相控阵天气雷达回波强度标定方法研究

汪旭东，卞真稳

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

相控阵天气雷达回波强度标定方法研究

汪旭东，卞真稳

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

相控阵技术是未来雷达提升探测能力的重要发展方向，我国相控阵雷达研究水平处于世界先进行列。天气雷达要求定量测量回波强度，随着相控阵技术在天气雷达中的应用，急需解决相控阵天气雷达的强度标定问题，本文以一种X波段相控阵天气雷达的工程研制为例，介绍了相控阵天气雷达回波强度的标定方法。

相控阵；天气雷达；回波强度；标定

1 引言

在人们探测自己赖以生存的地球大气的各种方式中，天气雷达占有十分重要的地位，相对于其它探测手段，天气雷达具有高的时空分辨率，能够及时准确的对灾害性天气进行探测，特别是在中小尺度灾害性天气监测和短时天气预报等方面是十分有效的观测工具。

我国目前已经布网的新一代天气雷达大大提高了对灾害性天气的监测和预警能力，能够定量探测降雨回波强度、径向速度、速度谱宽等信息，以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气，特别是中尺度灾害性天气监测预警等方面极为有效的工具。但是由于对流天气现象的变化是很快的，对流单体的发展时间尺度有些时候就几分钟到十几分钟，尤其对于风暴等强对流单体，几分钟单体情况就可能发生很大的变化。目前由于常规多普勒气象雷达探测周期长、雷达探测时间分辨率低等方面的原因，对于小尺度、持续时间短、变化快、危害大的天气现象进行有效监测能力还有待提升。

我国目前有关的相控阵天气雷达的研究尚处于起步阶段。由于相控阵雷达的扫描体制和和信号处理的方法不同于常规雷达，传统的气象雷达定标方法对其已不再适用，本文以一种X波段相控阵天气雷达的工程研制为例，介绍了相控阵天气雷达回波强度的标定方法。

2 X波段相控阵天气雷达介绍

表1 X波段数字阵列天气雷达主要参数

安徽四创电子股份有限公司为中国气象科学研究院研制的相控阵天气雷达工作于X波段，采用一维相扫全数字阵列体制。雷达主要参数见表1所示。

3 传统天气雷达回波强度的定标

天气雷达作为现代气象重要探测手段之一，探测结果的精确性对于气象预报、大气研究都具有重要的意义。为了提高雷达的探测精度气象雷达都必须进行定标，而通过工程技术手段控制实际的回波强度与雷达气象方程计算的理论值之间误差的过程就是雷达系统的定标。

传统的气象雷达定标过程是用机内信号源（或机外）注入功率为-90dBm至-30dBm的信号Pr，在距离r为5到200km范围，检验回波强度的测量值。通过技术方法控制信号处理实际得到的反射率因子与通过Probert-Jones 1962给出的雷达气象方程计算得到的理论回波反射率之间的误差对雷达进行定标。

当雷达波束投射到云、降水粒子上时，云、降水粒子就产生散射现象。其中向后方散射的一部分散射波重新回到雷达天线处，并在雷达显示器上显示出各种图像，这就是所谓的雷达回波。而雷达回波的强度不仅取决于雷达系统各参数的特性，而且和被观测的云、降水粒子的性质有关，还与雷达和被观测目标之间的距离以及其间的大气状况有关。要想依据测定的回波强度去推断降水粒子的物理性质，必须排除这些中间无关因素的影响。常规的气象雷达通过引用Probert-Jones在1961年推导出的雷达气象方程，建立了雷达回波强度与气象观测目标之间的对应关系：

式中，Pr为回波功率；Pt为发射功率；h为有效照射深度；G为增益；θ1水平波束宽度；φ1垂直波束宽度；λ代表波长；R观测距离；m为复折射指数。

4 影响相控阵天气雷达回波强度定标的因素

数字阵列相控阵天气雷达具有更高的数据时间分辨率和更精细的空间分辨率，同时其对降水估测也更为准确，与传统雷达相比其还可以承担多种任务，比如实现航路监测与追踪等。全数字阵列天气雷达无疑是未来气象雷达发展的重要方向，但是它在气象观测领域的研制与应用在我国尚处于起步阶段，许多问题还有待进一步研究。对于全数字阵列相控阵天气雷达Probert-Jones提出的雷达气象方程有如下相关量发生了变化：

波束宽度，其波束宽度不再是定值，而是随着偏离天线法向方向角度的变化而变化。

雷达增益，和波束宽度相同，其天线增益也不是固定不变的，也是随着偏离天线法向方向的角度而变化。

脉冲压缩的影响，为了提高雷达的作用距离同时又保证其分辨率，相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术，其得益如何在雷达气象方程中体现，也需要考虑。

考虑到上述的几个问题，相控阵天气雷达作为一种全新体制的天气雷达，其定标方法也需要重新确立。

5 相控阵天气雷达方程

当采用“习惯单位”并以对数形式表示，考虑大气衰减等因素时，相控阵天气雷达方程为：

式中，λ为雷达工作波长（单位：厘米）；cosθ为垂直波束宽度相扫修正；Pt为发射机输出峰值功率（单位：千瓦）；τ为发射脉冲宽度（单位：微秒）；θ0和φ0分别为水平波束宽度和法线方向垂直波束宽度（单位：度）；GP为实际脉压得益；GT为发射天线增益；GR为接收天线增益；L∑为系统损耗；R为雷达到目标的距离（单位：千米）；Lat为双程大气损耗。

6 强度标定的工程实现

相控阵雷达计算机终端通过数字波束形成（DBF）控制校正T/R发出模目信号（如图1所示），模目信号经校正网络、数字T/R、DBF到信号处理机处理后发送至计算机终端，终端计算实际脉压得益GP。实际脉压得益GP的计算公式为：GP=SNb-SNf，式中，SNf为脉压前信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩前的信噪比（如图2所示）；SNb为脉压后信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩后且在FFT变换前的信噪比（如图3所示）。

图1 相控阵天气雷达强度标定原理图

图2 脉压前信噪比图

图3 脉压后信噪比图

雷达计算机终端控制校正T/R发出多个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号，经校正网络、数字T/R、DBF到信号处理分别生成回波信号强度值送至计算机终端，终端将各个回波功率值与其相对应的信号强度值生成强度定标测试表，并通过最小二乘法将该表拟合生成强度曲线y，y=a*Pr+b

式中，xi代表输入的多个回波功率值；yi代表与输入的多个回波功率值对应的实测强度值；n为回波功率值的个数。

在雷达正常工作时，雷达天线接收回波信号，经裂缝天线送给数字T/R转化为数字I/Q数据后，送信号处理机处理，生成回波信号强度值至计算机终端，终端根据生成的强度曲线y反算出回波功率Pr，将得到的回波功率Pr的值代入修正后的的雷达气象方程中，得出雷达反射率因子dBz的值。

7 结束语

综上所述，针对相控阵天气雷达的强度定标问题，先测量实际脉压得益GP，再根据多个实测值通过最小二乘法将实测值拟合生成强度曲线y，最后反算出回波功率Pr和雷达反射率因子dBz。本文根据实际雷达研制的工程实践经验，改进了传统的雷达气象方程，设计了特定参数的获取方式和方法，并且制定了相控阵天气雷达强度定标的特有的实施步骤、测试过程，该方法贴合工程实际、简单实用、易于推广且定标精度高。

[1] Probert-Jones, J. R., The radar equation in meteorology. Quart. J. Roy.Meteor. Soc., 1962， 88：485–495.

[2] 朱庆明．数字波束形成雷达研究述评[R]．信息产业部电子第38研究所，1999

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[4] 张培昌，杜秉玉，戴铁丕．雷达气象学[M]．北京：气象出版社，2001.1

[5] 张光义，赵玉洁．相控阵雷达技术[M]．北京：电子工业出版社，2007.11

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Study on Phased Array Weather Radar Echo Intensity Calibration

Wang Xudong, Bian Zhenwen
(Anhui Sun-create Electronics Co., Ltd., Hefei, 230088)

Phased array technology becomes an important tendency in improving the ability of radar detection in future, China is leading the world in phased array radar research. The weather radar requires quantitative measurement of echo intensity, with the application of phased array technology in weather radar, phased array weather radar calibration has become the urgent needs to be dealt with, A X band phased array weather radar echo intensity calibration method from the engineering research are discussed in this paper.

phased array; weather radar; echo intensity; calibration

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.004

TN95文献标示码：A

1672-7274（2017）10-0011-03