天气雷达定标、测试与故障诊断技术发展与趋势

张福贵 舒毅 唐佳佳 魏洁 罗赞

（1 成都信息工程大学，成都 610225；2 中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 610225；3 福建省泉州市气象局，泉州 362000）

0 天气雷达发展简史

我国天气雷达系统进行了现代化建设和技术升级，由20世纪60年代的模拟天气雷达到20世纪90年代的数字化多普勒雷达再到全部业务化运行的新一代多普勒天气雷达。最早在20世纪60年代初期，我国将843型军用空军警戒雷达改装成天气雷达，843型天气雷达由苏制843型测高雷达改进而成，利用其探测到的气象杂波开展警戒台风、监测降水的试验工作，为天气雷达探测技术的发展做出了重要贡献。20世纪90年代国内自主生产711型号、713型号、714型号的天气雷达成为数字化天气雷达的重要基础，通过不断地进行技术改进，714SD型号增加了多普勒探测性能，成为了数字化多普勒天气雷达，用于台风、强对流、暴雨监测和人工影响天气指挥及效果评估。新一代多普勒天气雷达布设了CINRAD/SA、CINRAD/SB、CINRAD/SC、CINRAD/CA、CINRAD/CB、CINRAD/CC、CINRAD/CCJ等多种型号的单极化系统。随着我国气象现代化事业飞速发展，近几年开展了双极化（双偏振）天气雷达系统的研发与业务化应用试验等工作，新一代多普勒单极化天气雷达正逐步升级到以CINRAD/SA-D型为主的双极化（双偏振）天气雷达系统。“列装一代、研制一代、探索一代”是《气象观测技术发展引领计划（2020—2035年）》的发展思路，按照《引领计划》，其中相控阵天气雷达是下一代天气雷达技术试验探索的重要内容（见图1）。

图1 天气雷达发展简史与趋势Fig.1 Development history and trend of weather radar

1 天气雷达保障技术现状

1.1 国外现状

美军从20世纪70年代便开始对雷达保障技术进行研究，尤其是对雷达系统保障诊断技术系统相当重视，到20世纪90年代中期，受计算机网络技术的推动，美国的装备测试、维修和故障诊断技术不断向智能化、远程化方向发展。到目前为止，与世界各国相比，美国的雷达装备技术保障能力与系统仍然非常优越。美国国家气象局主要通过天气雷达站卫星通道上传未经压缩处理的雷达产品图像进行拼图，然后从图像中判断天气雷达是否出现故障，同时通过远程监控系统对雷达系统状态进行实时监控，还使用新型技术管理回馈系统对维护数据和执行数据进行在线访问，雷达工作效率达96%。西欧国家为此也投入了大量的研究，并且在很多装备保障与诊断系统的关键技术研究中取得重大进展。国外不仅注重对新型雷达的研发与新技术的植入，而且注重科学、充分的实际业务应用检验与评估，在雷达装备研制过程中同步设计定标、测试、维修与故障诊断系统，对提高业务装备保障能力以及让雷达在实际业务工作中能充分发挥其重要作用奠定了坚实的基础。

1.2 国内现状

国内天气雷达技术保障具体内容包含周维护、月维护、年维护、汛前雷达巡检、雷达故障诊断处理等，都需要对天气雷达关键性指标进行定标、测试以及高效故障诊断判定，天气雷达定标、测试与故障诊断技术是整个天气雷达系统保障技术的核心（图2）。国内天气雷达定标、测试与故障诊断主要依靠台站一线保障人员进行“第一时间”的诊断和预判，同时需要进行大量的仪器仪表连接操作、测试、对比参数精度指标、故障定位等工作，具有工作量大、仪器仪表连接繁琐、容错性小、操作步骤复杂等特点；需要台站一线保障人员能够熟练掌握天气雷达的结构、性能、定标测试方法、仪器仪表操作等内容，尤其是对天气雷达故障诊断和定位，需要台站一线保障人员具有很强的综合保障技术能力，才能满足对天气雷达进行定标、测试和故障诊断的科学性、准确性和正确性。

图2 国内天气雷达技术保障内容Fig.2 Technical support contents of domestic weather radar

2 天气雷达定标技术发展与趋势

2.1 国外天气雷达定标技术发展

美国国家气象局在2013年完成了NEXRAD业务天气雷达网160部S波段双偏振天气雷达升级，德国、芬兰、加拿大、澳大利亚等国家也正在开展双偏振天气雷达改造及布网，所以双极化天气雷达定标技术方面走在了前列，在成熟的定标技术基础之上更加注重对双偏振天气雷达数据算法、质量控制与综合评估等研究。Ryzhkov等研究了双偏振天气雷达反射率

Z

和差分反射率

Z

的绝对定标技术。

Z

的绝对定标技术是利用太阳光的正交偏振测量值以及高仰角下探测的自然目标物（如小雨和干雪）的偏振特性来进行定标，率先确定了

Z

精度可实现在0.1～0.2 dB范围内。Silberstein等提出了一种借助夸贾林环礁上的雷达来为热带雨量测量任务（TRMM）需要实现控制雨量测量提供基准校准的方法，该方法使用多个地物回波、最低仰角扫描处日平均杂回波在每小时、每天和每月都稳定在1 dB左右，只有在刻意修改系统、设备出现故障或其他未知原因时，它们才会发生显着变化。无论杂波区是否有雨，每天都能得到降水和杂波反射率的累积分布函数（CDF），并使用数据验证，对CDFs进行每日计算，并用它来校正7.5年的测量值，从而有效增强了TRMM观测到的全球降水记录的完整性。Ivić提出了一种可以在每个扫描方向上实时估计噪声功率，并与气象数据收集并行的技术，研究了这种技术对相关系数估计的影响，使用更精确的噪声功率估计值可以显著降低相关系数的估计偏差，达到了明显改善相关系数场的效果。Ivić和Torres提出了从每个天线位置（径向）的同相和正交数据中动态地估算系统噪声功率，该技术使用一种新的准则来检测不包含重要天气信号的雷达体积，并使用这些数据来估计系统噪声功率，该技术产生的噪声功率估计值与从雷达远距离人工识别的无信号雷达量所得到的噪声功率估计值非常接近，达到了显著提高业务气象雷达数据质量的效果。Holleman等介绍了日常监测偏振天气雷达差分反射率偏差的方法，是对低海拔地区天气雷达天线和雷达接收链监测方法的延伸，在线太阳监测可用来检查雷达天线水平和垂直偏振波瓣之间的一致性，通过在垂直入射时进行在线太阳监测和雨量校准，可以消除差分接收机偏振和差分发射机偏振，这种‘在线'监测方法非常适合在业务雷达网络中应用。Hubbert等介绍了科罗拉多州立大学-芝加哥大学-伊利诺伊州立水勘测局（CSU-CHILL）雷达和S波段双偏振多普勒雷达系统（S-Pol）的雷达协方差矩阵校准过程，给出了一种新的计算线性退偏振比（LDR）的方法，它主要是利用了交叉到交叉的协方差，确定了这种方法在低信噪比区域的有效性，还根据降水数据确定CSU-CHILL雷达的共对交叉相位偏移，通过确定两个相对幅值和三个偏移相位构造校准的协方差矩阵，利用太阳校准测量和降水交叉极化功率测量来完成

Z

的精确校准。

2.2 国内天气雷达定标技术发展

20世纪90年代天气雷达定标技术探索主要以数字化多普勒天气雷达为主，定标后天气雷达残存回波强度误差在整个接收系统的对数动态线性范围内控制在±2 dB以内，技术指标要求不高。随着数字中频技术在天气雷达系统中不断发展和应用，单极化天气雷达定标技术也愈加成熟，回波强度测量误差在±1 dB范围内，经过详细制定单极化雷达系统回波强度定标测试方法、操作步骤和技术要求，实现了单极化雷达回波强度定标方法和操作流程的规范化、标准化，从而消除人为因素或测试原因引入雷达系统造成定标误差，提高了天气雷达回波强度测量精度。

2.2.1 单极化天气雷达定标技术

在单极化天气雷达定标技术方面，国内许多专家和学者开展了很多研究。王立轩等用机外仪表对新一代天气雷达机内参数自动标校结果进行检验。柴秀梅等分析CINRAD/CC自动标校技术原理，并对存在的问题提出了解决方法。潘新民等论述了天气雷达回波强度定标与故障诊断分析方法、故障诊断流程。赵瑞金等对天气雷达故障等导致的异常回波进行分析和研究。张文言等利用CINRAD/SA雷达回波强度对NuistRD-X雷达进行强度定标，并对两者的雷达回波强度作对比分析。周海光利用相邻雷达等距离线垂直剖面内的网格数据进行三维混合插值，及时发现雷达网故障为雷达定标提供参考。史锐等对比分析了同一时间、同一位置S波段和C波段雷达CAPPI和部分PPI回波强度资料。周红根等从雷达数据质量需求出发分析了单极化天气雷达回波强度定标过程中存在的问题，对雷达波导长度进行实际测量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雷达收、发支路馈线实际损耗数值并应用于雷达回波强度定标中；将太阳作为微波信号源，根据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，检验全链路雷达接收系统回波强度；取相邻雷达等距离线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，构建台站级雷达数据质量检测的方法对雷达基数据进行数据质量检测。秦建峰等以CINRAD/SA天气雷达一次在线定标为例对定标实效进行了检验和分析。

表1详细列举了我国S波段和C波段单极化业务天气雷达发射机系统、接收机系统、天伺系统、整体系统定标指标、精度和稳定度。制定和掌握先进的天气雷达定标技术规范是为了提高雷达组网回波强度定标的客观性和一致性，对改进天气雷达数据质量具有重要作用和意义。如今，国内单极化天气雷达定标技术已经比较成熟，通过制定雷达回波强度定标测试方法、操作步骤和技术要求，实现了雷达回波强度定标方法和操作流程的规范化、标准化，更加注重对单极化天气雷达数据质量控制分析、数据算法、综合评估等内容。

表1 国内单极化天气雷达定标技术指标Table 1 The content of signal polarization CINRAD calibration indicators

2.2.2 双极化天气雷达定标技术

双偏振天气雷达与单偏振天气雷达相比在性能上有更加严格的要求，而且对具有双偏振雷达性能特性的指标提出了相应的误差范围。双偏振天气雷达关键技术（尤其是双通道一致性定标技术）在国内尚未成熟，国内业务化的新一代天气雷达（单偏振）将在未来数年内进行双偏振技术升级，双偏振天气雷达能否实现全面业务化应用，关键在于其性能是否稳定达标。面对国内双偏振天气雷达建设的迫切需求，科学、可行、标准、规范的双偏振天气雷达定标技术亟待研究。

双偏振天气雷达主要定标技术指标有双通道一致性、双通道极化隔离度以及偏振参量测量精度；双通道一致性要求双通道增益、天线波瓣宽度等参数尽量相同，双通道极化隔离度越大越好；双偏振天气雷达测量的偏振量主要有差分反射率因子

Z

、差分传播相移

Φ

、差分传播相移率

K

，线性退偏振比

LDR

以及零滞后互相关系数

ρ

(0)等。目前，对双偏振天气雷达偏振参量精度研究主要侧重于差分反射率因子

Z

和差分传播相移

Φ

。能否准确测量

Z

和

Φ

偏差并进行订正是双偏振天气雷达数据是否准确可靠的关键基础。当

Z

的偏差在±0.2 dB以内时，定量降水估计误差可控制在18%以下；当

Z

的偏差在±0.1 dB以内，同时

Φ

的偏差控制在2%以内时，小雨的降水测量误差可控制在10%～15%。双偏振天气雷达对

Z

和

Φ

定标技术方法主要包括太阳法、小雨法、标校平台（源）法、金属球定标等。太阳法可用来测量包括天线罩、天线和接收机在内整个接收通道产生的

Z

和

Φ

偏差，但太阳作为信号源信噪比较低，只能定标雷达接收通道（天馈线和接收机）不平衡产生的

Z

和

Φ

系统误差，不能定标雷达发射通道不平衡引入的

Z

和

Φ

系统误差，且只能在每天有限时段内使用。小雨法可用来测量包括发射机、天线和接收机在内整个收发通道产生的

Z

和

Φ

系统误差，但该方法必须限定在雨强很小的层状云降水条件下才能使用。国内对双偏振天气雷达定标技术的探索和验证主要如下。李喆等使用机外仪表法、太阳法和小雨法对南京大学C波段双偏振天气雷达进行

Z

定标，实验与计算结果为

Z

测量误差最大为0.17 dB。张治国等对北京房山X波段双偏振天气雷达天线系统、接收系统双通道一致性进行了测试分析，发现由于接收双通道放大器增益存在差异而导致双通道动态曲线不一致，在50～70 dBz范围强回波的

Z

会被引入0.25～0.35 dBz误差，这种误差很难通过调整接收机性能参数进行订正消除，对探测数据产生不利影响，为保证偏振参量的探测精度，双偏振天气雷达接收机处理的回波信号必须要高信噪比。基于双偏振雷达的测量要求，王致君提出了利用系留金属球定标法和小雨定标法对天线两通道增益进行定标、检查两通道隔离度。史朝和何建新基于某X波段双极化多普勒天气雷达系统，以WSR-98XD雷达为试验平台分析得到

Z

系统误差的3个主要来源：发射机功率分配不均、馈线插损不一致和双通道接收机增益不一致，分别进行了信号源法、太阳法、小雨法3种定标方法的试验，发现发射机功率分配不均与双路馈线插损不一致所引入的误差较小且相对稳定；

Z

探测误差主要源自接收机有源通道增益不一致且在全动态范围内该误差的起伏与输入信噪比有关，将全动态范围分为大信号段、线性段与小信号段3个区间，分别进行误差定标试验，发现接收机有源通道增益不一致引入误差时间稳定性较差，需要对其进行定时标校；相比硬件幅、相修正方式，软件方式更适合差分反射率这种细微且在全动态范围具有非线性特点的误差修正。徐坤等提出了一种差分反射率因子误差订正方法，利用雷达基数据回波强度反算进入接收机回波功率，根据预先设置好的每点回波功率对应差分反射率因子值，对

Z

进行订正。刘蕾设计了一种基于定标源的差分反射率误差修正方法，先检测双偏振通道（包括发射和接收）的一致性（包括幅度和相位），通过外接信号源进行误差标校，指出了接收机底噪不一致是差分反射率测量误差订正亟需解决的问题。胡东明等评估分析了SA型天气雷达双偏振升级数据质量，汪章维等分析了双偏振天气雷达精细化探测技术性能。国内这些双偏振天气雷达定标技术方法进展为我国双偏振天气雷达业务化定标技术发展提供了参考内容和思考方向。标校平台（源）法通过信号源定标整个收发通道产生的

Z

系统误差，在业务双偏振天气雷达方面使用是比较可靠的技术手段。标校平台（源）又包括标校塔、高空气球、移动高架有源应答源、军用飞机或民航系统等。这些标校源各有不足之处：标校塔和高空气球的位置固定，资源稀少，进行定标需要雷达转场，组织实施不方便；移动高架有源应答源高度有限，雷达可测量的仰角范围小；军用飞机申请程序复杂，定标周期长，实施成本高；民航ADS-B系统提供的仰角真值与雷达测量值，时间对准困难，定标精度差等。

随着无人机技术发展与应用成本降低及其灵活机动的特点，近几年引起了国内外天气雷达研究人员的重视。国外相关研究人员用无人机作为双偏振天气雷达定标平台，开展了一些定标实验，取得了一些初步研究成果。国内也有相关院校和研究机构进行无人机定标的前期试验，但均处在摸索期，试验的连续性和紧迫性不强，在对双偏振天气雷达保障技术需求如此迫切的环境下，无法满足对双偏振天气雷达装备技术保障需求。用无人机作为定标平台对双偏振天气雷达进行定标，还有很多理论和技术问题需要解决。首先，在定标过程中无人机作为空中移动平台其姿态稳定性是一个重要问题，姿态变换对应无人机坐标标架和雷达坐标之间的几何位形关系的变化，这种变化将直接影响双偏振雷达偏振参量的测量准确度，研究无人机姿态变换对双偏振天气雷达定标影响及消除方法具有重要理论和现实意义。另外，无人机用于定标的源信号（或者携带的散射体）必须能够反映真实天气目标回波特征，这样对于双偏振雷达定标和应用才更有实际意义，所以研究能够反映典型天气目标回波特征的机载信号源或信号源库，对基于无人机的双偏振天气雷达定标非常有必要。在无人机平台具有优势的条件下，研究先进的多偏振参量定标算法，提高定标水平，提高我国双偏振天气雷达基础数据质量，对我国双偏振天气雷达应用和发展有着极其重大的意义。

2.2.3 相控阵天气雷达定标技术

为了保障相控阵雷达系统工作的稳定性，需要对雷达系统进行定标，要使相控阵雷达性能始终处于规定技术条件范围内必须定期对阵列天线进行定标。通过定标获得各通道幅相特性对相控阵天线性能进行评估，并根据实际工作需要进行校准使天线性能达到最优。根据阵列天线单元采样或测试信号注入路径不同，相控阵雷达定标分为内定标和外定标：内定标测试信号源置于天线阵内，外定标测试信号源置于天线阵外。

国内张志强和刘黎平研究了相控阵技术在天气雷达中的初步应用，通过分析相控阵天气雷达波束宽度与增益特性，在经典雷达天气方程基础上给出了有关相控阵天气雷达反射率的计算方法，分区域给出了详细的反射率因子估算参数，并在此基础上进行反射率估算，为相控阵天气雷达定标与定量测量提供理论基础。赖光霁等基于码分复用的相控阵雷达内定标技术，提出一种能够准确、实时地对阵列进行定标的方法—基于码分复用的内定标方法，选择伪随机序列（m序列）和Walsh序列进行相位编码，对基于两种序列的内定标进行分析并通过仿真实验验证了方法的有效性。程张凡等对一维X波段相控阵天气雷达天线的发射校正、接收校正以及强度定标基本原理及方法进行了对比研究。刘黎平和吴翀研究了X波段一维扫描有源相控阵天气雷达测试定标方法，根据有源相控阵天气雷达体制特点，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，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，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水平和垂直位置、结构和系统误差均比较一致，数据可靠。探索和研究先进的相控阵天气雷达定标技术，不断推动我国相控阵天气雷达技术的发展，将来对我国相控阵天气雷达应用有着极其重大的意义。

2.2.4 定标技术发展趋势

为满足天气雷达对定量降水估测精度和相态识别的需求，双极化天气雷达在实际应用中对指标提出了一系列新的要求，定标指标要求也更高，比如：差分反射率因子

Z

和差分传播相移

Φ

是重要的双偏振参数，

Z

的双通道一致性偏差必须控制在0.2 dB之内，同时

Φ

的偏差需要控制在2%以内，所以准确测量

Z

和

Φ

的偏差并进行订正是研究双偏振天气雷达定标技术的关键，也是双偏振天气雷达数据是否准确、可靠的重要基础。当然，将来相控阵天气雷达是重要的发展方向，相控阵雷达的扫描速度更快、更细、更广、更准。随着对相控阵天气雷达技术的不断探索和技术逐渐成熟，相控阵技术优势不断显现，对相控阵天气雷达的定标技术迫切需要更多的探索和研究，比如：阵列天线定标、内定标技术、外定标技术、一维定标方法等（图3）。

图3 国内天气雷达定标技术发展趋势Fig.3 Development trend of weather radar calibration technology

3 天气雷达测试与故障诊断技术发展与趋势

天气雷达测试与故障诊断的经典方法可以分为三类:即基于信号处理、解析模型和知识处理方法。基于信号处理方法是根据控制过程输入输出的变化趋势来进行诊断；基于解析模型方法则主要是通过分析系统模型参数与物理元器件参数之间的关系来进行参数估计和状态估计；基于知识处理方法主要包括基于粗糙集的故障诊断方法、基于遗传算法的故障诊断方法和基于故障树的故障诊断方法等。

3.1 传统技术

传统技术主要由原始人工诊断阶段和传感器与计算机融合诊断阶段，传统的天气雷达测试、维护和故障诊断技术方法主要以依靠内建测试技术（BIT），根据内建的自测试功能，一旦各分系统出现故障，系统便会自动报警，然后人工根据报警参数和测试信息进行判断和诊断故障。天气雷达业务保障技术已经积累很多经验，并不断分享形成了很多案例，尤其是在雷达故障分析和故障维护技术方面。胡东明等对CINRAD/SA雷达发射机调制器故障进行了分析与处理；周红根等对CINRAD/SA天气雷达故障和伺服系统特殊故障进行了分析；刘娟等对CINRAD/SC天气雷达发射机故障总结了综合分析与检修技巧；蔡勤等对CINRAD/SA雷达闪码故障进行了诊断和分析；朱毅等设计并创建了天气雷达数据处理系统；杨传凤等讨论了CINRAD/SA雷达数字中频改造技术难题及解决方法；蔡宏等分析了新一代天气雷达接收系统噪声温度不稳定性原因；何建新、潘新民等、周红根等、杨传凤等对雷达伺服系统原理和系统特殊故障处理进行了介绍和总结；蔡勤等、舒毅等、李明元等、胡东明等分别对雷达闪码、轴角箱、控制序列超时以及伺服系统方位典型故障进行了分析和处理；潘新民等和舒毅等在发射机触发器芯片级故障诊断、发射机高压打火组件级故障诊断、SA(B)整流组件设计和风冷技术改进等获得成果 。各种传统技术形成的故障诊断案例已经汇聚成了天气雷达故障诊断专家库，成为了智能化诊断技术的基础，为智能化诊断阶段做出了很多贡献。

3.2 智能化诊断技术

智能化诊断技术主要有智能化诊断阶段和智能化预测与管理阶段，现代天气雷达设备大多采用集成化、固态化技术，组件数量和复杂程度不断增加，在提高了天气雷达探测性能的同时，也为精确查找天气雷达故障种类、位置提出了更高的技术要求，传统技术方法已经无法满足。近年来，各种智能化诊断技术蓬勃发展，将智能诊断技术应用于天气雷达系统故障诊断成为了当前天气雷达系统保障技术研究的重点和热点。随着计算机、软件、微电子等技术的不断深入发展和完善，虚拟仪器以其开放性、易用性、扩展性强等特点，逐步取代传统检测仪器，成为各种复杂电子设备故障检测的高效手段。于是，国内也提出了利用天气雷达测试与故障诊断系统来辅助或者代替传统雷达测试与故障诊断手段，以达到缩短天气雷达测试和故障诊断时间、规范维修维护方法、提高维修效率的目的，天气雷达标准输出控制器系统（WRSOC）和基于虚拟仪器的天气雷达测试与故障诊断平台的出现可以满足需求。

天气雷达标准输出控制器系统（WRSOC）主要用于监测天气雷达关键技术参数，同时具备对雷达运行环境参数、附属设备运行状态参数及适配参数变更痕迹等信息采集、在线监测、统计分析和传输等功能。它通过构建一种联合异常检测与支持向量机的天气雷达故障诊断模型，采用异常检测与支持向量机联合诊断模型对天气雷达整机进行故障诊断，从而使得故障诊断准确率有较大提高，目前已经在天气雷达业务中进行成熟的应用（图4）。

图4 天气雷达标准输出控制器系统Fig.4 Weather radar standard output controller system

基于虚拟仪器的天气雷达测试与故障诊断平台是采用PXIE结构板卡仪表资源的便携式测试系统，硬件上配备了满足业务天气雷达测试时需要的仪器仪表：万用表、示波器、信号源、功率计、频谱分析仪等。平台结合了测试系统理论和虚拟仪器技术的研究是基于QT、LabView等软件技术的专用测试系统与故障诊断系统，系统内嵌的专业软件可通过专家知识库、故障树、开放式诊断流程等设计方（算）法，引导用户解决天气雷达常规测试、性能检测以及故障诊断与排查等操作。天气雷达测试与故障诊断系统可以通过虚拟仪器进行软件编程，集合多种测试功能，并能进行快速、准确地数据处理与显示，能有效地缩短维修周期、降低维修成本、提高维修可靠性，把天气雷达系统的维护、测试与故障诊断技术水平提升到一个新的台阶和高度，实现了集成化、模块化和智能化（图5）。

图5 天气雷达测试与故障诊断平台Fig.5 Weather radar test and fault diagnosis platform

3.3 智能化诊断算法

当前，天气雷达测试与故障诊断智能化技术的发展也面临着很多挑战，尤其是在天气雷达标准输出控制器（WRSOC）和天气雷达测试与故障诊断平台系统中的故障诊断程序不断有着新技术的创新和应用。虚拟仪器技术是基石，那么智能化核心算法就是未来智能化技术的“心脏”。军用、船舶、航管等雷达测试与故障诊断智能化技术方面发展的比较快，天气雷达测试与故障诊断智能化技术发展相对比较滞后，采用军民融合的方式或许可加快天气雷达测试与故障诊断智能化技术的快速发展。

王杰和何建新、黄裔诚和郭泽勇采用故障树分析法对天气雷达设备可靠性进行精确地分析、计算和评估，对天气雷达系统建立故障树模型，运用集合论、布尔代数、概率论等对该模型进行定性、定量分析指导改善系统结构，而且在系统故障检测中能进行故障定位和诊断预测未来设备发生故障的概率。扈胜超和张涛、胡霄楠和史忠科采用BP神经网络以及专家系统与神经网络相结合的诊断方法，在实际雷达电路中建立精确的数学模型，提升天气雷达系统故障诊断的稳定性、准确性和自适应性。马敏等利用神经网络和Petri网相结合的自适应模糊Petri网，根据雷达故障专家系统中常用的模糊产生式规则建立模糊Petri网，然后结合神经网络知识通过样本数据对模糊Petri网中的权值进行反复的学习训练，避免依靠人工经验设置带来的不确定性，基于自适应模糊Petri网（AFPN）的雷达故障诊断方法和故障树方法相比又具有很多优势；马敏等还提出一种自上而下由整体到部分的分层建模与验证方法，通过对系统的初步分析，利用UML建模语言为该系统画出用例图和类图得到系统的静态模型来确定该系统的具体组成构架，然后为该系统建立一个随机Petri网动态模型，根据模型计算出系统性能指标，可以预防系统出现死锁、饥饿和资源冲突的情况，提高设备资源利用率，节约系统设计时间和成本，方便自动测试系统的组建。富震和潘伟在粗糙集理论和遗传算法研究基础上，提出一种纂于知识依赖度为启发信息的改进自适应遗传约简算法，并将其应用于雷达故障诊断，利用该算法对雷达故障进行诊断，获取简单而又能体现故障征兆与故障原因对应的诊断规则，避免了基于故障树专家故障诊断系统准确性差、效率低的缺点。李志华和沈祖诒为了优化自动测试流程，并将故障诊断算法动态插入到雷达故障诊断循环中，提出一种将雷达故障状态测试流程与故障诊断算法流程分离，使得测试流程与算法流程可以成为计算机中不同的线程或进程，定义了一种测试流程优化目标函数，讨论了一种基于预定义测试流程动态优化方法，实现在测试人员自主修改测试路径后，默认测试流程自动优化。庄夏提出一种基于增强学习神经网络的雷达故障诊断模型，对基于神经网络的故障诊断模型进行了构建和分析，采用马拉特（Mallat）塔式小波变换算法对故障输入数据进行特征提取方法，将神经网络故障诊断模型的所有参数作为马尔科夫决策模型（MDP）的状态空间，采用增强学习中的行动者评论家算法来寻求最优参数，并通过行动者对当前状态进行不断改变，不断提高雷达故障诊断效率和诊断精度等，都是在对智能化算法进行不断地探索和改进。

3.4 测试与故障诊断技术发展趋势

我国的天气雷达测试与故障诊断技术虽然在传统技术上积累了很多天气雷达相关的测试和故障诊断案例，但是主要依赖于基于信号处理方法，没有形成相应的技术标准、规范和体系。为了进一步提高故障诊断技术在雷达故障诊断中的实际应用能力，出现了一些对经典方法进行改进的算法，使得故障诊断算法更加智能，并逐渐将天气雷达测试与故障诊断技术推向智能化方向发展。由于对天气雷达测试与故障诊断技术的投入与天气雷达系统研发相比非常薄弱，当前处于传统技术与智能化诊断阶段初期的交替时期，仍然以传统技术为主，以智能化手段诊断为辅助，实现全面智能化诊断技术还需要相当长的时间积累和应用实践（图6）。

图6 天气雷达测试与故障诊断技术发展趋势Fig.6 Development of weather radar test and fault diagnosis technology

面对全国天气雷达双极化技术升级，将来对性能更加先进、结构更加精密、指标更加精细的双极化天气雷达甚至相控阵天气雷达的测试和故障诊断的智能化技术要求会更高，需求也会更加迫切。以智能化诊断技术为主，并逐渐甚至完全替代传统技术是将来的重要发展方向和趋势。虚拟仪器技术和软件核心算法都是为了不断提高对天气雷达测试与故障诊断技术的效率和准确性以及系统的“自适应性”和“智能性”。未来，随着智能化测试与故障诊断技术的不断丰富以及软件算法的不断完善，比如：VR技术、机器学习技术、深度学习技术、大数据技术、人工智能技术，将会全面发展和应用到天气雷达技术领域，从而达到和实现全面智能化技术的目的。

4 总结与展望

软件化雷达技术在萌芽发展，它通过软件定义、扩展和重构新一代雷达技术构建开放式的体系结构，在研制雷达操作环境的基础上实现雷达系统功能，可形成快速响应需求、缩短研制周期、提高维护保障和升级换代能力。软件化雷达技术采用开放式体系架构，基于标准化总线及通信协议，构建综合处理硬件平台，实现综合处理能力的灵活扩展和硬件资源的重组，支持符合标准规范的硬件平台替换和升级，从而便于装备的维护保障。

智能化雷达技术也在发展概念，未来智能化雷达具有环境自感知，基于知识学习、决策和系统控制能力，系统处理流程更加灵活，处理算法更复杂。它采用开放式架构的软件化雷达技术支持雷达系统，具有很强的系统功能、流程灵活定义和重构能力，支持雷达系统各类数据、知识的高速、有效存储、处理和应用，支持雷达各种智能算法的即插即用，发展软件化雷达技术可有效支持智能化雷达技术的发展。

从现实需求出发，面对国内双偏振天气雷达建设的迫切需求，科学、可行、标准、规范的双偏振天气雷达定标技术亟待研究，同时对相控阵天气雷达定标与测试技术不断进行探索。展望未来软件化和智能化天气雷达技术的出现，天气雷达系统智能化水平也非常高，对天气雷达保障技术复杂程度、难度和要求更是新益求新、精益求精，这必将对天气雷达的定标、测试和故障诊断技术发展带来更多新的机遇和挑战。