CINRAD/SA 雷达天馈系统关键参数测量方法研究

0 引 言

新一代天气雷达是监测台风、暴雨等大范围降水天气和冰雹、龙卷等强对流天气最有效的探测手段，是气象现代化建设的重要组成部分，在气象短临预报、防灾减灾等工作中发挥着不可替代的作用。1998 年开始，中国气象局在全国范围内布设 CINRAD 新一代天气雷达。CINRAD/SA 雷达的波长为 10 cm，因其波长的衰减小，可用于探测台风、暴雨及冰雹。CINRAD/SA 雷达作为降水测试系统的重要组成部分，提高其回波强度测试精度是确保雷达气象预警预报准确性的可靠保障 [1]，天气雷达回波强度的测量误差会极大地影响短时灾害性天气监测和预报水平（尤其对降水定量估测和降水性质判断）[2]。国内诸多专家对雷达定标做了很多工作，根 据《新一代天气雷达观测规定（第二版）》（气测函〔2018〕171 号）的要求 [2-11]，为规范新一代天气雷达天馈系统关键参数测量的检验方法，确保测量检验结果准确可靠，雷达站必须对天馈系统关键参数进行至少每年一次的检验。

1 原 理

CINRAD/SA 雷达天馈系统关键参数主要利用太阳法进行测量检验。太阳法检验的原理 ：根据地球与太阳的运动规律，利用雷达天线喇叭口所在经纬度及北京时间计算出此时太阳在天空中的位置，即与地理北极的夹角（方位）和与地平面的夹角（仰角）。再利用这两个数据指引雷达天线在此处一定范围内的天空搜索太阳的噪声信号，一旦发现就立即记录时间和天线指向的方位和仰角，全部搜索完成后，经相关运算得出天线指向和实际太阳位置间的误差，最后在雷伺服系统上进行标定，以消除误差。太阳法检验可对包括天线、天线罩在内的全雷达接收系统反射率的标定准确性和雷达天线波束宽度进行检验。

2 前期准备工作

2.1 站址简介

蚌埠雷达站塔楼建于蚌埠市锥子山东南坡，雷达站址位于东经 117 度 26 分 52 秒，北纬 32 度 55 分 05 秒。雷达塔楼地面海拔高度为 83.0 m。

2.2 测试仪表

测试仪器必须经过专业设备的标校且应在校准有效期内。测试仪器仪表包括信号源、功率计、功率探头、测试电缆等，参考型号详见表 1

3 测量项目和步骤

测量检验雷达天馈系统的关键参数包括天线增益、水平和垂直波束宽度。

3.1 测量天线增益

3.1.1 测量收发支路损耗

为保证测试准确度，功率计应利用功率计显示值和对信号源输出功率误差的最小区间进行测试。在 -20 ～ 18 dBm范围内，间隔 2 dBm 改变信号源的输出功率，分别查看功率计显示值，记录见表 2 所列。

用绘图软件作出信号源输出功率（纵坐标单位为 dBm，间隔为 2 dBm）和功率计对应功率测量显示值（横坐标）的柱状图，如图 1 所示。

由 图 1 和 表 2 可 知， 功率计误差最小区间在 -6 ～ -4 dBm，一般馈线损耗不会超过 2 dB，因此选取信号源输出功率为 -4 dBm。

使用信号源、功率计、功率探头、测试电缆等，按《新一代天气雷达定标技术说明》[2] 中的具体步骤和方法对收发支路损耗进行测量，记录接收支路损耗值和发射支路损耗值，并对适配数据进行相应修改。

当更换收发支路中的关键器件（如接收机保护器、波导开关、旋转关节等）时需对相应支路损耗重新进行测试，记录测试数据、修改适配数据、重新做反射率标定，并用太阳法对反射率标定进行验证。

3.1.2 计算太阳射电功率理论值

图 2 所示为太阳活动预报中心提供的当天测试时间的太阳射电能流密度 S10.7 以及接收带宽、天线方向性增益、波长、频率等，利用太阳射电功率理论值计算公式（1），计算太阳射电被雷达接收并传输到接收机的信号功率理论值。

当雷达天线对准太阳，天线接收的太阳射电功率 Ps 为 ：

式中：B为接收带宽（Hz）；G为天线方向性增益（dB）；λ为波长（m）；S为所需频率上的太阳能流密度；π为常数。

不同频率上的太阳能流密度可在 10.7 cm 太阳能流密度基础上用以下公式获得 ：

式中：S10.7 为 10.7 cm 波长太阳能流密度；f 为频率（MHz）；α 等于 0.000 2；β 等于 -0.01。

将式（2）代入式（1），得到式（3）

3.1.3 获取太阳射电功率实际测量值

利用 CINRAD/SA 雷达控制软件将天线对准太阳，用雷达测量实际接收的太阳射电功率。选择太阳高度角范围25°～ 40°，具体操作方法与步骤如下。 

（1） 雷 达 RDA 计算机系统时钟和经纬度校准。 要 求 RDA 计算机系统时间与北京时间误差不超过 1 s。在RDASOT 软件中的太阳法设置栏内填入当地测绘部门提供的准确的雷达天线馈源经纬度。 

（2）雷达天线控制精度定标。按照定标流程，标校雷达方位、俯仰控制精度，使之符合技术指标（天线控制精度误差不超过 0.1°）要求且尽量调到最小。

（3）雷达波束空间指向误差定标。按照定标流程标校雷达波束空间指向误差，使之符合技术指标（雷达波束空间指向误差不超过 0.3°）要求且尽量调到最小。 

（4）将雷达运行于太阳噪声标定模式下，连续记录雷达收到的射电功率，其中最大功率即为太阳射电功率测量值。

3.1.4 对比理论值和测量值

将雷达应接收到的太阳射电功率理论计算值与雷达实际接收的太阳射电功率进行对比。当测量值与理论值的差值不超过 2.5 dB 时，表示天线增益符合要求 ；若超过该指标，则需分析并查找出误差原因并改进，之后重新进行太阳法检验，直到符合要求为止。

3.2 测量水平和垂直波束宽度

3.2.1 制作太阳射电功率曲线图

根据 CINRAD/SA 雷达天馈系统位置信息（经度、纬 度）和雷达 RDA 计算机准确的时间数据，通过雷达中的RDASOT 软件自行计算出任意时刻太阳中心位置的高度角和方位角，控制天线在俯仰和方位两个方向经太阳中心位置各扫描一次，通过雷达 RDA 计算机获得太阳射电功率，由RDASOT 软件自动画出太阳射电功率曲线图。

3.2.2 计算天线波束宽度

根据太阳射电功率曲线图计算天线波束宽度。当天线进行方位角扫描时，计算出的波束宽度代表水平波束宽度 ；同 理，当天线进行俯仰角扫描时，计算出的波束宽度代表垂直波束宽度。

计算方法 ：在太阳射电功率曲线图（图 3 为方位图，图 4为俯仰图）上找出太阳最大射电功率，在左、右两侧各找出一个比太阳最大射电功率小 3 dB 的点，并找出两个点所对应的方位角（图 3 中的 A1 和 A2 点）和俯仰角（图 4 中的A3 和 A4 点），A2 和 A1 的差值即为水平波束宽度，A4 和A3 的差值即为垂直波束宽度。

3.2.3 检验雷达天线波束宽度

若用太阳法计算出的水平和垂直波束宽度值与雷达天线测试值的误差在 ±0.2°范围内，则表示检验合格，否则需要查找原因进行改进，并重新测量检验。

4 结 语

目前 CINRAD/SA 雷达现场无法测试发射和接收支路的损耗，且不少雷达已更换过接收机保护器、无源限幅器、方位旋转关节、波导开关等馈线微波器件，甚至部分雷达还进行了大修。由此可见，沿用之前雷达出厂时的收发支路损耗值对雷达回波强度进行标定是不准确的，必然会引入较大的系统定标误差，导致雷达回波强度出现偏差。因此，开展对雷达天馈系统关键参数测量方法的研究十分必要。