引言

双偏振多普勒天气雷达(以下简称“双偏振雷达”)通过交替发射或者同时发射水平和垂直偏振波，并接收两个偏振方向回波信号的方法，不仅能探测识别粒子的反射率因子(Z)、多普勒速度(V)和速度谱宽(W)信息，更能通过探测到差分反射率因子(Z_DR)、相关系数(CC)、差分传播相移(Φ_DP)、差分传播相移率(K_DP)等双偏振参量，进一步识别降水粒子的形态、相态及滴谱分布等更为具体的信息。相比单偏振雷达，双偏振雷达在定量估测降水、相态识别等方面更具有优势。2013年美国完成了WSR-88D雷达的双偏振升级，2015年国内开展对业务组网雷达进行双偏振升级改造试点工作，2017年全国各地陆续开展新一代天气雷达双偏振技术升级。为更好地应用双偏振雷达，国内外学者在双偏振雷达应用方面进行了大量的研究，针对雷达数据质量控制方面的研究也取得了不少的成绩^[1-11]。雷达数据质量控制方面的研究基本上是基于雷达基数据及生成的雷达产品展开的，主要解决的是由外界原因如地物遮挡、超折射、电磁波干扰、海浪、昆虫等引起的非气象回波等方面的质量问题，基于雷达数据采集系统在线自动标定数据质量控制方面的研究相对较少。双偏振多普勒天气雷达的主要特点是通过水平(H)和垂直(V)双通道回波信号的微小差异来识别所探测降水粒子的特征^[12-19]，为保证探测数据的准确性，双偏振雷达升级对硬件性能方面提出了更高的要求。水平和垂直双通道的一致性和隔离度、系统噪声及信号强度衰减等都是影响雷达数据采集系统在线自动标定测量数据质量的关键因素，雷达数据采集系统在线自动标定测量数据质量下降将直接影响着雷达探测数据质量的下降。据文献[1, 20-26]，以反射率因子Z为40 dBZ为例，如果反射率因子Z的测量精度达到±1 dB，差分反射率因子Z_DR的测量精度达到±0.20 dB时，则降水估计偏差可控制在18%以下; 当Z_DR的测量精度达到±0.10 dB时，也可区分不同类型的降水。所以开展天气雷达双偏振升级后的标定数据质量评估是一项急需且重要的工作。2019年5月29日济南CINRAD/SA雷达完成双偏振(CINRAD/SA-D)技术升级并通过现场测试，作为国内比较早进行双偏振升级改造的业务组网雷达之一，有必要对CINRAD/SA-D雷达运行在线自动标定数据质量开展分析评估，为后续双偏振技术升级数据的可靠性及稳定性、质量控制、定量估测降水及粒子相态识别等业务开展打下基础。

1 CINRAD/SA-D雷达在线自动标定技术与技术要求

CINRAD/SA-D雷达在线自动标定按照标定信号源安装位置和注入点的不同分为标定信号1和标定信号2(图 1)。标定信号1包括：1)晶振频率源(4A1)J3输出的CW射频连续波测试信号; 2)发射机高频脉冲形成器3A5输出的RFD射频激励信号; 3)延迟10 μs发射机速调管输出的KD测试信号; 4)射频噪声源输出的NOISE测试信号。标定信号1经接收机四位开关四选一，通过机房内功分器、接收机保护器、低噪声放大器后进入数字中频WRSP，用来检查安装在设备机房内的接收通道状态。标定信号2(TS连续波测试信号)安装在天线反射体背面，该标定信号经过天线内功分器、定向耦合器、俯仰旋转关节、方位旋转关节、环形器及机房内接收机保护器、低噪声放大器后进入接收机WRSP，用来检查天线罩和设备机房在内的所有接收链路的状态。两路标定信号在线标定包含了机房内两路接收通道的幅度和相位一致性、全链路接收通道的幅度和相位一致性、接收机噪声温度和噪声电平、反射率标定、发射机功率及系统的地物杂波抑制能力等，各参数在线标定周期见表 1。两路标定信号在在线自动标定过程中互补，避免了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的一致性至关重要。CINRAD/SA-D雷达不仅具备完善的自动监测、标定功能，同时还增加了相位编码技术与Burst混频标定技术，射频脉冲信号经发射机定向耦合器1DC耦合输出的延迟10 μs发射机速调管输出的KD测试信号与频率源(4A1)J2送来的本振(Stalo)信号进行Burst混频，得到带有发射机输出脉冲信息的信号送入数字中频WRSP进行后期标定处理，对射频脉冲进行采样分析，作为I/Q信号修正和相位编码基准，以确保CINRAD/SA-D雷达标定数据的准确性。依据S波段双偏振多普勒天气雷达标准及新一代天气雷达现场验收测试大纲^{[1-2, 27-29]}要求，表 2给出济南CINRAD/SA-D双偏振雷达的部分主要性能参数。

2 CINRAD/SA-D雷达在线自动标定数据分析评估

CINRAD/SA-D雷达在运行的每个体扫(VCP)间隔期间，都会进行性能参数在线自动标定，以检测雷达运行是否正常，当体扫标定的性能参数达到技术指标要求，表明该体扫雷达运行正常，如果体扫标定的性能参数未达到技术指标要求或者超出恶化极限阈值，表示该体扫雷达运行状态性能下降或者变坏，则该体扫雷达探测数据的质量也随之下降或者变坏。雷达每个体扫的标定数据、报警信息等均记录在雷达数据采集单元(RDA)状态性能数据RDA/Per/LOG文件下。统计分析数据来源于2019年6-10月在线运行状态LOG文件下的Calibration和Status运行状态日志。对雷达在线自动标定的性能参数、监控信息、报警信息进行梳理，依据雷达气象方程结合回波强度定标方法^{[2, 20-23]}，遴选对雷达探测数据质量影响最大的性能参数：发射机输出峰值功率P_t、相位噪声σ_φ、噪声系数N_F、反射率标定系数ΔSYSCAL、差分反射率因子Z_DR、差分传播相移Φ_DP，通过对在线每个体扫标定数据的长期监测，绘制出每个参数长期运行轨迹，能够分析评估雷达系统运行的稳定性和观测数据质量的可靠性。

2.1 发射峰值功率数据分析

发射峰值功率P_t是指发射脉冲持续期间对不同工作比时的发射机输出功率的测量。发射信号经高频功分器等分后经大功率双路方位旋转关节分别向天线的H和V通道注入，H和V通道峰值功率分别记为P_t-H、P_t-V。目前，CINRAD/SA-D雷达在运行期间功率监控器能够将实时监测到的发射机峰值功率数据送入数据采集监控单元(DAU)，但是H和V通道发射功率尚不具备监测功能，其功率测试值是从发射机输出功率通过相关馈线损耗换算得出。

$ \begin{array}{l} P_{\mathrm{t}-\mathrm{H}}=P_{\mathrm{t}} / 2-L_{\mathrm{H}} \end{array} $

(1)

$ P_{\mathrm{t}-\mathrm{V}}=P_{\mathrm{t}} / 2-L_{\mathrm{V}} $

(2)

式(1)、(2)中L_H、L_V分别代表H、V发射通道支路损耗。

雷达运行的每个VCP期间进行发射机功率监测，与其他性能参数标定不同，发射机峰值功率数据位于LOG/Status。发射峰值功率技术指标要求P_t≥650 kW，低于400 kW或者超出900 kW，系统则产生功率过低或者功率过高报警。统计分析雷达运行的33 385个体扫峰值功率，除周、月、年停机维护无数据外，在线运行输出峰值功率比较稳定，基本维持在679.68 kW(图 2)，但统计时间段内有时出现跳变现象，最大值为738.07 kW，最小值为658.45 kW，经核实是由于雷达设备停机维护，开机时设备温度较低引起，待雷达运行几个体扫后温度趋于稳定，雷达输出功率随之稳定。H和V双通道峰值功率P_t-H、P_t-V均值分别为208.56 kW、207.76 kW，长期运行基本一致且稳定。

2.2 噪声系数与噪声电平数据分析

噪声温度(T_N)的标定来源于射频噪声源的NOISE信号(图 1)，噪声温度标校每个体扫执行一次，利用噪声源的ON和OFF状态，测试接收机输出噪声功率，根据噪声源的超噪比计算接收系统的噪声温度。如果运行标定的噪声温度超出预定值，则产生相应的告警。

接收机噪声系数N_F表示接收机输入端信噪比与其输出端信噪比的比值。在线标定噪声系数是通过每个体扫标定的噪声温度转化获得，换算公式为：

$ N_{\mathrm{F}}=10 \lg \left[T_{\mathrm{N}} / 290+1\right] $

(3)

噪声电平E表示接收机接收到的外界噪声信号与本底噪声信号叠加在一起而产生的噪声。噪声系数与噪声电平的关系为：

$ N_{\mathrm{F}}=R_{\mathrm{EN}}-\left(E_{\mathrm{Hot}}-E_{\mathrm{Cold}}\right) $

(4)

式(4)中，R_EN为噪声源的超噪比，超噪比的大小与噪声源的型号和被测雷达的工作频率相关，E_Cold、E_Hot分别为噪声源处于OFF和ON状态时接收的冷、热态噪声电平。

统计分析33 385个体扫噪声系数在线标定数据(图 3a)，发现噪声系数在运行过程中存在异常数据，噪声系数超标3 dB达131个体扫，占总数的0.39%(H通道噪声系数N_F-H超标90个，V通道噪声系数N_F-V超标41个，见表 3)，超标数据较集中在7月24-30日、8月26日-9月18日和10月2-6日，极大值出现在8月28日01:43(UTC)高达19.92 dB(H通道)和11.06 dB(V通道)，为查找严重超标原因，深入分析H和V双通道冷、热态噪声电平数据(E_{Cold -H}、E_Hot-H、E_Cold-V、E_Hot-V)，由图 3b可见，H和V双通道热态噪声电平数据稳定且拟合较好，而冷态噪声电平数据波动较大且与系统噪声系数关联吻合，热态噪声电平数据稳定，表明雷达接收系统正常，噪声系数的异常波动完全来源于噪声源处于关闭状态的冷态噪声电平，即噪声系数的异常数据是外界干扰所致，外界干扰影响了接收系统内噪声信号的在线标定，抬高了噪声电平和噪声系数，结果直接影响到探测数据质量，在雷达产品多表现为射线状、杂点、环状等异常回波(图 4)。采用基数据分析法，发现因干扰影响造成50 km处最小可测回波强度降低为-3.5 dBZ(图 5a)，而未受干扰时50 km处最小可测回波强度能达到-5.0 dBZ(图 5b)，由外界干扰造成探测灵敏度降低了1.5 dB，为保障雷达探测数据质量有必要开展雷达数据质量控制研究。

排除受外界干扰时间段的数据后，H和V双通道的噪声系数数据分布稳定且具有较好一致性，H和V双通道噪声系数均值维持在1.66 dB和1.73 dB，满足噪声系数N_F≤3.0 dB的技术指标要求。

2.3 反射率标定系数SYSCAL数据分析

反射率标定RDA/Per/LOG/{Cali1/CW&RFDi+Cal 2/SYSCAL}(i=1, 2, 3)是对反射率进行动态、实时的补偿，以保证反射率测量精度。根据雷达工作频率、天线增益、发射支路损耗、接收支路损耗、接收机增益等参数计算出反射率的校正参数，记为SYSCAL(system calibration)。SYSCAL的变化体现接收机增益等性能参数的变化，并直接影响雷达反射率因子的计算结果。反射率标定信号来源于频率源(4A1)J3的CW测试信号及发射机脉冲形成器3A5的RFD测试信号(图 1)。RFD的标定分为高、中、低三组不同信噪比的信号，可以在线动态地对反射率强度值进行标校，标校CW&RFD的实测值记录在LOG/Cali1/CW & RFDi中，用dBZ表示。每一组标定的期望值Expected与实测值Measured之间的差值分别记为ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3。四组信号期望值与实测值之间的差值的平均值作为SYSCAL的变化，记为ΔSYSCAL，计算如下：

$ \Delta S Y S C A L=(\Delta C W+\Delta R F D 1+\Delta R F D 2+\Delta R F D 3) / 4 $

(5)

当每一组标定数据满足要求∣期望值－实测值∣≤2 dB，即∣(ΔCW =CW_Expected－CW_Measured)∣≤2 dB，∣(ΔRFDi =RFDi_Expected－RFDi_Measured)∣ ≤2 dB，则实时订正反射率标定系数SYSCAL，这个订正后的SYSCAL将用于下一个体积扫描中计算反射率因子，即下一个体扫SYSCAL_n+1与当前体扫SYSCAL_n的关系是：

$ S Y S C A L_{n+1}=S Y S C A L_{n}+\Delta S Y S C A L $

(6)

如自动在线检查结果，ΔCW、ΔRFD1、ΔRFD2和ΔRFD3分别为0.0、0.1、0.1、0.0，根据公式(5)计算ΔSYSCAL为0.05 dB，应用于下一个体积扫描的SYSCAL_n+1值相比本次扫描变化了0.05 dB，即接收到同样幅度的信号时，反射率因子的值会增加0.05 dB。如果标定数据∣期望值－实测值∣超出设定阈值(一般为2 dB)，即∣(ΔCW =CW_Expected－CW_Measured)∣＞2 dB，∣(ΔRFDi =RFDi_Expected－RFDi_Measured)∣＞2 dB，表明雷达系统性能下降或者变坏，系统则自动产生相应的报警信息。

统计分析33 385个体扫SYSCAL标定数据(H通道)，根据公式(5)计算ΔSYSCAL值，计算结果(图 6)：11 208个ΔSYSCAL为正值，均值为0.015 dB，最大值为0.25 dB; 10 887个ΔSYSCAL为负值，均值为-0.016 dB，最小值为-0.46 dB; 11 290个ΔSYSCAL为0值; ΔSYSCAL满足±2 dB技术指标要求。ΔSYSCAL值为雷达机内四个标定信号(3个RFD信号，1个CW信号)测量误差平均差值，用于补偿下一个体扫的SYSCAL值。ΔSYSCAL越小，表明接收系统增益和发射机输出功率越稳定。所以通过监测SYSCAL长期运行的变化情况，能够检验雷达运行的稳定性。

2.4 相位噪声数据分析

相位噪声表征雷达系统的相干性，即表征雷达系统内各信号的稳定性。将雷达发射射频信号经衰减延迟后注入接收机前端，对该信号放大、相位检波后的I/Q值进行多次采样，由每次采样的I/Q值计算出信号的相位，求出相位的均方根误差σ_φ来表征系统的相位噪声。技术指标要求σ_φ≤0.1°，当该测试值超限时，系统报地物杂波抑制能力变坏报警。

根据台站设置不同(2~72 h标定一次)，统计分析203次相位噪声在线标定数据结果(H通道)：最大值0.095°，最小值0.034°，平均值为0.051 3°。由图 7a可看出系统相位噪声在线标定数据曲线比较稳定，表明系统相干性较好。

当相位噪声σ_φ小于5°时可近似地用来估算系统的地物杂波抑制能力S，其转换公式为：

$ S=-20 \lg \left(\sin \sigma_{\varphi}\right) $

(7)

由公式(7)计算均值为61.08 dB，此结果与采用在线标定滤波前后功率比R估算的地物杂波抑制结果61.36 dB(均值，15.73/-45.63)吻合(图 7b)。

图 8为雷达观测地物杂波对消抑制前dBT与对消抑制后dBZ基数据分析实例，在80.9°、82.04 km处(箭头加十字所指)对消前地物杂波强度值为66.5 dBZ，对消后地物杂波强度值为6.5 dBZ，对消前、后差值代表雷达实际地物杂波对消为60 dB。实例分析结果与采用在线标定相位噪声法及在线标定滤波前后功率比法估算地物杂波抑制结果基本吻合，表明系统相干性和地物杂波对消抑制能力较好。

2.5 差分反射率因子与差分传播相移数据分析

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^[14-19]。为了在线测量和检验接收机双通道幅度和相位的一致性，系统采用机内双信号源法，位于设备机房内的接收机频率源(4A1)J3输出的连续波CW信号经功分后分别注入H和V接收通道，用来检验机房内的H和V接收双通道信号幅度和相位的一致性，H和V双通道信号幅度差记为Z_DR-CW，相位差记为Φ_DP-CW; 位于天线俯仰旋转关节之上的标定信号源输出的连续波TS信号经功分后注入包括俯仰旋转关节、双路方位旋转关节在内的接收链路的H和V通道，用来检验双路方位旋转关节在内的接收全链路双通道信号幅度和相位的一致性，幅度差记为Z_DR-TS，相位差记为Φ_DP-TS。CW和TS信号标校流程见图 1。技术指标要求双通道幅度标准差Z_DR≤0.2 dB，相位标准差 Φ_DP≤3°。如果标定结果超限，表明接收双通道一致性差，Z_DR-CW、Φ_DP-CW超限重点检查设备机房内接收双通道一致性，Z_DR-TS、Φ_DP-TS超限重点检查双路方位旋转关节对接收链路双通道的一致性的影响。

Z_DR-CW和Φ_DP-CW标定是每个VCP间隔做一次。分析33 385个标定数据(图 9a、图 9b)，Z_DR-CW最小值为0.18 dB，最大值为0.35 dB，均值为0.26 dB，标准差为0.025 8 dB; Φ_DP-CW最小值为107.86°，最大值为113.54°，均值为110.82°，标准差为0.735°。TS信号标定不同于CW信号标定，TS信号标定是在天线逐仰角360°扫描完成一次标定，如VCP21D扫描，9个仰角进行11次360°扫描(0.5°、1.5°仰角，强度和速度各扫描1次)，本体扫结束后再进行一次VCP标定，所以VCP21D一个体扫结束后有12组标定数据，结果TS测试信号标定数据是CW测试信号标定数据的12倍。分析400 620个标定数据(图 9c、图 9d)，Z_DR-TS最小值为0.42 dB，最大值为0.77 dB，均值为0.611 dB，标准差为0.044 dB; Φ_DP-TS最小值为224.42°，最大值为232.70°，均值为228.73°，标准差为1.116°。

采用双信号源的CW、TS标定法，接收双通道幅度和相位的标准差都满足接收机双通道一致性技术指标要求，并且标定数据波动具有较强的一致性(图 9)。虽然双信号源标定法同步且互补，但两个信号标定结果还是存在一定的差异，但CW信号标定结果明显小于TS信号标定结果。这是由于TS标定通道增加了双路方位旋转关节，导致Z_DR-TS和Φ_DP-TS标定结果比Z_DR-CW和Φ_DP-CW出现更大的误差，这种变化难以通过调整H和V两通道的参数进行补偿消除，因此随着双偏振雷达的长期运行，对双路方位旋转关节带来的幅度和相位固有偏差进行测试和订正非常重要。在线标定对机内测试通道硬件性能的准确性和环境温度要求较高，如果在条件允许的情况下，有必要采用离线标定法：“太阳法”“小雨法”“金属球”等方法进行接收全链路标定和订正。

3 结论与讨论

新一代天气雷达系统具备完善的自动监测、标定功能，雷达在线自动标定数据的精度直接反映出探测数据的质量。本文阐述了CINRAD/SA-D双偏振雷达的标定技术，分析评估了2019年6-10月济南双偏振多普勒天气雷达运行在线自动标定的峰值功率P_t、相位噪声σ_φ、噪声系数N_F、反射率标定系数SYSCAL、差分反射率因子Z_DR、差分传播相移Φ_DP性能参数的数据质量，评估结论如下：

1) 峰值功率维持在679.68 kW，H和V双通道的峰值功率长期运行吻合一致性较好，峰值功率的不稳定与设备温度密切相关。

2) H和V双通道噪声系数均值维持在1.66 dB和1.73 dB，双通道噪声系数数据总体分布稳定且具有较好一致性。但是如果外界有干扰，接收机接收来自天线的干扰信号影响了系统内噪声信号的在线标定，引起噪声电平和噪声系数的升高。噪声电平和噪声系数的升高必定影响探测数据质量，雷达产品多表现为射线状、环状、杂点等异常回波; 外界干扰的同时也降低了接收机的灵敏度，因干扰造成接收机灵敏度降低了1.5 dB。为保障雷达探测数据质量有必要开展雷达数据质量控制研究。

3) 反射率自动标校是保证雷达回波强度测量精度的重要手段，ΔSYSCAL值为四个机内定标信号(3个RFD信号，1个CW信号)测量误差平均差值用于补偿SYSCAL值，ΔSYSCAL越小，表明接收系统增益和发射机输出功率越稳定。

4) 相位噪声均值为0.051 3°，实际地物杂波对消能力60 dB与估测地物杂波抑制能力61.36 dB结果基本吻合，证实了雷达系统具有较好的地物杂波抑制能力。

5) H和V双通道的一致性是双偏振雷达的关键技术，通过长期Z_DR与Φ_DP数据分析可以检验接收双通道的一致性。采用双信号源的CW、TS标定法，接收双通道幅度和相位的标准差：Z_DR-CW和Φ_DP-CW分别为0.025 dB和0.735°，Z_DR-TS和Φ_DP-TS分别为0.044 dB和1.116°，满足接收机双通道一致性技术指标，但CW信号标定结果明显小于TS信号标定结果。这是由于TS标定通道增加了双路方位旋转关节，导致Z_DR-TS和Φ_DP-TS标定结果比Z_DR-CW和Φ_DP-CW出现更大的偏差，这种变化难以通过调整H和V两通道的参数进行补偿消除，因此随着双偏振雷达的长期运行，对旋转关节带来的幅度和相位固有偏差进行测试和订正非常重要。

目前，CINRAD/SA-D雷达在线自动标定只能获取H通道的SYSCAL、相位噪声、滤波前后功率比数据，为更好的检验H和V双通道一致性，建议改进增加V通道在线标定数据。

机内CW和TS标定信号法可以对接收双通道的一致性进行实时监测和标校，但是对机内测试通道硬件性能的准确性和环境温度要求较高。为保障Z_DR的测量精度，在条件满足的情况下，有必要采用“太阳法”“小雨法”“金属球”等方法进行接收全链路标定和订正。