济南双偏振多普勒天气雷达在线自动标定数据质量分析评估

阐述了CINRAD/SA-D双偏振多普勒天气雷达（简称“双偏振雷达”）标定技术,统计分析了济南双偏振雷达试运行以来在线自动标定数据和该时间段内的维护维修情况,从雷达几十个标定状态性能参数中,遴选对雷达探测数据质量影响最大的发射峰值功率Pt、相位噪声σφ、噪声系数NF、反射率标定系数SYSCAL、差分反射率因子ZDR、差分传播相移ΦDP等性能参数,分析评估在线自动标定数据质量。结果表明：1）峰值功率维持在679.68 kW,H（水平）和V（垂直）双通道的峰值功率长期运行吻合一致性较好。2）H和V双通道噪声系数均值分别维持在1.66 dB和1.73 dB,双通道数据总体分布稳定,且具有较好的一致性;标定数据的异常来源于外界干扰,占0.39%,受外界干扰H通道多于V通道,干扰造成接收机灵敏度降低了1.5 dB,导致雷达产品异常。3）反射率标定ΔSYSCAL最小值为-0.46 dB,最大值为0.25 dB,满足±2 dB的技术指标要求。4）I/Q相角法标定相位噪声均值为0.051 3°,实物对消能力60 dB与估测地物杂波抑制能力61.36 dB结果基本吻合,证实了雷达系统具有较好的地物杂波抑制能力。5）采用机内CW、TS双信号源标定法,接收双通道幅度和相位的标准差：ZDR-CW和ΦDP-CW分别为0.025 dB和0.735,ZDR-TS和ΦDP-TS分别为0.044 dB和1.116°,满足接收双通道一致性的技术指标,但CW信号标定结果明显小于TS信号标定结果,表明双路方位旋转关节对接收链路信号幅度和相位的一致性有影响,导致ZDR-TS和ΦDP-TS标定结果比ZDR-CW和ΦDP-CW出现更大的偏差,因此随着双偏振雷达的长期运行,对方位旋转关节带来的幅度和相位固有偏差进行测试和订正非常重要。     

广州S波段双线偏振天气雷达双通道一致性测试及分析

双线偏振天气雷达双通道的一致性,是新一代天气雷达双线偏振升级的技术关键。本文分别采用机外仪表和机内测试信号,测试分析了广州CINRAD/SA-D双线偏振雷达接收机双通道的一致性。结果表明:①接收机双通道的动态范围、噪声系数、强度定标等满足设计指标,但测试结果也存在一定的差异,导致偏振参量差分反射率因子ZDR和差分相移ΦDP产生误差,需要对这种差异进行定期检查和修正,以确保双通道一致性;②旋转关节对整个接收链路的信号幅度和相位一致性有影响,这种影响随着方位的变化呈现出一定的周期变化规律,因此随着双线偏振雷达的长期运行,方位旋转关节的影响不可忽略。     

S波段与X波段天气雷达探测参量差异及组网融合处理研究

随着X波段双偏振雷达探测网的增多,与S波段双偏振雷达开展组网观测愈发具有必要性。利用北京地区2021年7月27日的一次强对流天气过程的观测资料,对X波段双偏振雷达组网观测值和S波段双偏振雷达观测值进行一致性定量分析,结果表明：两者观测的反射率因子（Z）一致性好,差分反射率（ZDR）差异集中在0dB值附近,Z≥30dBz时,差分相移率（KDP）差异显著。根据观测值差异特征,比较了探测参量直接融合和距离指数权重融合两种数据融合方式,通过分析偏振参量垂直剖面图发现,融合后可以相互弥补探测盲区,KDP通过距离指数权重融合的方式过渡更加自然。本文融合效果可供不同波段雷达融合组网提供参考。     

X波段双极化多普勒天气雷达极限降水的估计能力

首先分析了X波段双极化多普勒天气雷达降水估计的误差来源及其影响,然后分析了信比、积累阶数对降水估计精度的影响,明确雷达系统本身的测量误差所能达到的理想程度,结果表明在双通道的积累次数M=64,信噪比SNR=10dB的条件下差分反射率的σ(ZDR)=0.32dB,则相应R(Z,ZDR)的降水估计精度最好能达到44%,同样条件下差分相位的σ(ΦDP)=0.08°,那么在降水率R=50mm/h时R(KDP)的降水估计精度最好能达8.6%。     

X波段双极化相控阵天气雷达金属球定标技术

利用无人机悬挂金属球实现对X波段双极化相控阵天气雷达双通道强度一致性定标,根据雷达特点设计无人机飞行轨迹,通过对广州4部雷达开展金属球定标试验,经过反复测试发现:当不受外界干扰时,差分反射率Zdr标准方差小于0.1 dB,多次平均值波动范围小于0.2 dB,通过修正使Zdr误差小于0.2 dB,满足业务技术指标要求;当受到外界干扰开展金属球定标时,同一仰角多次试验的数据波动范围均超过0.2 dB,标准方差均大于0.15 dB,表明金属球定标受遮挡角、风速等外界因素干扰较大,不能满足业务定标要求,在开展金属球定标时应避免遮挡区域.     

双线偏振雷达标定技术应用

正随着双线偏振雷达技术的成熟和广泛应用,对双偏振量标定方法、精度和稳定性提出了更高的要求。使用双偏振标定技术可以全面检查雷达系统的状态,实时在线校正雷达系统偏差,提高双线偏振雷达数据质量。随着双线偏振天气雷达技术不断成熟和部署,对雷达数据质量和数据稳定性提出了更高的要求。双线偏振雷达较传统的单偏振雷达新增的三个基本物理量分别为水平和垂直线极化幅度差异差分反射率(ZDR)、相位差异差分传播相移(φDP)和两通道     

移动X波段双线偏振多普勒气象雷达及其关键技术分析

文章描述了上海引进的移动X波段双线偏振多普勒气象雷达系统的主要性能和显著技术特点,着重分析了该雷达系统为了获取有效和可靠的双线偏振探测数据,如差分反射率Z_(DR)、传播相位K_(DR)、差分相位Φ_(DP)和相关系数ρ_(HV)等所采用的关键技术和措施,其中包括:200 kW超强峰值功率;平均40 dB以上中频相参地杂波抑制能力;95 dB至100 dB大线性动态范围及其-112 dBm(1μs脉宽)高灵敏度接收机;31.25 m精细距离分辨率;EDGE5.0多功能应用软件包;在天线仰角轴上组合安装双偏振波导、接收机和信号处理系统的创新设计;良好的野外机动探测性能等。文章还给出了实测个例资料并指出该雷达的新颖设计理念和实现的关键技术值得国内在同类型气象雷达的设计制造中学习和借鉴。     

X波段双偏振雷达垂直指向法标定的应用

垂直指向法标定是双偏振雷达的差分反射率因子ZDR标定有效方法的一种,可以订正ZDR测量误差,提高雷达数据的质量。本文基于双发双收模式的X波段双线偏振天气雷达系统,通过分析雷达硬件系统和垂直指向法标定的数据,诊断了观测数值的一些质量问题,初步判断是方位旋转关节损坏而导致ZDR的数值在某一固定区域上出现较大偏差。更换新的方位旋转关节后,对比处理问题前后的垂直指向标定数据证明能有效解决此问题。最后,经过多次试验分析表明,当垂直指向法标定在回波强度为25.5~30.5dB之间的中等范围稳定的层状云降水情况下使用时,其标定的数据能有效订正系统ZDR偏移量。     

CINRAD/SA雷达标定技术研究

从雷达数据质量需求出发,在4个方面对CINRAD/SA标定技术进行了研究。1结合雷达回波强度定标原理,分析了目前回波强度定标过程中存在的问题,在此基础上详细制定了回波强度定标测试方法、操作步骤和技术要求,实现了SA雷达回波强度定标方法和操作流程的规范化、标准化,从而消除将人为因素或测试原因引入雷达系统造成定标误差。2对全省雷达波导长度进行实际测量,并修正了各雷达发射支路馈线损耗出厂测试数据;研制了能注入微波信号的专用测试波导,实现台站准确测量出SA雷达收、发支路馈线的实际损耗数值,应用于雷达回波强度定标中。3将太阳作为微波信号源,根据发布的太阳能流密度等数据,结合实际测量接收到的太阳射电功率,来检验全链路雷达接收系统回波强度。4取相邻雷达等距离线(中点)的低仰角同步观测反射率因子数据,开展两部雷达、多部雷达对比观测检验等。从而提高了回波强度定标的客观性和一致性,更好地为组网雷达提供一致性的雷达数据。     

CINRAD/SA雷达双偏振升级数据质量分析评估

广州CINRAD/SA雷达完成双偏振升级改造后,本文评估分析了其探测灵敏度、地物抑制能力以及差分反射率ZDR,差分相移Φ_(DP)、差分相移率K_(DP)及相关系数的数据质量,结果表明:双偏振升级后雷达灵敏度与升级前基本一致,地物杂波抑制效果有明显改善;ZDR系统偏差变化稳定,随Z的增长趋势与经验值一致,测量误差不超过0.2dB;Φ_(DP)的初始相位具有较好的稳定性,K_(DP)对强降水敏感,与强降水有很好的对应关系;相关系数能够很好地区分气象和非气象回波。     

双线偏振多普勒天气雷达的双通道一致性

针对同时发射体制双线偏振多普勒天气雷达,介绍其对双通道及双通道一致性的含义,提出了双通道幅度一致性和相位一致性的基本要求,并对影响双通道一致性的因素和关键器件,以及双通道不一致对雷达测量性能(差分反射因子测量误差、差分传播相位测量误差、特定的差分传播相位测量误差)的影响,进行了研究和分析。     

北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用

针对2018年夏季北京15次强对流天气过程,利用房山单站X波段双偏振雷达与北京观象台S波段天气雷达探测产品进行对比分析,探讨新探测手段的应用价值。结果表明：相对于常规天气雷达来说,双偏振雷达在粒子识别方面具有明显优势,成为冰雹等天气监测、预报预警的强有力手段。在冰雹识别上,X波段双偏振雷达的差分反射率因子（ ZDR）和相关系数（ρhv ）是两个重要的偏振量,ZDR 较小,接近0,有时为负值; ρhv小于0.9。在强降水识别方面, ZDR大值和差分传播相移率（KDP ）能够较好地指示雨强较大的降水。低仰角的 ZDR达5dB以上,KDP 在8°/km以上, ρhv达0.95以上时,地面5分钟雨量可达到或超过10mm。两种雷达的对比分析来看,反射率因子强度（R）、垂直累积液态水含量（VIL）均较SA天气雷达强度偏强。此外,由于X波段雷达波长较短,单部雷达的探测波束经过强降水区会发生比较严重的电磁衰减,致使强降水后部的降水回波强度偏弱,严重影响预报员对降水强度和降雨持续时间的判断,需要与SA天气雷达配合使用或者利用多部X波段雷达组网进行强降雨的监测分析。     

偏振雷达观测强对流雹暴云

根据偏振雷达原理,用C波段双线偏振天气雷达观测得到4例强对流雹暴演变过程的水平反射率ZH(dBZ)和差分反射率ZDR(dB)垂直剖面RHI定量回波资料,分析了这些雹云不同演变阶段的回波参量和偏振特性的关系,说明ZH、ZDR双参量对判别降雹有着明显优势,用雨滴谱的ZH-ZDR分布边界关系对这些雹云回波进行判别降雹分析,给出我国用偏振雷达观测和识别冰雹的研究结果。     

一次海面降雪的双线偏振多普勒雷达回波特征分析

以X波段双线偏振多普勒天气雷达在葫芦岛探测到的2004年4月1日的一次海面降雪过程为例,概述了雷达主要性能参数。通过分析雷达二次产品开发平台运行后得到的强度、速度、谱宽和双线偏振差分反射率等产品,探讨了海面降雪和海杂波Z值及差分反射率因子ZDR的取值大小及空间变化特征。结果表明:雪花降落过程中,ZDR值由正值逐渐转变到为-0.5～0.5 dB,且Z值随高度降低而增大,而海杂波Z及ZDR值空间变率不大。     

C波段偏振雷达几种系统误差标定方法对比分析

通过介绍几种标定C波段偏振雷达差分反射率因子ZDR和水平反射率因子ZH系统误差常用方法的原理,利用两部相同型号的可移式C波段双线偏振雷达(POLC)在云南、安徽等地的观测数据,对这些方法进行了检验和对比分析。结果表明,ZDR的标定方法中,太阳法由于偏振雷达水平与垂直方向两个接收机在较弱的信号下很难保持一致性,目前实际应用比较困难;垂直指向法要求雷达天线必须达到90°仰角,机械上有所制约;仰角法要求探测到非常均匀的雨区,在时间与空间上极难满足;地物引起的ZDR变化,在统计上无任何规律可循,因此,地物法也基本上可以排除应用于实际;干雪的ZDR并不完全等于0 dB,并且需要知道0℃层的高度,0℃层以上满足信噪比(signal to noise ratio,SNR)条件的数据较少,并且水凝物相态难以确定为干雪,因而干雪法有着一定的局限性;微雨滴法理论清晰、结论可信,不需要专门的扫描方式,能够从正常的体扫观测中得到大量的满足SNR、ZH等阈值条件的数据,提供较为准确的ZDR系统误差估计,因此,微雨滴法是一种利用气象目标进行ZDR系统误差估计较好的方法。进一步分析ZH标定的自约束法的结果表明,自约束法能够大致地验证偏振雷达ZH标定是否正确,但是,其用于ZH标定时,对偏振参量数据质量要求较高,并且约束关系的系数也有待进一步验证。     

C波段双线偏振多普勒雷达资料质量分析

以中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室C波段双线偏振雷达2011年完成升级改造后观测的一次降水过程资料为例,讨论其探测资料质量及其对降水粒子的探测性能,统计分析降水回波的差分反射率因子ZDR、零滞后互相关系数ρHV（0）与信噪比SNR的关系,以及系统初始相位的稳定性,反射率因子ZH分别与差分反射率因子ZDR和差传播...     

广州CINRAD/SA雷达双偏振升级及数据质量分析

介绍广州CINRAD/SA雷达双偏振升级改造后的主要性能指标,并以观测到的一次层状云降水过程为例,分析了降水强度ZH与差分反射率ZDR、差分相移率KDP的一致性,信噪比SNR与差分反射率ZDR、相关系数CC的关系以及ZDR系统偏差的稳定性,结果表明:弱降水的ZDR和KDP接近于0,随着ZH的增加均呈上升趋势;SNR<15 d B时,ZDR和CC受噪声影响很大,存在明显误差,业务中建议将SNR>15 d B作为双偏振产品的可用阈值;ZDR的系统偏差随时间变化保持稳定,变化幅度<0.2d B;KDP在CC<0.9时没有被计算和显示。     

CINRAD/CB脉冲多普勒天气雷达数字中频接收机

介绍CINRAD/CB脉冲多普勒天气雷达数字中频接收机的主要功能和技术性能.CINRAD/CB雷达接收机的主要特点是高灵敏、采用了数字中频采样、带AGC的大动态接收范围、低相噪频率综合器、在线测试、系统在线定标和整机性能的测量等技术,采用了高稳定频率源和全相干技术体制.简述了CINRAD/CB雷达接收机的组成和工作原理,给出接收系统的组成框图,对该系统接收机的灵敏度、噪声系数、动态范围等性能指标进行了分析.     

双线偏振雷达双通道一致性及测试方法研究

从偏振天气雷达通道一致性的重要性出发,分析了雷达系统本身特性(天线、接收机、旋转铰链和馈线)对双通道一致性的影响。结合目前国内外偏振雷达所能达到的指标,提出了双通道一致性的测试内容和方法,并给出性能指标要求。根据上述方法,获得了北京市气象局C波段双线偏振天气雷达天线和双通道的测试结果,对如何提高双线偏振雷达的性能及评估性能好坏具有一定的参考意义。     

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。