天气雷达定标、测试与故障诊断技术发展与趋势

回顾70年来天气雷达发展历程,对比国内外天气雷达保障技术现状,从天气雷达定标、测试与故障诊断技术发展与趋势阐述国内天气雷达保障技术需求。国内单极化天气雷达定标技术形成了规范化、标准化的操作方法和流程。双通道一致性和极化隔离度是双偏振天气雷达定标技术的重要指标,国外双偏振天气雷达定标技术已经成熟,重点在双偏振天气雷达数据质量控制;国内双偏振天气雷达定标技术在太阳法、小雨法、标校平台(源)法、无人机定标技术等方面不断深入研究,探索相控天气雷达定标技术对加快我国天气雷达系统技术发展和促进业务化应用有重大意义。国外天气雷达测试与故障诊断技术已经向智能化、远程化方向发展。国内天气雷达测试与故障诊断技术早期依赖于人工和经验,目前处于传统技术与智能化诊断技术交替时期。国内研制的天气雷达标准输出控制器系统和天气雷达测试与故障诊断平台使得天气雷达系统测试与故障诊断技术水平跃升到一个新的台阶和高度——集成化、模块化和智能化。依托虚拟仪器和软件算法的智能化诊断技术提高了天气雷达测试与故障诊断的效率、准确性,以及系统的"自适应性"和"智能性"是主要的发展趋势。未来智能化天气雷达技术不断发展,天气雷达系统固态化、智能化水平较高,将对天气雷达的定标、测试和故障诊断技术带来新的挑战。     

中国双偏振天气雷达系统发展综述

回顾了近30年来中国双线偏振天气雷达的研究进展,着重从雷达数据质量控制和雷达偏振参量的测量精度两大方面进行详细叙述。阐述了目前主要通过提高双偏振天气雷达的系统性能,降低系统误差,抑制雷达地物杂波,来提高雷达数据质量和测量精度,而双通道一致性和极化隔离度是双偏振天气雷达系统最主要的性能指标;描述了双偏振天气雷达系统及其产品应用新进展。     

CINRAD/SA&SB回波强度定标故障的诊断分析和解决方法

根据CIRAD/SA、SB雷达接收机特点,论述了回波强度定标相关的接收机测试通道、信号主通道以及发射机测试信号流程。根据多年天气雷达技术保障经验,详细论述了回波强度定标故障的诊断分析方法,总结出回波强度定标故障诊断流程,并列举了根据诊断分析方法和诊断流程,排除了由接收机测试通道、信号主通道、发射机射频泄露信号引起的回波强度定标故障的三个典型个例。体现了故障诊断流程在新一代天气雷达技术保障的重要作用,为新一代天气雷达技术保障提供借鉴。     

双偏振天气雷达水平和垂直通道回波对比

本文针对南京溧水S波段双偏振多普勒天气雷达获取的回波I/Q信号,采用FFT算法处理水平和垂直通道I/Q数据,分别得到水平和垂直通道回波的强度、速度值,定性分析了两通道回波强度、速度数据差异,引入平均差及均方根误差参数做定量分析。对比结果表明:两通道I/Q数据处理得到的回波层次分布基本一致;两通道速度数据差异较小,强度数据差异较大。以水平通道回波数据为基准,当回波强度小于16 dBz时,水平通道强度偏小,这可能是由云系边缘较小的针状冰晶所致;当回波强度大于32 dBz时,水平通道强度值偏大,且随回波强度的增加两通道强度差值增大,这反映了强降水中大粒子较多,而粒子越大,降落过程中扁平程度越大;两通道回波强度的差值与回波强度大小呈现一定相关性,这可能反映了单偏振天气雷达在定量测量降水中精度不高,通过双偏振雷达联合利用两通道数据有望改善雷达定量测量降水精度,提升雷达定量估测降水能力。     

X波段双偏振雷达在冰雹和强降水天气识别中的初步应用

文章利用X波段双偏振雷达,通过分析差分反射率因子、差分传播相移和零滞后相关系数等双偏振参量特征,识别了呼和浩特地区两次强对流天气过程,并与对应时刻的地面雨滴谱观测资料进行对比,检验了识别效果。从个例分析结果来看,此X波段双偏振雷达具有较好的识别效果,当雷达回波强度大、差分传播相移小且差分反射率因子和零滞后相关系数也较小时,产生冰雹的可能性较大;当差分反射率因子值较大,差分传播相移高且零滞后相关系数接近1时,由大粒子组成的强降水天气的可能性大。同时,雨滴谱仪的天气现象识别、粒子谱连续监测和高频率数据采集等特征,在双偏振雷达的冰雹和强降水天气识别检验中提供了重要的数据支撑。     

双偏振天气雷达同时收发模式的一种改进方法

目前,双偏振多普勒天气雷达的同时发射方式受到了普遍关注,作者针对该方式中偏振参量差分反射率存在较大误差的问题,研究了双发射通道相位差与差分反射率精度的关系,以及双通道发射功率差、接收机增益等对差分反射率的影响.在此基础上,给出了双偏振同时发射方式的一种改进方案,并讨论了该方案的优势和特点,设计了双偏振多普勒天气雷达同时发射方式下回波信号的处理框图.     

双偏振天气雷达旋转关节对差分反射率因子测量结果的影响

旋转关节的质量在很大程度上影响了双偏振天气雷达双通道信号的一致性,由于现实生产工艺中旋转关节在结构上的不对称,造成双偏振天气雷达差分反射率因子(Z_(dr))的系统偏差随方位角和俯仰角发生变化,极大地影响了利用雷达数据进行定量估测降水及相态识别的精度。文章利用南京信息工程大学C波段双偏振天气雷达机内信号源的连续波输出对该雷达的方位旋转关节和俯仰旋转关节造成的Z_(dr)测量误差进行了检测,结果表明旋转关节对双偏振天气雷达Z_(dr)的测量结果有一定的影响,综合VCP扫描模式及RHI扫描模式的结果得出旋转关节造成的影响较为稳定,为进一步利用雷达数据进行旋转关节误差订正提供了一定理论支撑。     

双偏振相控阵雷达与业务雷达的定量对比及观测精度研究

相控阵天气雷达突破了全机械驱动天线天气雷达的时空分辨率瓶颈,能够提供更加快速、精细的观测资料。但阵列天线存在性能参数随扫描角偏离法向而恶化的情况,使相控阵雷达定量测量存在困难。本文针对中国华南地区最新布网的双偏振相控阵天气雷达,通过与当地S波段业务雷达在相同区域内的定量对比,评估了反射率因子差分反射率因子的误差量级及其随扫描角、观测时间的变化趋势。研究结果表明,相控阵雷达反射率因子的误差不大、约0.82 dB,而差分反射率因子的误差则高达1.04 dB,并且不同仰角、不同时刻之间也存在一定的波动。为此本文提出了基于S波段雷达实时数据的订正方案,能够较好地解决双偏振相控阵天气雷达的定标问题,为相控阵雷达的业务应用提供了保障。     

新一代双偏振天气雷达(CINRAD/SAD)精细化探测技术

新一代双偏振天气雷达在暴雨、台风等灾害性天气监测和预警中发挥了重要的作用。随着气象现代化发展以及预报时效性、精细化度的要求不断提高,S波段新一代双偏振天气雷达已不能充分满足发展过程迅速的中小尺度天气系统的研究、预警。气象雷达的时空分辨率对探测强对流过程中小尺度结构有重要作用,提高天气雷达时空分辨率是精细化探测技术的关键,本文着重从新一代天气雷达的时空分辨率、体扫方式等方面,通过对天气雷达脉冲重复频率、信号处理方法及扫描方式等进行改进,提高新一代双偏振天气雷达对中小尺度气旋和龙卷风等灾害性天气的探测能力,以获取快速变化的天气过程精细化特征,获得更新更快、分辨率更高的观测资料。     

X波段双偏振雷达探测数据分析与校验

保证移动X波段双偏振多普勒天气雷达在野外探测中雷达探测数据源的正确性,是预报员开展后续应用研究的重要前提。简要分析了差分反射率、相关系数、差分传播相移与差分相移系数的理论意义,同时结合多次观测经验,重点研究并验证了各双偏振产品在纯降水中的数值,研究双偏振参数对雷达硬件故障的指示意义,确保在探测时及时发现硬件故障与差损,提高探测数据质量。讨论了双偏振参数自测试校验,进行水平通道与垂直通道参数偏差校验,确保在探测之前获得双偏振通道的一致性。     

基于交叉〖CDF*2〗平行法的双偏振雷达差分反射率硬件定标

双偏振天气雷达具有改善测雨精度及识别降水粒子相态的能力,但其系统自身有可能会对差分反射率因子（ZDR）的测量精度产生明显的偏差,从而降低气象产品的可靠度。美国利用升级为双偏振的WSR 88D进行了大量试验,认为需要校正传输信号在发射和接收通道路径上引起的差异。本文根据其试验报告,以我国研制的车载C波段双偏振多普勒雷达作为试验平台,对比分析后得出产生ZDR系统误差的主要来源为：发射通路、接收通路与天线支路。因此,使用交叉与平行法消除测试信号及设备产生的差异影响,对3部分路径重要节点进行测量并计算出水平、垂直两通道的相对偏差值,进而订正ZDR。其中,天线支路偏差值长期稳定,可相应减少测量次数;发射、接收通路的偏差值会随设备运行产生随机变化,需定期进行测量。以体扫模式最高仰角下的干雪为自然目标物的方法来验证定标的效果,结果表明此方法可较好地订正ZDR的系统误差,为今后偏振雷达业务应用提供了一套消除ZDR系统误差的有效方法。     

CTL 713C多普勒天气雷达数字接收处理系统故障诊断分析

通过分析CTL-713C多普勒天气雷达数字接收处理系统硬件构成及工作原理,结合硬件状态指示介绍了该型雷达数字接收处理系统的正常工作状态。将CTL-713C多普勒天气雷达数字接收处理系统分成信号处理器、数字接收机、连接三类故障进行诊断,根据终端显示和系统硬件状态指示综合判断相应类型故障的处理方法,通过焦作CTL-713C多普勒天气雷达数字接收处理系统故障实例分析和诊断结果对处理方法进行了验证,并对雷达数字接收处理系统的故障诊断方法和原则进行了总结。     

双发双收双偏振天气雷达差分反射率工程标定方法

分析了利用小雨、太阳、边界层顶的Bragg散射、地物等外界目标对双偏振天气雷达差分反射率(Zdr)进行标定的原理和局限性,介绍了一种可以在线获得发射机、接收机和天线引入的Zdr偏差的工程标定方法,并提出了一种提高Zdr测量精度的方法,即在每个脉冲重复周期,实时测量每个通道的发射功率耦合测试信号和气象目标回波信号在接收机数字中频的输出值,用于补偿发射功率和接收机增益的变化。该文介绍的两种工程标定方法可用于水平通道和垂直通道同时发射同时接收的双偏振天气雷达系统,能够满足在线实时标定的业务运行要求。     

CINRAD/SB雷达回波强度定标调校方法

回波强度定标和调校方法是保障CINRAD/SB回波强度测量精度的关键技术,方法不当会导致回波强度测量误差增大,直接影响雷达定量估测降水产品的可靠性。为了满足回波强度测量误差在±1 dBZ范围内的技术要求,根据雷达气象方程,通过对CINRAD/SB接收机测试通道、主通道、天馈系统相关影响回波强度测量误差的因素进行分析,提出了从接收机动态范围和雷达参数调整、线性通道增益定标目标常数定标,到测试通道参数调整的回波强度定标工作流程。总结出以线性通道增益定标目标常数定标为基准,采用测试通道参数测量法或基准法调校,以保证发射功率和接收机动态范围变化导致的回波强度测量误差得到在线实时校正,提高了CINRAD/SB回波强度测量精度。从接收机测试通道、主通道、天馈系统及发射功率4个方面,给出了回波异常的分析和诊断流程。并提出在接收机保护器前端增加机外信号注入口和定标信号功率检测功能,以利于机内外回波强度定标对比校准和消除测试通道参数变化导致回波强度测量误差的建议。     

相控阵天气雷达监测预警龙卷风的过程剖析

天气雷达作为龙卷风监测预警的重要手段之一,应用具有超高时空分辨率的X波段双极化相控阵天气雷达系统,较好地捕获并提前预警龙卷风。以2022年6月19日07时发生在广东佛山南海的一次龙卷风为例,详细剖析龙卷生消及雷达监测预警过程。借助雷达智能预警软件,利用X波段双极化相控阵天气雷达的双偏振量和超高时空分辨率数据,实时反演三维风场和分析龙卷碎片(TVS)特征,能够显著提高龙卷风监测预警水平。实例表明,本次成功地提前18分钟预警龙卷,进一步说明了X波段双极化相控阵天气雷达在强对流天气探测方面具有较强的生命力。     

双极化天气雷达的工作模式与极化隔离度

双极化天气雷达主要有两种工作模式,即同时发射同时接收模式和交替发射同时接收模式。比较了两种工作模式在谱参数估计精度、速度测量范围、地杂波抑制、信噪比等方面各自的优势和不足,并分析了天气雷达中的退极化现象及其对差分反射率产品的影响;以线性退极化比为例,讨论了极化参数的测量误差对双极化天气雷达系统极化隔离度的要求。理论分析和计算表明,精确的极化测量对双极化天气雷达的极化隔离度提出了非常严格的要求。     

713雷达的双线偏振改装

本文介绍了将713天气雷达改为双线偏振雷达的方法。即在713雷达上增加一只大功率微波开关,将天线馈源改为双通道,提高雷达发射机的脉冲重复频率和加设必要的数据处理系统后,使713雷达具有双线偏振探测能力。文中对各主要部件的技术指标亦作了介绍。     

天气雷达移动测试保障平台自动智能化测试设计及实现

针对天气雷达固定测试平台存在无法完成雷达系统、分系统关键参数测试；便携式移动测试平台不具备对雷达自动控制功能，无法实现一键自动化测试功能；以及雷达故障诊断不具备智能诊断等缺点，设计了一种基于天气雷达移动测试保障平台的自动智能化测试系统，该系统由软件系统、嵌入式计算机系统、测量仪器功能组件以及测试适配接口四大部分组成。该系统基于标准总线与合成仪器的架构，采用高集成度的射频收发硬件平台和具有二次开发能力的开放式可扩展软件平台相结合进行设计。通过仪表和雷达自动化控制、测试数据自动采集和处理、测试报表自动生成、基于逻辑判断的故障智能定位等技术，实现了雷达参数自动化一键测试和定标，以及雷达故障智能定位等功能。结果表明，该系统能提高雷达现场测试、定标和故障诊断效率。