MaXPol雷达及在人影探测业务中的应用

姚振东 佘勇 杜雨洺 李建 王烁 苏德斌

（成都信息工程大学，中国气象局大气探测重点实验室，成都 610023）

0 引言

2013年7月，世界气象组织（WMO）人工影响天气研究专家委员会主席报告指出，全球42个国家开展人工影响天气的云播种计划[1]，这些工作在人工影响天气工作及科研方面产生了积极影响。2018年，WMO关于全球增雨活动的报告，提出了各种气象雷达在人工增雨工作中的重要作用，并给出了有关测量参数的使用方法[2]，是人工影响天气的作业决策和效果评估的重要依据。事实上，自20世纪80年代使用多普勒天气雷达开始，相关领域学者及专家对雷达测量降水和多普勒速度的性能与业务运行方法进行了研究和归纳[3]。到1983年，从NCAR的CP-2改造雷达首次获得了双偏振观测数据以来[4]，Bringi博士和V. Chandrasekar博士对双偏振天气雷达的电磁波探测机理、数据处理以及应用等问题一些研究进行了综合论述[5]。随后的三十多年，对双偏振天气雷达在大气观测中的应用，双偏振雷达的研制与多普勒天气雷达的双偏振升级，以及双偏振天气雷达的标定与数据质量控制等开展了大量研究工作，并且取得了丰硕的研究成果，同时对双偏振天气雷达的生产和应用起到了更好、更有效的促进作用，使得该领域显示出十分繁荣的景象。2019年，在Radar Polarimetry for Weather Observations一书中[6]，作者对双偏振天气雷达在天气系统观测的宏微观特征量度进行了全面总结。综上，双偏振雷达可以实现降水目标分类（HCA），定量测量降水（QPE），水凝物微物理特征检测（如雨滴谱Raindrop Size Distributions，雪粒子谱Snow Size Distributions），云和降水中液/固态含水量测定（LWC/IWC），中尺度强对流（MCSs）信标指示（如龙卷、超级单体），非气象目标信标指示（如虫/鸟生物信标、烟柱－森林火灾信标、沙尘信标、火山灰信标等）。考虑到在一定信噪比条件下，相位与幅度无关的特点，差分传播相移率成为降水衰减补偿与部分波束遮挡补偿的依据；利用双偏振观测参数可方便地识别与处理地杂波与海杂波。

人工影响天气工作很大程度上是对云的观测结果进行推断后开展的。因此，云雷达也是人影工作中重要的观测设备。云雷达采用Ka波段或W波段工作，有垂直指向与扫描两种观测方式。在测量参数上，目前，云雷达一般采用多普勒参数测量（ZVW）模式，并行收发（STSR）的双偏振参数（Zdr，ρHV，KDP）测量模式，以及单发双收的双偏振参数（ρHV，LDR）测量模式三种。云雷达也具有HCA、LWC/IWC、融化层识别等功能。双偏振扫描云雷达几乎全部采用“天线—收发—处理”一体化结构，即收发与处理部件全部安装在天线上，实现免旋转关节运行，最大程度地减少系统本身带来的误差。同时，在一定程度上，云可以近似看作大气运动的示踪物，由此可以测量大气垂直气流速度。

由于大气运动对人工影响天气作业（特别是烟炉催化模式）效果具有决定性的影响作用，因此用来测量大气运动的风廓线雷达仍然是人影工作中重要的观测设备。但是，我国目前使用的风廓线雷达，仍然存在一些需要解决的问题，如动态范围不足，根据国外经验需要至少105 dB的动态范围，以克服菲涅尔镜式反射以及降水回波等原因可能导致的接收机饱和问题，这要从硬件设计上考虑解决方法；抑制各种杂波干扰，包括射频干扰、地物污染、昆虫与飞鸟这类间歇杂波等，小波杂波滤波法是优先解决方案[7]。智能峰值检测算法可在时频域处理以及不同波束回波中找到大气回波[8-10]，极大地缓解观测的无回波区。这样，数据质量得到良好的控制。配合电声探测系统（RASS），直接得到的风廓线与虚温廓线。通过信号处理算法，可分离强降水回波资料，扩展雷达输出产品。

双波长双偏振多普勒雷达（D3R），可以观测到更多的参数，其双波长比已经用于水凝物的相态识别中[11]。甚至可以利用不同水汽含量的大气对不同波长的衰减程度差异来观测反演大气湿度[12]。

篇幅原因，本文不再涉及这些内容。

随着天气雷达研究及应用的深入，近年来，国际上生产天气雷达的公司，如位于美国的EEC公司、Prosensing公司，德国的Gematronik公司等，已将原定几乎全面转向全固态雷达的发展方向，重新设定成固态雷达增强发射功率、磁控管雷达接收相参双偏振配置的格局。还有一些公司，如美国的Baron公司、Ridgeline公司，德国的Gamic公司以及意大利的ELDES公司等，致力于研制、生产磁控管双偏振多普勒天气雷达。由于这种雷达采用天线、收发系统与信号处理器等一体化的结构，避免了由于天线运动而引起的馈线性能变化，实现了低成本的双偏振雷达中，双通道幅相平衡问题，显现出高性价比的优势。

美国、加拿大、德国、意大利、韩国等发达国家，以及巴西、印度这类发展中国家，将X波段长寿磁控管双偏振多普勒天气雷达作为气象业务雷达网的补充（补盲雷达），或用于气象灾害监测与跟踪、火山灰与沙尘暴等的监测与跟踪、甚至森林火灾的监测与跟踪等工作中[13-17]。表1给出了当前一些典型天气雷达的特点。

表1 天气雷达类别、用途与特征Table 1 Weather radar classification, application and characteristics list

事实上，MaXPol雷达在内陆地区试用，其性能已基本满足要求。但如果在沿海，并遇到像台风这样的强降水天气过程，其发射功率显得有些力不从心，观测距离会降低至30 km左右。这种情况，就需要像德国的Gematronik公司和美国的EEC和Baron公司那样，将发射功率提高到200～300 kW的水平才能表现出较好的性能。

鉴于探测物理量优先和数据质量优先的原则，本文主要讨论在WXR-MD-10多普勒天气雷达[18]基础上，参考目前全球力推的X波段长寿磁控管双偏振多普勒天气雷达设计理念所研发的MaXPol雷达[19]的结构、性能与直接观测结果及其价格优势。

1 MaXPol雷达简介

1.1 原理与结构特点

MaXPol雷达在参考国外先进的X波段雷达，如美国Prosensing公司的XPol，Baron公司的Gen3，ARC公司的X波段雷达和Redgline公司的RXM-25（由WMO认可，全球唯一的标准双波长双偏振多普勒天气雷达CHILL的X波段原型的独立脱离设计而成）等雷达，以及德国Gamic公司的GMWR-50DP，Gamatronic公司

的METEOR 60DX，意大利ELDES公司的WR-25XP等雷达的实用化和基于高数据质量要求的设计理念，沿用其磁控管雷达收发单元灵巧，可置于天线俯仰平台上的设计方法，避免系统因观测需要，发生方位俯仰转动，从而引起旋转关节及其他长距离微波传输馈线（波导）系统的参数变化而导致的系统测量误差；使用接收相参脉冲雷达制式，通过先进而可靠的数字信号处理技术，获得良好的相参接收效果；采用结构简单的同发同收（STSR）水平（H）/垂直（V）双线偏振工作模式，以获得高质量多普勒参数（Z，V，W）和双偏振参数（Zdr，ρHV，φDP或KDP）的测量结果。

MaXPol为英文Magnetron X Band Dual-Linear Polarization Weather Surveillance Radar的缩写，意为磁控管X波段双偏振多普勒天气雷达。其原理和结构示意如图1。该雷达按照功能分成了3大部分：天线及支撑平台部分是雷达的核心，雷达控制室部分是必须的辅助部分，运行（作业指挥）中心是应用场景。雷达控制室的计算机主要用途是检查和监控，可以省略；如果空间有限，或雷达控制室与运行中心相隔很近，二者是可以合二为一的。

图1 MaXPol雷达原理（a）与结构图（b）Fig. 1 Block scheme and structural scheme for MaXPol

雷达工作流程描述如下。

发射过程：数字信号处理器产生参差频率的触发脉冲，并控制磁控管发射机工作于所需脉宽，形成50 kW大功率微波输出。该输出经过3 dB功率分配后形成两路各25 kW的功率微波信号，通过定向耦合器和环流器，由天线发射出去，实现水平与垂直偏振探测。同时，两个发射通道通过各种的正反向定向耦合器，采集发射与接收功率，数字化后被用来检测发射功率与驻波比，以评估两个发射通道的各自性能与平衡度，同时提供发射样本的中频信号。

频率跟踪：通过对发射中频样本进行瞬时测频，控制频综（FS）产生一个与磁控管频率（f0）多出1个中频频率（IF）的稳定本振信号（fL），即fL=f0+IF。

接收过程：雷达天线接收到的水平（H）和垂直（V）偏振回波信号，经各自的环流器和限幅器后进入微波中频模块。在这里，回波信号首先被两个高增益低噪声放大器放大到合适的电平，再被两个单边带混频器下变频为H和V偏振中频信号。

数字下变频：上述中频信号被数字中频接收机（IFD），以采样频率fs直接数字化为数字中频信号，然后被使用频率为IF的复本振信号的数字下变频器（DDC），下变频为复基带信号Ih/Qh和Iv/Qv。发射中频样本也被数字下变频为IT/QT。由于是数字信号处理，DDC在信号处理器（DSP）中实现。

数字式接收相参处理：复基带信号（IT+jQT）包含了磁控管工作的频率漂移和随机初相；利用它，与回波信号（Ih+jQh）和（Iv+jQv）进行一种专门的特殊处理，可消除磁控管不稳定造成的影响，获得全相参系统类似的相参性能，输出相参复基带信号。

信噪比提高：使用相参积累技术，获得处理增益，提高信噪比。发射脉宽为τ（其带宽BW=，可获得10×log10）的信噪比改善，既提高了灵敏度，又扩展了动态范围。

接收性能最优化：利用瞬时噪声功率检测技术，来自动选择系统工作在不同时间、方位、仰角以及太空中噪声的状态下的处理阈值，随时获得最佳信噪比。

地物杂波处理：可选择使用时域滤波、或频域高斯模型自适应滤波（GMAP，只考虑幅度信息）、或杂波环境分析自适应滤波处理（ CLutter Environment ANalysis using Adaptive Processing filter，CLEAN-AP算法，同时考虑幅度与相位），获得最佳地物、超折射杂波处理效果。信息提取：采用时域相关矩估计算法和频域谱分析算法，提取多普勒信息（Z，V，W）；在时域上对双通道复基带信号（IH+jQH）和（IV+jQV）进行幅度和相位的处理，获得双偏振参数（Zdr，ρHV，φDP或KDP）。

1.2 性能指标

吸收并本土化国外发达国家先进的雷达标定方法，以硬件参数测量为基础，以小雨法、太阳与地物结合法、标准目标反射法等[20-21]，来对雷达进行标定，效果完全堪用。

收发机性能可通过仪表进行测量，这也是我国每年CINRAD雷达巡检需要完成的工作。但是，由于条件限制，天线的指标往往只能靠厂家测定。由于天线旁瓣电平、H/V的平衡和隔离度直接决定了双偏振雷达的性能[22]，使用中检查天线性能是很必要的。地物杂波测量结果比对法是一种简单可行的方案。

2019年3月25日中国气象局观测司发布了《X波段双线偏振多普勒天气雷达系统功能规格需求书（第一版）》，该书虽然没有完全参照WMO的相关指标要求，但是给出了雷达设备应达到的基本条件。

图2给出了在测量量程范围内，MaXPol雷达的设计性能。实际观测中，验证了雷达测量性能的裕量。

图2 MaXPol雷达测量范围内的性能Fig. 2 SNR (means Sensitivity) of MaxPol in measurement range

1.3 距离模糊识别能力

MaXPol雷达可选用3∶2、4∶3和5∶4的参差脉冲重复频率，在75 km距离档，不模糊速度达到55.7 m·s-1，在150 km距离档，不模糊速度也能达到约28 m·s-1。因此，在测量距离挡位，速度模糊问题基本不会出现。

图3a给出了75 km距离档的距离模糊实例。实际目标在150 km距离档清晰可见。在75 km距离档观测时，由于参差重复频率的关系，在两个距离上显示该目标。2∶3参差重频的周期分别是516.6 μs和774.9 μs，其模糊距离分别为77.5 km和116.2 km。133至144.5 km距离的目标，模糊位置是133-77.5=55.5（km）至144.5-77.5=67 （km）；以及133-116.2=16.8（km）至144.5-116.2 = 28.3（km）。

图3b为150 km档的距离模糊实例，由于距离已经超过150 km，不再加以分析。

图3 MaXPol雷达具有距离模糊识别能力Fig. 3 The MaXPol radar is with the ability of identifying range folding

1.4 差分相移模糊处理

差分传播相移模糊是因为在径向，电磁波传播过程中，垂直偏振与水平偏振的累计相移差超过了±180°而引起折叠。由于全球业务雷达多属S波段，长的波长不太容易引起差分相移的折叠。因此不太容易见到这方面的描述。

MaXPol是X波段雷达，这种雷达比起S波段来，同样含水量的降水，引起的差分传播相移要大3倍。因此，X波段双偏振雷达是比较容易出现差分传播相移模糊的。图4是MaXPol雷达出现差分传播相移模糊的两个实例。

图4 MaXPol雷达在2020年测量中出现的差分相移模糊实例Fig. 4 Folding examples of differential phase in radar measurements by MaXPol in 2020

因为差分传播相移率的估计是以差分传播相移为基础的，一旦出现模糊，将引起其差分传播相移率的极大误差。根据天气系统存在连续性的本质，采用连续性原理，可以实现差分传播相移模糊的检测与校正。这是以360°为周期的解模糊处理，是一种比较简单的判断和运算。

2 MaXPol雷达对人影典型作业天气中的观测

2.1 三个偏振参数表达的物理含义

差分反射率Zdr表示目标粒子在统计意义上的形状,与降水粒子的尺寸和轴比有关。它是区别冰晶、雪花、霰、雨滴、冰雹、虫/鸟、烟囱以及风电支撑杆等目标的重要参数之一，也是粒子谱和含水量等计算的重要参数之一。

共极化0阶相关系数ρHV是一个被H/V各自幅度归一化后的互功率。归一化的结果就是这个参数在规则目标形状时，取值趋于1。因此，在单一降水目标情况下，该参数接近于1；在混合目标情况下，则明显降低。非球形、变姿态的目标，该参数的测量会变得很低。

这个参数表示目标粒子在两个偏振方向上的统计意义的相关性。它是区别单一类型与混合类型降水的重要标志；也是龙卷、沙尘暴、火场烟柱（舌）等的专门识别标志。在粒子分类中作用重大。

差分传播相移（率）是双偏振雷达定量测量降水考虑的最重要参数。由于在一定信噪比条件下，相位与幅度无关的特性，从理论上考虑，这个参数与降水率成正比，是最合适的含水量测量的依据。由于信噪比降低，会引起这个参数的退化，弱回波的情况将使该参数变得恶化。

差分传播相移的估计稍为复杂，如图5所示，说明了差分传播相移的成因。由于降水系统中所有雨滴的形状在水平垂直两个方向上的差异，其介电常数也有差异，水平垂直偏振电磁波传播速度随着发射变化，引起各自移相φh和φv的差异。

图5 差分传播相移（率）的测量考虑Fig. 5 The measurement of (specific) differential phase shifts

2.2 降雨观测及原始回波分析

首台MaXPol雷达于2019年9月2日完成了威宁县气象局（人工影响天气办公室，海拔高度约2200 m）落户安装。在稍后的2019年9月10日15：32（北京时）的观测中，获得了图6的观测结果。该次观测未使用距离订正，使用3∶2脉冲重复频率。从图6a可见，如果考虑距离订正因素，全部降水区域反射率因子应该在40 dBz左右。西方出现空白区域，是因为该方向安装有一台WXR-MD-10多普勒雷达造成遮挡的缘故。从图6b可见，在强信噪比处（反射率因子回波图可知），相关系数接近于1，说明本次降水属于单纯降雨过程。在低信噪比位置，相关系数被退化到0.7以下[23]。从图6c可见，降水过程自东南向西北方移动。其中，在东南向15 km左右位置，出现了速度模糊的情况，其原因是该图的显示是未使用速度退模糊算法，而仅使用516.6 s的周期估计速度的缘故（模糊速度约15.5 m·s-1）。从图6d可见，降水过程雨滴较大，在西南方约50 km处，出现大雨滴的情况。从图6e可见，降水过程中，含水量比较均匀，因为差分传播相移的变化率（即KDP）比较均匀。

图6 大面积降雨观测结果（a—e）Fig. 6 Observations of rainfall in large range (a-e)

另一次强降水实例为2020年6月17日的一次降水过程。观测时间21：33，方位129.2°，使用距离订正的RHI。距离约25 km处，雷达RHI回波在离地面2 km高度回波区域出现55 dBz较强降水回波，在同样位置上，相关系数接近于1，表明该区域为单一降水（雨），差分反射率Zdr数值极大（约4.5 dB），表明降水粒径很大，差分传播相移随距离方向变化明显，表明其含水量较高。这些特征符合强降水标志。35～42 km更远距离处的第2个回波，由于电磁波受到第1个回波区降水的衰减影响，其强度已经降低。其差分反射率也同样受到影响。通过差分相移（率）可以补偿这些衰减[24]，通过编制程序来实现。

2.3 降雪观测及原始回波分析

2020年3月10日，MaXPol在威宁首次观测到降雪。时间00：06，仰角3.7°，PPI观测结果如图7所示。降雪回波不强，最强约35 dBz，多数在25 dBz左右；相关系数ρHV在高信噪比（强回波）区时接近于1，低信噪比（弱回波位置）被退化降低；差分反射率和差分传播相移较为均匀。圈起部分出现差分反射率增大和相关系数减少的情况，说明降雪过程在该处伴随降雨且雨滴较大。

图7 降雪过程的观测结果Fig. 7 Presentation of dual-polarization variables in snowfall

3 结论

通过双偏振多普勒天气雷达的基本物理量及双偏振信息，如反射率因子Zh、差分反射率Zdr、相关系数ρHV、差分传播相移φDP，能够得到降水粒子的大小、形状和相态等微物理信息，能够有效地进行强对流天气的监测及预警，有助于人工影响作业时间及位置的判断，提高人工影响天气作业质量。

MaXPol通过一年多的试运行，显示出了较好的双偏振观测能力，其分辨力、灵敏度以及稳定性得到了考验；雷达观测数据可靠，但定性分析回波不能满足实时人影作业指挥要求，基于软件的识别与定量计算是提高效率和实时应用的关键；转化理论模型为软件实现算法是智能处理的核心工作。

致谢：本文撰写得到了贵州省威宁县气象局（人影办）、成都亘波雷达科技有限公司提供的观测数据与雷达结构的帮助，作者在此一并表示感谢。