X波段一维扫描有源相控阵天气雷达测试定标方法

刘黎平 吴 翀 汪旭东 葛润生

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081)2)(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)3)(安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088)



X波段一维扫描有源相控阵天气雷达测试定标方法

刘黎平1)2)*吴 翀1)汪旭东3)葛润生1)

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081)2)(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)3)(安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088)

该文根据有源相控阵天气雷达的体制特点，参考多普勒天气雷达测试定标方法，提出了一维扫描有源相控阵天气雷达的测试和定标方法，将测试重点放在天馈系统、T/R组件、脉冲压缩、动态范围的测试和定标上，以解决不同观测模式、不同波位的天线增益等参数变化引起的回波强度测量误差问题。测试结果表明：天馈系统在不同观测模式下的天线参数随仰角的变化情况、波束指向的准确度、T/R组件的动态范围等均符合设计要求，回波强度和径向速度定标精度较高。雷达经过测试和定标后，于2014年5—8月分别在安徽定远和四川甘孜进行外场试验，并与附近多普勒天气雷达(SA)和C波段双线偏振雷达观测数据进行对比，结果表明：回波强度误差在合理范围内，精细测量、警戒搜索、快速观测3种模式观测的强回波的水平和垂直位置、结构和系统误差均比较一致，数据可靠。

有源相控阵天气雷达； 回波强度； 测试定标

引 言

天气雷达的测试和定标是保证雷达探测数据质量的关键[1]，针对多普勒天气雷达和风廓线雷达，提出了测试和定标方法[2-6]。多普勒天气雷达具有完善的自动标定系统，可有效改善因发射功率、接收机噪声系数、动态特性曲线、相位噪声等参数变化对定量测量的影响，测得的回波强度、径向速度、速度谱宽信息较为准确。目前，相控阵技术已逐渐应用于天气雷达领域，其测试与定标技术也成为该体制雷达的研究方向之一。根据不同体制，相控阵雷达分为无源相控阵雷达和有源相控阵雷达。有源相控阵雷达由多个T/R组件构成，每个T/R组件均能独立完成电磁波的发射和接收，该体制下雷达的工作效率、波束控制和可靠性优势明显，但也存在造价昂贵、工艺复杂等不足。而无源相控阵雷达仅有1个发射机和接收机，分别通过由移相器组成的馈线网络连接至阵面天线，虽然性能不及有源相控阵雷达，但其价格相对便宜、性能优于常规体制的雷达。21世纪初，美国先后研发了1部大型二维相扫的无源S波段相控阵试验站(NWRT-PAR)和1部车载一维有源X波段相控阵天气雷达(MWR-05XP)，并应用于龙卷和强对流的精细结构和演变的探测中，验证了相控阵天气雷达的探测能力[7-11]。其中，NWRT-PAR采用了无源相控阵体制，使用了1块美国海军退役的SPY-1无源阵列天线及1部WSR-88D的发射机，并由水平机械伺服系统完成360°方位扫描。美国这两部相控阵天气雷达均采用了脉间变化扫描角度的方式，以提高回波信号的非相关性，从而减小方位平均对数的方法，降低获取独立样本数的积累时间，以缩短雷达观测时间[12-13]。

我国也在军用情报雷达的基础上改造了1部S波段车载相控阵原理机和1部X波段机载相控阵天气雷达，并进行外场试验，分析相控阵天气雷达的探测效果[14-18]。有源相控阵体制的天线结构复杂、T/R组件众多，每个组件性能的波动均会对探测结果产生影响，该体制下天气雷达的测试和标定是雷达测量精度评估的重要问题。但国内外关于相控阵天气雷达测试和标定的方法研究还较为缺乏，特别是对于宽波束发射多波束同时接收的观测模式，其测试和定标方法的复杂程度远过超现有的多普勒天气雷达。

2014年中国气象科学研究院与安徽四创电子有限公司合作研发的X波段有源相控阵天气雷达(XPAR)采用了数字波束形成技术，实现了宽脉冲发射14层仰角同时接收的观测方式，大大提高了雷达的观测效率，是一种全新的快速扫描模式。该雷达于2014年5—8月在安徽省定远县和四川甘孜县进行了对流过程的三维结构观测。由于该雷达使用了有源阵列天线、128路全数字T/R组件，不同工作模式下波束宽度和收发增益各不相同，这对于雷达的测试和定标提出了挑战，同时也成为保证该雷达探测精度的重要环节。吴翀等[19]提出了基于S波段相控阵天气雷达的气象雷达方程，其中涉及阵列天线的参数、脉冲压缩的影响等标定因素。目前，国内外尚没有针对多种波束宽度和探测模式下一维相控阵天气雷达的测试和定标方法。

本文根据XPAR发射、接收和多种观测扫描模式的特点，参考多普勒天气雷达测试定标方法，提出了一套有源相控阵体制的测试定标方法，结合雷达出厂验收的测试资料和2014年外场试验资料对该方法的定标效果进行了分析，以解决不同波束宽度模式下多波束扫描的回波强度和径向速度测量精度问题。

1 XPAR结构特点和主要指标

与常规体制的机械扫描天气雷达相比，XPAR的天线馈线、发射和接收系统的体制不同，扫描模式也存在差异，因此，定标和测试方法的改进是必要的。图1给出了XPAR结构示意图。

机械扫描的抛物面天线的波束宽度、增益是固定的，传输部分的损耗基本通过出厂测试后以常数处理。而XPAR采用了裂缝波导平面阵，不同的裂缝天线以21.2 mm为间隔等距排列，以满足波束宽度小于1°的设计要求，XPAR的天线增益、波瓣宽度等随扫描角度的变化而变化，同时，不同观测模式的发射和接收状态的天线参数也不同，这是XPAR测试定标的一个重点。因此，在XPAR的定标过程中，不能使用类似常规天气雷达的固定波束宽度和收发增益，而需对各波形在不同波位处的实际天线性能进行测试，将实际收发增益、波束宽度代入雷达方程。

图1 XPAR系统构造简图Fig.1 System frame diagram of XPAR

机械扫描雷达只有1个发射机和接收机，均安放于雷达后端的机柜中，分别通过波导管、转换开关等传输装置与抛物面天线连接，对应的测试定标方法相对较为容易。而XPAR采用的128个T/R组件均能独立完成发射和接收功能，每个T/R组件发射功率为8 W，发射带宽为3 M的线性调频脉压信号，脉宽为33 μs，脉压比为100:1，距离副瓣不大于40 dB。作为分布式系统，XPAR设置了专用的校正网络，用于在运行中检测T/R的性能并调整各个通道的相位一致性。同时，在XPAR出厂验收时需对所有T/R的发射、接收通道的性能进行详细测量，并测试雷达整机的动态特性用于强度定标，XPAR的数字阵列模块与信号处理间通过近似无损的光纤连接，损耗计算时主要考虑连接波导和DAM内部的影响。从阵面传送回的128路T/R的采样数据还需由数字波束形成系统完成波束的合成，然后由脉冲压缩器完成数字脉冲压缩，在定标测试时需对加权波形和脉压比进行实际检查和测试以保证合成的精确性。最后，完成合成和脉压的信号将送至信号处理，通过数字视频积分(DVIP)和快速傅里叶变化(FFT)分析得到回波强度、径向速度、速度谱宽数据。

为了满足不同时空分辨率的探测需求，XPAR设计了3种波形的VRHI(由多个RHI组成的体扫)扫描模式，不同波形下的雷达发射、接收增益和波束宽度等均会发生变化，具体参数见表1。其中，精细测量模式(Fine Mode，简称FM)使用了波束宽度约1°的窄波束收发扫描，这与常规天气雷达非常相似，在电扫描的控制下可从0.5°仰角顺序扫描40层至39.5°，天线的发射、接收增益均高于44 dB，能够获得较高的资料质量。警戒搜索模式(Guard Mode，简称GM)则使用了宽度为20°的赋形波束发射，14路以VCP11垂直分布的约1°窄波束同时扫描14层，观测效率大为提升，但该模式下不同波位的天线发射增益根据目标的等探测高度灵敏度设计(分布于15～36 dB)，观测资料的精细程度不及精细测量模式。快速观测模式(Quick Mode，简称QM)则使用了4°展宽波束发射、4路约1°窄波束接收的方式，虽然展宽波束的发射增益较窄波束偏低约10 dB，但在与精细测量相同的波位分布下将扫描效率提升了3倍，是兼顾扫描效率及数据质量的一种模式。为此，要针对这些扫描模式分别进行测试定标。

表1 XPAR 3种模式扫描参数Table 1 Parameters of XPAR for three work modes

注：*表示该参数为2014年测试及外场试验使用值。

2 XPAR测试方法

由以上分析可以看出，XPAR结构、发射和接收的特性和扫描模式造成了其与常规机械扫描雷达的显著差异。这样的差异主要来源于阵列天线及其对应T/R组件理论性能与实际值间的波动，在实际应用中不仅反映在垂直方向各个波位处的定位精度、波束宽度和天线增益上，还对分布式系统的稳定性及其整机回波强度、径向速度的标定产生影响。因此,根据XPAR的这一特性，本文提出了XPAR的阵列天线增益、波束宽度及其扫描指向的测量方法，各个T/R组件发射功率、噪声系数及其动态范围等测试方法。

为了保证整个测试过程具有较高的准确性，采用的测试仪器如检波器、示波器、功率计、频谱仪等均与多普勒天气雷达的测试基本一致，并进行严格定标。相控阵天线使用中国电子科技集团公司第38研究所的大型微波暗室进行测量，方位和增益的精度满足定标需求。

2.1 阵列天线性能的测试

XPAR采用全数字T/R组件及数字波束形成系统，理论上可在一维平面内得到任意需求的收发波形。为了验证雷达的体制并完成初期的测试工作，目前XPAR仅使用了3种较易实现的观测波形，3种波形在不同波位处的增益变化各不相同。为了确保裂缝波导平面阵列天线在波束形成中的准确性，将天线安放于近场微波暗室对3种收发状态进行近场测量。测试过程中，测试探头与被测阵面天线相距110 mm，在近区范围内进行逐行扫描，并将被测天线接收到的近场幅度、相位文件通过近/远场变换处理软件转换为该天线的远场波瓣图等对应的参数，得到的天线方向见图2。

图2a～图2c分别对应了XPAR在赋形波束下、展宽波束下和窄波束下的发射波束方向图。其中，窄波束的波束宽度为0.6°，在其半功率宽度内近似呈高斯函数，方向性系数为46.9 dB， 3种模式中副瓣电平最低，若将0.5 dB的波导损耗和0.4 dB的负载损耗考虑在内，精细测量模式在阵面法向处的发射增益为46.0 dB，符合不低于46 dB的设计要求。相比之下，展宽波束的波形与高斯函数并非完全一致，其主瓣内部的增益存在1～2 dB的波动差异，需按实测值订正，同时4°的波束宽度更宽，分散的能量也造成了副瓣电平的明显升高，经过计算快速观测模式下的发射增益为37.7 dB。而对于覆盖0°～20°的赋形波束，其波形与传统抛物面天线的分布完全不同，是以等探测高度灵敏度设计的增益随仰角升高而降低的方向性函数，实测发现在1.2°仰角处天线得到最大增益38.9 dB，随着仰角继续升高，赋形波束的增益明显降低，8.2°仰角后天线的增益均已小于30 dB，在19.5°时的最低增益为16.5 dB，达到了该模式的设计指标。

图2 XPAR归一化方向图(a)GM模式发射波形，(b)QM模式发射波形，(c)FM模式发射波形，(d)0°仰角的接收波形，(e)-9.5°仰角的接收波形，(f)9.5°仰角的接收波形，(g)19.5°仰角的接收波形，(h)29.5°仰角的接收波形Fig.2 Normalized directivity diagram of XPAR(a)emitting waveforms for GM,(b)emitting waveforms for QM,(c)emitting waveforms for FM, (d)receiving waveforms for elevation of 0°,(e)receiving waveforms for elevation of -9.5°, (f)receiving waveforms for elevation of 9.5°,(g)receiving waveforms for elevation of 19.5°,(h)receiving waveforms for elevation of 29.5°

由于3种模式的接收波束的波形均为单波束，同时测试了各模式的接收波束在0°，-9.5°，9.5°，19.5°，29.5°处的接收波束方向(见图2d～图2h)。由于阵列天线的预仰角为10°，当波束的扫描角从-9.5°变化至29.5°时，实际仰角由0.5°增至39.5°。在阵面法向，测试得到接收波束宽度为0.9°、增益为45 dB，符合设计的要求。随着扫描角远离阵面法向，根据均匀线阵的扫描特性，理论上天线增益、波束宽度将以 (cosθ)-1为参数而恶化，电扫描的实现方式也可能造成接收波束主瓣与设计值的偏差，进而影响云的结构和云高的探测，表2给出了接收波束宽度和指向的理论与实际的对比值。

通过对比可以发现，接收波束的实际定位准确，与理论值完全一致。由于波束宽度测试的最小步进为0.05°，实测波束宽度与理论值差异控制在该范围以内，考虑到雷达在水平方向使用了机械伺服系统，其机械扫描方位角均方根误差测试为0.10°。另外，除记录下波束形状、波束宽度、副瓣电平、波束增益等收发参数外，波导损耗、负载系数等技术参数也一并测试记录，上述参数均将用于雷达的标定中。

表2 XPAR接收波束指向测试Table 2 Test of receiving waveform of XPAR

2.2 数字T/R发射特性的测试

对于有源相控阵体制的XPAR，由128个数字T/R组件完成分布式的发射和接收，T/R性能的一致性直接影响了雷达整机的探测能力。因此，在测试过程中，需对雷达的每个数字T/R组件进行详细检测。其中，使用了耦合器、检波器、数字示波器、功率计及频谱仪对T/R组件的发射脉冲宽度、脉冲重复频率、单元峰值功率以及发射信号的带宽、系统改善因子进行测试。

按照图3的流程图连接测试系统，将电源、时钟信号、一本振、二本振信号分别输入数字阵列模块中的各T/R组件，通过终端产生的控制电平将T/R设置于发射模式。在发射脉宽、脉冲重复频率的测试中，将数字示波器分别与30 dB耦合器和检波器连接，测得T/R的脉冲宽度、脉冲重复周期，并计算得到对应的脉冲重复频率。在发射功率的测试中，将功率计与耦合器连接，通过实测的单元输出计算T/R的峰值输出功率。对于发射信号的带宽测试，可将与T/R连接的频谱仪的中心频率设置为雷达工作的9.37 GHz、带宽和扫描时间设置为10 MHz和1 s，则T/R的实际带宽为发射信号在3 dB衰减间的频率差。另外，发射信号改善因子的测量需先通过频谱仪测得该信号的信噪比，并根据相应的公式计算得出。考虑到XPAR在装配过程中所有的T/R组件均已调试完毕，验收测试时按要求对1个数字阵列模块(DAM，含16路T/R组件)进行抽测，抽测结果见表3。由抽测组件的实际性能可以看出，所有T/R的发射指标差异很小，均达到了指标要求。

图3 数字T/R组件测试流程图Fig.3 Test process chart of digital T/R component

通道脉冲宽度/μs发射功率/W带宽/MHZ改善因子/dB135.48.253.0260.35235.78.703.0258.89335.79.823.0259.16435.79.263.0461.07535.79.223.0258.32635.69.193.0258.85735.78.873.0159.12835.79.523.0160.11935.78.823.0258.871035.68.493.0260.831135.79.573.0259.791235.79.063.0260.591335.78.193.0259.911435.78.643.0259.941535.78.823.0259.121635.79.243.0260.18指标要求33.3≥83≥55

在XPAR的实际运行中，无法使用示波器、频谱仪等设备测试，因此，雷达的阵面天线上设计了一套校正网络与数字T/R组件连接，用于发射和接收过程中的T/R组件校正。该网络由波导馈线和128个耦合器构成，在雷达发射过程中采取分时自检的校正方式，逐一对各通道的相对幅相一致性做严格的修正，幅相精度已达到0.3 dB和0.5°，可以满足-40 dB副瓣电平的要求。

接收机的性能高低直接影响着雷达的探测能力，考虑到XPAR的每个T/R组件均能独立完成接收、下变频、A/D采样的工作，验收时同样抽取5个组件进行测试以验证其性能的一致性。在测试及实际观测过程中，首先通过校正网络同时对所有T/R组件进行接收自检校正。随后将信号源模拟出的不同强度回波信号注入单个T/R接收机的前端，使用频谱仪在二中频(50 MHz)处读取信号输出功率，记录间隔为1 dB(见图4a)。采用最小二乘法对记录的输入功率及对应的输出进行拟合，得到该T/R接收机的动态特性曲线。选择实测值与特性曲线两端差异差高于1 dB的两点作为T/R组件低端的拐点和高端的饱和点，饱和点和拐点所对应的输入信号功率的差值为单个T/R组件的线性动态范围。

图4 数字T/R组件动态特性曲线 (a)抽查的5个单T/R组件动态曲线，(b)系统动态曲线Fig.4 Dynamic characteristic curve of digital T/R component for single T/R(a),for total system(b)

图4a给出了5个T/R组件抽测的实测动态特性，可以发现,这5条曲线靠得非常近，5个T/R组件的线性度基本一致，但不同T/R组件对应的输入功率范围有一定差别，而对于同样的输入功率其输出值也不完全一致，统计得到该差异最大为2.0 dB。进一步计算得到5个T/R组件的线性动态范围，分别为78，76，72，72 dB和68 dB。

考虑到雷达使用了分布式收发系统，其128个数字T/R构成阵列天线的接收到信号功率是仅有单路接收机系统的1/128，XPAR的整机动态范围理论上可在单个T/R的基础上再扩展10lg128(约21 dB)，达到90 dB以上。因此，将标准信号源的模拟信号经数控衰减器和校正网络后馈入128路T/R组件的接收机，测量不同功率输入时的实际输出值，记录间隔为2 dB，得到结果见图4b。测试发现，整机线性度依然很好，上下拐点分别对应于-18.3 dBm，-105.91 dBm，计算得到整机的动态范围为87.61 dB。可见，不同T/R间存在的性能差异对整机性能产生了直接影响，导致实测动态范围与理论值存在一定差异。

3 XPAR定标方法

3.1 回波强度定标

由于XPAR采用了分布式固态T/R组件，为了提高雷达的发射功率和灵敏度，需使用数字脉冲压缩和数字波束形成技术对128路A/D信号进行加权处理，再由信号处理得到回波强度等数据。根据雷达设计，采用了33 μs的宽脉冲发射，线性调频压缩至0.33 μs，脉压比为100，理论得益为20.0 dB。在强度定标时，首先将信号源的模拟信号经校正网络注入至T/R，终端读取脉冲压缩前后的信噪比差值为18.9 dB。而对于数字波束形成体制对所有T/R组件的输出作加权合成得到最后的结果，使用监控终端的自检控制功能对其数字波束形成、DVIP处理、FFT处理的实际参数进行检查，确保处理运算的准确性。

受阵列天线和T/R组件的特性影响，有源相控阵雷达方程及其计算方法更加复杂，见式(1)。对于机械扫描的常规天气雷达，其天线发射和接收增益Gt和Gr、水平和垂直方向波束宽度θ和φ、系统损耗L∑可在出厂前测试中得出，通常发射和接收增益一致，两个方向的波束宽度也一致，并且在观测中基本保持不变；标准大气损耗Lat、脉冲宽度τ、雷达工作波长λ固定，通过发射功率和接收机动态曲线的测试可完成发射功率Pt和回波功率Pr的定标，脉压得益Gp为0，代入距离R即可算出对应的回波强度。而对于XPAR，其发射功率、脉压得益、脉冲宽度来自于数字T/R的测试结果，雷达的水平垂直波束宽度、天线收发增益、系统损耗L∑取自天线暗室内各个波位的测试结果，接收输入端回波功率根据图4a中的系统定标曲线查表得到，仅工作波长λ、脉冲宽度τ、大气损耗Lat为定值。

L∑+1.56+Pr+20lgR+R·Lat。

(1)

考虑到XPAR分别使用了3种观测模式，雷达终端分别建立了3套数据表以存放各波位的波束宽度和收发增益。在处理时根据数字波束形成系统计算出的波位号，终端将自动找到该模式下对应波位的增益、波束宽度数据，代入雷达方程中。

经过护理干预后,83例患者中的总满意例数为80例,护理满意度为96.38%;不满意的患者例数为3例,不满意度为0.36%。

为了检验经上述步骤后XPAR回波强度的定标精度，使用机内线性调频信号源发出的-84.3～-24.3dBm模拟信号，经校正网络注入至128个T/R内，通过接收和信号处理后计算出距离25～100km范围内的回波强度测量值，该测量值与注入信号所对应的理论值之间的差异将作为回波强度的测量偏差度，该方法与CINRAD/SA的标准标定方法基本一致。在测试过程中，控制各个波位均得到一组记录数据，其中，10°仰角处的单波束模式和19.5°处的多波束模式下DVIP标定精度见表4。

表4中单波束模式下测量偏差最高为0.98dB，而多波束模式的最高差异为0.55dB，其测量精度均符合XPAR的设计指标。

表4 XPAR DVIP回波强度定标精度Table 4 Calibration accuracy of reflectivity for DVIP of XPAR

3.2 径向速度定标

与多普勒天气雷达径向速度定标类似，XPAR的径向速度由回波的多普勒频移计算得到，因此，使用机内信号源的标准信号注入接收机用于定标。虽然稳定的测试信号不论在信号强度，还是随机变化性等方面无法模拟出实际气象信号的特点，但目前只能采用这种方式进行径向速度的测试，定标结果与实际径向速度的测量存在一定差异是正常的。在单重复频率测速精度的测试过程中，通过改变注入信号的频率，由该频率与雷达发射频率的差计算出理论速度值V1，并与雷达速度实测量值V2进行比较，得到测速定标差ΔV。而对于双重复频率模式，该注入信号的频移调整在单重复频率附近，使用10个点的双重复频率模式与单重复频率模式的测量值比较，以检验测速展宽能力。测试时，分别进行了64点脉冲积累下的单脉冲重复频率径向速度定标误差、双脉冲重复频率的径向速度的定标误差。频率改变范围为±900 Hz，对应的径向速度的改变为±14.41 m·s-1，脉冲重复频率分别采用了单频900 Hz 和双频900，600 Hz(3:2)。结果表明：单频的最大误差为0.06 m·s-1，双频的最大误差为0.09 m·s-1，误差很低。

需要说明的是，目前我国多普勒天气雷达还没有针对速度谱宽的测试定标方法，考虑到该XPAR的信号处理方法与多普勒天气雷达一致，所以本文也没有对速度谱宽进行测试。

4 XPAR外场数据验证

2014年5月，XPAR完成了出厂验收并在安徽省定远县(117.44°E, 32.55°N, 81 m)进行了外场测试，同年7月又在四川省甘孜县气象局(31.62°N, 100.00°E, 3356 m)开展了外场试验工作。为了验证雷达测试定标的准确性，将XPAR使用多波束的快速观测模式和警戒搜索模式与单波束的精细测量对比，验证多波束内天线参数标定的准确性。同时也使用安徽省人影办在定远张桥镇的一部C波段双线偏振雷达(CPOL) (32.34°N, 117.64°E, 28 m)和附近的合肥多普勒天气雷达(SA) (31.87°N, 117.26°E, 165 m)与XPAR单波束的精细测量模式对比，验证整机雷达常数的标定效果。考虑到XPAR，CPOL和SA的扫描模式和站点位置并不相同，无法直接与XPAR建立联系，对比时通过雷达位置经纬度先将CPOL，SA的资料由极坐标转换为大地坐标，再与XPAR的站点位置匹配计算出XPAR在该点对应的极坐标，从而将不同站点的数据处理到XPAR的格点上，形成虚拟的相同位置观测资料。另外，CPOL和SA均采用VPPI(由多个PPI组成的体扫)的扫描方式，而采用VRHI的XPAR则更注重垂直方向的扫描，这在分析过程中将不可避免遇到时间分辨率的差异，对比时选择稳定的层状云降水过程可将上述影响降至最低。

图5分别给出了2014年5月24日、2014年7月10日 XPAR在定远和甘孜使用3种扫描模式得到的3.5°仰角水平结构，并给出了定远的CPOL和合肥的SA雷达在相同时刻的观测结果。由图5可以看出，CPOL与SA雷达的回波位置、结构及其强度基本一致，而XPAR在相同位置下的回波分布出现了一定的偏少现象，考虑到雷达工作于X波段，是降水衰减造成了结构的细微差异。进一步统计发现，5月24日XPAR的精细测量模式的观测强度较CPOL和SA雷达分别偏强3.20 dB，0.70 dB。沿强回波中心(图5中红色实线部分)对应的315°，280°方位角作出垂直剖面图，并与相同时刻XPAR采集的快速观测模式、警戒搜索模式数据对比，见图6。

图5 2014年5月24日11:24—11:32安徽定远 XPAR精细测量、快速观测、警戒搜索模式与CPOL及安徽合肥SA雷达观测的回波强度的PPI结构对比及2014年7月10日18:45—18:54四川甘孜XPAR精细测量、快速观测、警戒搜索模式观测的回波强度PPI的对比(仰角：3.5°；相邻距离圈间隔为15 km)Fig.5 Reflectivity PPI observed by XPAR with FM,QM,GM and by CPOL at Dingyuan and SA at Hefei in Anhui Province during 1124—1132 BT on 24 May 2014 and reflectivity PPI observed by XPAR with FM, QM and GM at Ganzi in Sichuan Province during 1845-1854 BT on 10 Jul 2014(elevation:3.5°; the distance between adjacent circles is 15 km )

图6 同图5，但为图5红线标注方位角的垂直结构Fig.6 The same as in Fig.5,but for reflectivity RHI along the azimuths marked in Fig.5

图6中XPAR使用单波束的精细测量模式的垂直结构清晰地反映出层状云降水的零度层亮带现象，定远站XPAR观测的亮带高度约为4.5 km，较CPOL和SA雷达观测结构更加精细，而在甘孜观测的高原层状云降水的零度层偏低，高度约为2 km。对于使用展宽波束的快速观测模式，其所得结果与精细测量类似，但偏低的灵敏度造成弱回波的有效探测范围均一定程度降低。对于使用赋形波束的警戒搜索模式，其灵敏度最低、回波结构仍不够均匀，不仅难以得到零度层以上的降水回波，同时较高的副瓣还会在多山地形下引入地物引起的副瓣回波。

与2013年的首次测试[14]相比，XPAR 2014年4°展宽波束与单波束的探测差异明显降低至±1 dB之内，以4°波束宽度为周期的规律性变化很小，而20°赋形波束的偏差稍大，最高为1.87 dB。图7将XPAR 3种模式下径向速度相互对比，发现除灵敏度的差异外其数值几乎一致，可见3种模式均能准确探测速度数据，径向速度的测量精度较高。由于定远外场试验中XPAR距离双线偏振雷达约29 km，无法在PPI中将两者的径向速度数据直接对比，因此,选择两部雷达站点连线方向进行廓线分析。在图8的径向速度、速度谱宽的径向廓线对比中，XPAR的探测数据与双线偏振雷达基本一致，其速度和谱宽的测量偏差分别为0.37 m·s-1，-0.31 m·s-1。考虑到XPAR波束宽度更窄、距离该块降水回波也更近，不同采样体积的条件下,上述测量偏差是可以接受的。

图7 2014年5月24日11:24—11:32安徽定远 XPAR精细测量、快速观测、警戒搜索模式观测的径向速度的PPI结构对比及2014年7月10日18:45—18:54四川甘孜XPAR以精细测量、快速观测、警戒搜索模式径向速度观测结果的对比(仰角：3.5°；相邻距离圈间隔为15 km)Fig.7 Ridail velocity PPI observed by XPAR with FM, QM, GM at Dingyuan in Anhui Province during 1124-1132 BT on 24 May 2014 and the PPI observed by XPAR with FM，QM and GM during at Ganzi in Sichuan Province 1845-1854 BT on 10 Jul 2014(elevation:3.5°;the distance between adjacent circles is 15 km)

续图7

图8 XPAR精细测量模式及CPOL沿2.5°仰角、319°方位角的径向速度和速度谱宽廓线Fig.8 Variations of radical velocity and spectrum width along range direction for azimuth of 319° at elevation angle of 2.5° observed by XPAR with FM and CPOL

5 结 论

中国气象科学研究院与安徽四创电子有限公司合作研发了X波段一维扫描有源相控阵天气雷达，该雷达经过测试和定标后，于2014年5—8月分别在安徽定远和四川甘孜进行外场试验。本文针对XPAR天线、T/R组件、观测扫描方式的特点，提出了一维相扫、有源、多波束接收体制下的相控阵天气雷达的测试和定标方法，并使用测试资料和外场试验资料,对雷达定标效果进行分析，得到如下结论：

1) 该测试定标方法参考多普勒天气雷达测试定标方法，并针对XPAR多波束接收等观测特点，测试重点为天馈系统、T/R组件、脉冲压缩等测试和定标，以解决不同观测模式、不同波位的天线增益变化引起的回波强度测量误差问题。

2) 分别使用微波暗室、机内信号源、功率计、频谱仪等设备对XPAR各部分模块进行了详细测试，发现阵列天线的性能符合设计指标，128个数字T/R的一致性较高，回波强度和径向速度定标精度比较高，并可在雷达观测过程中利用校正网络对发射和接收性能进行实时测试。该雷达主要性能指标基本达到设计要求。

3) 使用2014年的外场试验数据对定标精度进行分析发现，XPAR在1°单波束下回波强度的测量精度最高，4°展宽波束和20°赋形波束的测量偏差均控制在±2 dB内，与临近的机械扫描的CPOL和SA对比，回波结构合理，回波强度误差在合理范围内，且不同观测模式的XPAR径向速度偏差比较小，观测模式变化对径向速度探测影响不大。

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Test and Calibration Methods for X-band Active Phased-array Weather Radar

Liu Liping1)2)Wu Chong1)Wang Xudong3)Ge Runsheng1)

1)(StateKeyLaboratoryofSevereWeather,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)2)(CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044)3)(AnhuiSun-createElectronicCoLtd,Hefei230088)

A mobile X-band phased-array meteorological radar (XPAR) is developed by State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, and Anhui Sun-create Electronics Limited Company. The XPAR scans electronically in elevation while scanning mechanically in azimuth, transmits radar wave with wide beam width (about 20° in vertical direction and 1° in horizontal direction) and receives 14 beams simultaneously. As reflectivity calibration is key technique for the active phased-array radar application in meteorological observation, the testing and calibrating method for the XPAR is investigated according to characteristics of the transmitter/receiver (T/R) the multi-beam work mode. The test and calibration focus on the antennas, T/R, purse compress and the variations of gain and beam width with the angle of the antenna beam in respect to the normal of the array face, in order to reduce the observation bias introduced by different modes. After calibration, the XPAR is used to observe 3-D structures and evolutions of convective precipitation in field experiment at Dingyuan of Anhui Province and Ganzi of Sichuang Province from May to August in 2014. The data of an S-band operational radar (SA) and a C-band polarization radar (CPOL) nearby are used to examine the observation capability of the XPAR. Results show that the antenna gain and its variation with the scanning angle, the beam direction, dynamics ranges of T/R are in conformity with the design. The transmitter and receiving characteristics for 128 T/R are similar. The calibration bias for reflectivity and radial velocity measurement are less than 0.98 dB and 0.1 m·s-1, respectively. Variations of T/R parameters in observation are watched and corrected by the correcting network. Comparing with the SA and CPOL, the bias of reflectivity in Fine Mode is less than 1 dB, the biases for Guard Mode and Quick Mode are less than 2 dB, and the velocity observed in three modes are accordant very well. The bias of reflectivity and radial velocity by XPAR are reasonable. The horizontal and vertical structures of precipitation observed by 3 radars are similar. And calibration results provide basis for quantitative measurement of the XPAR.

X-band active phased-array weather radar; reflectivity factor; calibration method

国家重点基础研究发展计划(2012CB417202)，国家自然科学基金项目(41175038,91337103)

10.11898/1001-7313.20150201

2014-10-31收到， 2015-01-12收到再改稿。

* email: lpliu@cams.cma.gov.cn

刘黎平，吴翀，汪旭东,等. X波段一维扫描有源相控阵天气雷达测试定标方法. 应用气象学报，2015，26(2)：129-140.