X波段双极化相控阵天气雷达金属球定标技术

雷卫延，路永平，王明辉，周嘉健，甘泉

（1.惠州市气象局，广东惠州 516003；2.广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

目前粤港澳大湾区已建成由25部X波段双极化相控阵天气雷达组成的灾害性天气精细化监测网，时空分辨率分别达到1 min和30 m，可有效弥补S波段天气雷达对局地中小尺度强对流天气监测的不足，在防御暴雨、雷雨大风、冰雹等发挥了积极作用，为防灾减灾争取了更多的时间。但目前对X波段双极化相控阵雷达尚未健全定标技术规范，偏振量数据质量难以保障，因此迫切需要开展相控阵雷达定标试验，研究能满足业务要求的定标技术，尽早投入业务使用，发挥雷达效益最大化。国外研究人员Sachidananda等［1］于1985年提出Zdr测量精度不应低于0.2 dB，理想精度最好是0.1 dB；Ryzhkov等［2］于2005年的研究结果表明，0.2 dB的Zdr偏差将导致雷达利用Zdr进行降水估测产生18%的误差，高精度探测是成功实现双极化雷达气象应用的前提；李斐斐等［3］、胡东明等［4］研究分析了双线偏振天气雷达双通道一致性测试及标校方法；刘黎平等［5］、汪旭东等［6］、程张凡等［7］对X波段相控阵天气雷达测试定标方法开展了一定研究；李兆明等［8］对使用金属球定标X波段固态天气雷达开展研究，取得初步结论。

目前国内外双极化雷达定标方法主要有太阳法、金属球法、小雨法、信号源法等，业务中使用的S波段双极化雷达具有完善的自动定标系统和技术规范［9-10］，由于X波段双极化相控阵天气雷达近几年才投入使用，相对而言国内外对其定标研究文献较少，本研究利用无人机悬挂金属球开展双通道强度一致性定标研究，试验结果表明：使用无人机悬挂金属球定标方法切实可行，能够满足技术规范要求。

1 金属球定标原理

雷达定标用的金属球（图1）对电磁波的散射是向空间各个方向传播，后向散射截面与波长的关系是已知的，其半径大小的选取与雷达波长有关，使后向散射位于几何光学散射区域，即后向散射截面仅取决于金属球半径［6］。

图1 雷达定标用金属球

根据天气雷达方程，对于已知雷达目标，回波强度可采用公式（1）计算。其中，Pr为回波信号功率（W）；Pt为雷达发射脉冲功率（W）；R为回波距离（m）；λ为雷达工作波长（m）；G为天线增益；Gr为接收通道增益；σ为目标的雷达反射截面积RCS（m2）。金属球作为探测目标引起的差分反射率Zdr理论上为零值，因此使用金属球定标雷达实测Zdr值，即为雷达差分反射率系统误差，检验系统误差是否满足＜0.2 dB的指标要求。如果超出指标范围，利用参数订正使雷达Zdr小于0.2 dB，实现雷达从发射、接收、数据处理等全链路的系统定标，确保雷达观测数据质量。

2 无人机飞行轨迹设计

相控阵雷达的主瓣方向即3 dB波束宽度在垂直剖面上对应一个椭圆区域，借助无人机上的定位设备，通过控制无人机使所携带的金属球大致处于上述椭圆区域，由于雷达的目标定位和无人机的位置定位有一定的误差［11］，需要移动金属球扫描一段区域，雷达观测到金属球反射信号的最大值时金属球所在的位置［12］，即刚好处于雷达主瓣方向，并以该位置作为基准点设计无人机飞行轨迹，如图2所示。

图2 无人机金属球定标示意图

雷达定标使用宽度为1μs的雷达短脉冲，考虑到雷达观测盲区约为200 m，定标时应避开雷达盲区，标定时金属球距雷达天线选择300 m左右为宜。当雷达发射波束衰减25 dB时，主瓣宽度为±2°，第一旁瓣宽度为±2.6°，利用三角关系计算得到第一旁瓣距离雷达法线约13.6 m。为减少无人机对定标的影响，利用20 m的系留细绳悬挂金属球，使无人机远离雷达第一旁瓣，此时无人机的影响可以忽略不计。无人机带动金属球以基准点为中心在12 m×12 m正方形范围内呈方波运动，以5个等间距运动为一个循环，最后一次上升到顶部后不做水平移动，原路下降重新回到最左面第一个起点位置，以此类推每个运动周期约90 s，金属球运动轨迹示意图如图3所示。

图3 金属球运动轨迹

3 定标实施方案

选择无风或小风的天气开展金属球定标，以减少金属球剧烈运动对定标的影响。按照雷达正常业务观测模式，按照第2章无人机飞行轨迹策略，每个体扫周期90 s雷达共采样7 200个点，每个采样点包含32个脉冲累计。

雷达水平和垂直收发通道的阻抗均为固定值，因此回波功率可以通过电压信号来反算，二者一一对应，成正比关系。如图4所示，纵坐标代表电压信号，横坐标代表采用点数，当金属球做垂直运动时，上升和下降会穿过雷达主波束中心，电压信号先增加后减小，产生①、③、⑤、⑦峰值功率极大值；图形中两个方波的宽度代表金属球在两个垂直运动之间的平移，由于远离主波束中心此时产生②、④、⑥功率极小值；最后一个上升和下降是原路径，无水平移动，所以两个峰值⑨、○1间距较近。

图4 实测电压信号最大值曲线

当金属球经过雷达主波束中心时，电压大于特定阈值0.05 V为有效数据，分别计算水平和垂直通道所有有效数据的平均值，以此计算差分反射率Zdr。针对水平和垂直回波信号功率计算公式（1），回波距离可以通过无人机的定位系统计算出来，综合考虑雷达盲区和无人机承载因素，金属球到雷达天线阵面中心的距离应大于200 m，但又不易太远；雷达的工作波长、天线增益在出厂前已经过测试，为已知量；雷达观测目标金属球直径选定为13.8 cm，金属球的RCS与极化方式无关，可采用公式（2）计算。其中，r为金属球的半径（m）。由此计算得知定标用的金属球的RCS为0.015 m2。

4 定标过程

2020年1—10月在广州多次开展金属球定标试验，试验数据如表1所示。

表1 金属球定标试验结果 dB

定标方法：首先不升空金属球，雷达依次选定0°、5°、10°、15°仰角对空气进行360°扫描，测试周围环境噪声和地物杂波情况；其次选择不受外界干扰的方向，按照无人机预先设定飞行策略，金属球距雷达天线约300 m的位置，依次对不同仰角开展定标。如表1所示，在1—10月开展的多次定标过程中花都、帽峰山、南海3部雷达在仰角为0°方向上存在遮挡，数据跳跃比较大，定标数据不可信；而花都、帽峰山、南海、番禺4部雷达在仰角为5°、10°、15°方向上无外界干扰，Zdr平均值均表现稳定，波动范围＜0.2 dB，标准差均满足＜0.1指标要求。

根据表1可知番禺雷达10°仰角Zdr平均值为-0.308 8 dB，超出＜0.2 dB的指标要求。一次雷达金属定标过程如下，修正前Zdr值偏差为-0.54 dB，分布如图5a所示；经过参数修正再次进行定标Zdr值偏差为-0.072 dB，分布如图5b所示，表明通过金属球定标法能够使雷达Zdr指标满足业务规范要求。

图5 修正前（a）和修正后（b）Zdr概率分布

5 结论

通过开展X波段双极化相控阵天气雷达金属球定标试验，对天线、发射通道、接收通道、数据处理等全链路一致性进行测试分析，对不同的仰角进行定标，对超出指标要求的仰角进行修正，得到如下结论：

1）开展金属球定标时，应选择无风或小风的天气进行，每个仰角均应选择无环境噪声和地物杂波干扰的方位作为测试方向。

2）对广州4部雷达现场定标试验进行分析，0°仰角容易受到地物干扰，数据波动大，定标结果不符合要求，金属球定标存在一定的弊端。对5°、10°、15°等仰角开展金属球定标，Zdr标准差均小于0.1 dB，波动范围均小于0.2 dB，表明定标结论可信，超出指标的仰角经过参数修正，Zdr平均值均能满足＜0.2 dB的指标要求。

从定标结果来看，绝大多数雷达定标结果都能满足指标要求，仅个别雷达的某个仰角超出误差范围，建议每年开展一次金属球定标业务。