新一代天气雷达运行性能评估与技术升级分析

王箫鹏，陈玉宝，刘 洁，邵 楠，杨 亭

(1.中国气象局气象探测中心，北京100086；2贵州省大气探测保障中心，贵阳550000)

0 引言

中国从20世纪90年代中期开始大规模建设具有定量测量降水和获得大气动力场结构能力的数字化全相参多普勒天气雷达网，在定量测量降水以及对大尺度、中尺度天气系统的结构、演变的监测能力方面得到了广泛的应用[1-3]。随着运行年限的增加，天气雷达设备硬件老化，可靠性和性能参数降低，导致雷达故障和回波异常情况逐渐增多，影响了观测数据质量，阻碍了雷达建设效益进一步发挥。2016年6—8月，中国气象局气象探测中心对全国170部业务运行雷达进行了检查[4]。文章重点抽取了全国CINRAD/SA等6种型号27部雷达，结合获取的现场测试结果和雷达自身运行数据，评估了组网雷达业务运行性能，分析了雷达运行性能下降的原因，并基于现有国内外成熟技术，提出了在现有雷达体制下设备端所应进行的技术升级内容，目的在于提高中国组网雷达设备运行的稳定性、可靠性和现代化应用水平。

1 天气雷达业务运行技术性能分析

1.1 评估内容与方法

文章综合考虑布网新一代天气雷达的地域分布、运行年限、运行情况、抽查比例及维修频次等因素，同时结合由于气候情况和主汛期时段划分的差异导致雷达观测时间不同的情况，共抽取了截至2016年6月在网运行的6种型号27部雷达进行技术性能评估，约占全国业务运行雷达的15.9%。图1(a)为27部雷达中各型号雷达占该型号全国业务运行雷达总数的比例，分别约为：8.2%、20.0%、30.8%、40.0%、7.3%及19.0%；图1(b)为抽测雷达运行年限分布，可以看出，抽测的27部雷达作为评估的样本满足此次对全国雷达性能评估的要求。

性能分析分两部分：1)对雷达机外发射功率、相位噪声等14个关键技术参数进行现场检查和测试，评估雷达当前性能；2)基于雷达连续运行在线监测数据，对雷达机内发射功率、噪声系数及杂波抑制能力3个关键技术参数进行分析，评估雷达运行稳定性和可靠性。各项评估指标设计如下：

1)单部/单项雷达指标合格率(PS)，指单部雷达满足指标要求的参数个数(T)在评估总参数量(M)所占百分比，或样本中某项参数合格数(T)在样本总量(M)所占百分比。该指标用于对单部雷达系统质量或单项指标可靠性的考量，是作为现场评估的主要依据。

(1)

(2)

式中，N为参与测试雷达的数量。

1.2 主要技术指标现场测试分析

通过对比雷达发射功率机内、机外测量结果发现(已剔除因软件或硬件故障出现的机内功率为0、无显示等异常情况)，CB雷达发射功率机内、机外测量平均误差最大，达到0.62 dB，最大误差为2.11 dB。SC、CD雷达机内发射功率测量不准确，发射机输出功率变化时，随机功率计测量功率值无变化，或者根本采集不到数值。CC雷达在现场检测中因测试仪表原因，未进行发射功率机内、机外一致性检测。各型号雷达机内、机外动态范围较为一致。CD雷达噪声系数自动测试中，采样值变化幅度大且不稳定，其他型号雷达噪声系数自动测试中，机内(机外)测量值一致性较好，但各型号雷达噪声系数普遍存在机内与机外一致性差的问题。

1.3 雷达业务运行性能分析

基于雷达运行状态数据，对各型号雷达的重要技术参数进行统计分析，以评估机内监测标定系统的稳定性和可靠性。因无法获取SC、CC和CD雷达完整的运行状态数据，文章只对其机内发射功率测量性能进行分析。

1.3.1 SA/SB雷达

由于梧州(SB)、台州(SA)、桂林(SB)3部雷达在业务检查过程中未获取到在线监测数据，因此文章对徐州等8部SA/SB雷达进行了相关分析。

分析8部雷达发射功率在3个月内的幅度变化情况可知，泰州、南通、常州3部雷达机内功率测量值稳定且均符合指标要求，其余5部雷达的功率测量值变化区间较大，即机内功率测量值不稳定，功率最大变化约210 kW，且存在以下2个问题：一是雷达开高压运行后(冷热状态变换)的3～5个体扫内，机内发射功率值会出现虚高，随着运行时间增加逐渐恢复稳定；二是机内功率在运行中存在跳变情况，且跳变幅度较大，如柳州雷达功率值主区间为638～694 kW，最小值约540 kW，最大值约750 kW。

地物抑制能力主要由雷达系统相位噪声(相干性)决定，地物抑制能力下降不利于速度产品资料分析和质量控制，从而影响小尺度灾害性天气速度特征分析。8部雷达的地物抑制能力变化情况可得出2016年1—3月8部雷达地物抑制能力满足指标要求，其中徐州、安庆、铜陵3部雷达稳定性较好且指标合格率高，常州、柳州、万州3部雷达地物抑制能力稳定性次之。

统计分析8部雷达的噪声系数变化可知，8部雷达机内噪声系数在3个月内均满足指标要求(小于4 dB)，且稳定性较好(平均变化幅度小于1 dB)。

1.3.2 SC/CD雷达

由于绵阳(SC)、毕节(CD)2部雷达在业务检查过程中未获取到在线监测数据，因此文章对成都等6部SC/CD雷达进行了相关分析。图2是2016年5月对6部雷达机内发射机功率值的分析，表明乐山雷达机内发射机功率均为0，铜仁雷达机内发射机功率有跳变，原因为机内发射机功率测量装置出现故障或运行不稳定，导致相关时间段无法获取功率测量值；其余4部雷达发射机功率值随时间基本无变化，但机外多次功率测试数据表明，发射机功率应该是处于波动状态，所以机内功率记录值与实际值有偏差，这种情况会导致雷达标定误差[6]。

图2 贵阳等6部SC/CD雷达机内发射机输出功率变化

1.3.3 CB雷达

由于绵阳和汉中雷达在业务检查过程中未获取到在线监测数据，因此文章对大同等4部雷达的性能稳定性进行了分析。图3为2015-12-27—2015-03-18 4部雷达发射机输出功率变化情况，PS分别为：99.1%、98.9%、56.9%、9.3%，标准偏差依次为：21.1 kW、11.9 kW、12.0 kW、73.3 kW，大同和榆林雷达功率波动变化超过了0.3 dB(约18 kW)的指标要求，榆林雷达发射机功率最大波动时段出现在更换速调管附近时段和发射机发生故障时段，波动范围可达50～350 kW。由于相参信号相噪不稳定导致大同等4部雷达地物抑制能力超限且变化幅度大、不稳定，地物抑制比标准差最大达14.3 dB(图4)。图5表明4部雷达噪声系数比较稳定，运行期间基本符合小于等于4 dB的指标要求。

图3 西安等4部CB雷达发射机输出功率变化

图4 西安等4部CB雷达地物抑制能力变化

图5 西安等4部CB雷达噪声系数变化

1.3.4 CC雷达

由于齐齐哈尔和白山雷达在业务检查过程中未获取到在线监测数据，因此文章对丽江等2部雷达的性能稳定性进行了分析。以2016年5月2部雷达机内发射机功率值变化情况为例，可以看出，2部雷达均存在机内测试功率值跳变为0的异常情况，分析原因为机内发射机功率测量装置运行不稳定，导致相关时间段无法获取功率测量值。剔除跳变为0(丽江雷达22个时次，德宏雷达50个时次)的异常数据后，2部CC雷达的机内发射机功率标准偏差分别为9.2 kW、4.4 kW，满足功率波动变化小于0.3 dB(约18 kW)的要求，同时德宏雷达发射功率在评估时间段均满足大于250 kW的指标要求，但是丽江雷达部分时段(约占19.4%)低于指标运行，即运行期间发射功率PS为80.6%，说明该雷达发射机性能不稳定。

2 存在的主要问题

2.1 雷达关键器件性能退化、不稳定，指标合格率偏低

6种型号雷达性能变化与运行年限明显相关，各型号雷达，尤其是SC/CB平均指标合格率偏低，表明雷达硬件存在不同程度性能退化的情况。发射机在冷、热两种状态下功率相差较大，速调管T5普遍存在较严重杂散干扰、输出功率不稳定、指标不合格等问题，而且SC/CC/CD速调管平均使用寿命偏低，在更换速调管时间段附近和发射机发生故障时段，峰值功率往往会出现大的波动，部分型号雷达T3存在底噪干扰与跳动，合格率低。发射机功率测量误差大、机内和机外测量值差别大，存在跳变甚至无法获取功率测量值(跳变为0)或功率值根本不变化、SYSCAL值出现大幅跳变为奇异数据等现象，该现象主要由发射机功率等参数的测量装置准确度和稳定性不高引起，从而影响在线标定准确度。CC、CD雷达天伺系统和SC雷达接收系统均需要重点进行性能恢复。各型号雷达汇流环的维护工作费时费力，而且频繁更换汇流环可能是导致SE1/SE2合格率偏低的原因之一。

2.2 雷达性能在线监测参数少，自动分析能力不足

27部雷达中相位噪声、动态范围等14项关键指标参数现场测试合格率偏低，但由于各型号雷达在线监测参数较少，尤其是SC/CC/CD雷达，多种关键参数只能通过现场采用机外仪表测试的方式进行检查，无法实时获取数据且部分型号能够在线监测的个别参数值未能真实反映雷达当前状态。目前在网运行的雷达缺少在线评估雷达性能的能力且标定不够准确，运行不够稳定，不能及时检查发现关键性能变化及超限预警，导致无法实时动态掌握各型号雷达运行状态和整体性能的变化，从而难以查明雷达性能不稳定、产品拼图质量下降的原因。

2.3 雷达自标定功能不完备

SA/SB/CB型号雷达的定标体系相对完备，基本满足业务需求，CC/SC/CD型号雷达的定标体系则相对简单。部分型号雷达不具备回波强度在线标定功能，以及地杂波抑制能力、接收系统噪声系数、标定通道关键参数等在线检查功能，因而无法根据雷达性能参数变化实时校正测量误差，以确保反射率因子测量准确度，导致系统参数S3指标合格率偏低。雷达系统参数S1合格率和稳定性普遍不高，需改进标定技术降低雷达系统相位噪声，提高地物抑制能力，以便更好地对速度产品分析和质量控制。此外，部分雷达标定方法不统一、操作复杂，如太阳法标定，功能不稳定、检测成功率低、误差大。

3 主要对策分析

文章针对业务雷达设备端存在的问题，为提高雷达数据质量，应对新一代天气雷达进行全面技术升级，提出以下3方面要求。

3.1 提升雷达关键器件技术标准

参考先进国家气象雷达相关技术指标，与此同时兼顾国内相关器件技术成熟度，文章提出了雷达关键器件主要技术指标，如表1所示。从而提高雷达的探测性能和雷达可靠性，降低了雷达的使用成本，同时也降低了雷达的故障率。如接收机应增加Burst混频标定通道，增加相位编码技术，可提升雷达系统地物抑制能力和相位噪声指标。

表1 各型号雷达关键器件性能要求

3.2 统一雷达监测和定标体系

雷达定标和监测体系技术标准主要包括在线监测参数、测试信号、定时与实时定标技术方法和流程等。各型号雷达在线自动测试参数建议统一为静态参数、运行模式、运行环境参数、在线定时标定参数和在线实时标定参数等5类[7，8]，CC/SC/CD应增加相位噪声、噪声系数和杂波抑制参数在线测试以及速度在线检查等功能，形成完善的雷达定标体系，提高组网雷达观测资料均一性。

3.3 提升雷达新技术应用能力

各型号雷达应增加统一的性能分析算法，在线分析雷达性能，动态掌握雷达性能变化，便于降低指标不合格率。应用雷达地基有源标定技术，解决现有业务雷达无法验证系统参数真实性、无法对雷达天线等参数现场进行精确测量、缺少组网雷达公共标定源、缺少双偏振雷达全链路标定手段等影响观测准确度的主要问题。在现有业务雷达上试验并应用雷达精细化探测技术[9]，在一定程度上提升了S波段新一代天气雷达对中小尺度天气过程的探测能力，因此升级现有业务雷达部分硬件和软件，以最小升级成本，实现其在时效性、精细化和个体化探测方面能力的显著提升。

4 结束语

文章通过分析现有业务雷达各项技术性能，指出了设备端存在的问题，进而有针对性地给出了雷达升级的主要方向。

1)27部抽样雷达14个关键参数指标合格率偏低，6种型号现场测试平均指标合格率依次为：78.57%、71.43%、39.29%、37.14%、67.86%和55.36%。6种型号雷达业务运行性能下降或不稳定，雷达整体性能差异相对明显，而设备端问题主要由雷达关键器件性能退化、在线监测分析能力不足及标定体系不完善等原因造成。

2)根据文章分析结果，应尽快完成雷达端设备技术升级，尤其是运行年限超过10 a的雷达，升级内容主要应为提升雷达关键器件性能、统一监测和定标体系、提升雷达新技术应用能力等3方面，目前大规模的升级工作已经启动。同时应加强地基有源全链路标定、性能分析等新技术的研发和应用，以整体提升雷达现代化技术水平，从根本上逐步解决各型号雷达间性能和观测资料差异偏大等问题。