/SA-D双偏振天气雷达标定信号来自两个位置(图 5)。CW在线标定信号1来源于机内信号源1(高性能晶振频率源)；新增TS在线标定信号2来源于信号源2(位于天线反射体)。雷达在运行过程中两个标定信号互补，避免因标定信号本身的问题带来的误修订，对检验接收链路双通道幅度和相位一致性至关重要。

2.3.1 CW在线标定

CW标定信号1经接收机测试通道，通过功分器分别向水平和垂直接收通道的接收机保护器注入，经低噪声放大器送入数字中频信号处理器WRSP，经WRSP处理后，在RDA计算机终端读出标定数据，标定数据位于RDA计算机LOG文件夹下的Calibration文件，通过读取CW-Z_DR、CW-PDP验证接收机双通道的一致性。

图 6为济南CINRAD/SA-D雷达2019年3月5日连续24小时CW-Z_DR、CW-PDP在线标定数据变化曲线，由此计算CW标定信号通过接收机双通道幅度变化了0.03 dB，相位变化了0.7°，CW-Z_DR和CW-PDP的标准差分别为0.006 3 dB和0.046 8°，满足CW-Z_DR ≤0.2 dB、CW-PDP≤3°的指标要求，表明CW标定测试信号通过接收机双通道幅度、相位的一致性。

2.3.2 TS在线标定

TS标定信号2通过功分器分别向水平和垂直接收通道链路定向耦合器的耦合端注入，经俯仰旋转关节、方位旋转关节、馈线及接收机主通道进入数字中频信号处理器WRSP。TS信号受WRSP控制，在每个PPI(平面位置显示)间隔处于开启状态，即在天线抬升仰角时完成一次标定，以VCP21D体扫模式为例，一个体扫可以标定9次，标定结果包含了旋转关节随方位带来的幅度和相位的变化，标定数据记录在RDA计算机LOG文件夹下的Calibration文件，通过分析TS-Z_DR和TS-PDP随旋转关节360°数据变化曲线特征，检验了旋转关节对接收链路的一致性的影响。

图 7为济南CINRAD/SA-D雷达2019年3月5日连续24小时TS-Z_DR、TS-PDP在线标定数据变化曲线。由此可知：幅度、相位随方位360°旋转分别变化了0.09 dB、2.7°，计算TS-Z_DR标准差为0.021 dB，TS-PDP的标准差为0.77°，满足TS-Z_DR ≤0.2 dB、TS-PDP≤3°的指标要求。由图 7可知，旋转关节随着方位的变化对整个接收链路的信号幅度和相位呈现出一定的周期变化规律，因此随着双偏振雷达的长期运行，方位旋转关节对整个接收链路的信号幅度和相位一致性的影响不可忽略，需要定期对Z_DR与PDP进行订正。

3 升级后雷达性能数据结果分析

1) 采用双发双收工作体制的双偏振多普勒天气雷达，由于发射功率需要均分到水平和垂直两个通道支路，理论上分析探测灵敏度会下降3 dB，信噪比损失会带来雷达探测参量的计算误差以及弱信号的丢失。由于济南雷达在双偏振升级时，对接收机数字中频进行升级，降低了中频噪声，提升了接收机灵敏度。接收机灵敏度实际测量值水平通道窄脉冲由-109 dBm提升至-113 dBm，宽脉冲由-110 dBm提升至-117 dBm；新增的垂直通道窄脉冲实测值为-113 dBm，宽脉冲为-118 dBm，接收机灵敏度的提升改善了雷达对弱信号的探测能力。对于弱信噪比的回波，基于回波信号的相关性，综合水平和垂直双通道来区分回波和噪声，从而提高弱回波的识别能力。

2) 接收机和信号处理器的升级，扩展了接收机动态范围，由89 dB提升至101 dB；Burst混频标定及相位编码新技术，显著提升了雷达系统的杂波抑制能力。实测选取10个采样点的实际地物对消能力由32.62~45.10 dB提升至37.5~49.7 dB；信号处理新技术新算法的应用，距离分辨率由1 000 m提升至250 m，提高了雷达数据的精细度，同时增加对异常回波的监测功能，提高了雷达对干扰信号的识别能力。

3) 新型频率源晶振模块的升级，提升了频率源性能指标，相位噪声由-133 dBc/Hz@10 kHz提升至-138 dBc/Hz@10 kHz，提高了相位噪声稳定度，发射机输出改善因子由59.34 dB提升至61.64 dB，相位噪声由0.107°提升至0.041°。

综上所述，雷达软件与硬件关键技术的升级，使雷达整体性能提升(表 2)。

4 小结

1) 通过WRSP信号处理器、晶振频率源、标定技术、相位编码技术、信号处理新技术新算法等关键技术的升级，提升了雷达的整体性能。升级后，接收机灵敏度由-109 dBm提升至-113 dBm，接收机动态范围由89 dB提升至101 dB，发射机输出改善因子由59.34 dB提升至61.64 dB，系统相位噪声由0.107°提升至0.041°，系统实际地物对消最大值由45.1 dB提升至49.7 dB，距离分辨率由1 000 m提升至250 m，改善了雷达对弱信号的探测能力，增强了对电磁干扰、超折射的识别能力，增强了地物抑制能力。

通过采用接收机前端移至温控环境下的机房，双通道器件进行一致性配对选择，关键敏感器件进行温度补偿处理等措施，保障了双通道幅度、相位的一致性和系统运行的稳定性。

2) 天线伺服系统通过改碳刷结构汇流环为金属丝免维护汇流环，减少了天线动态故障报警率，提高了伺服系统运行的稳定性和可靠性。

3) 通过CW与TS在线标定技术检验接收链路双通道的一致性，旋转关节对整个接收链路的信号幅度和相位一致性有影响，这种影响随着方位的变化呈现出一定的周期变化规律，因此随着双偏振雷达的长期运行，方位旋转关节的影响不可忽略，需要定期对Z_DR与PDP进行订正。