机外仪表在天气雷达年维护中的应用

周嘉健，徐黄飞，吕玉嫦，邹庆彪，汤晶晶，刘艳中

(广东省气象探测数据中心，广州 510080)

0 引言

目前中国双偏振天气雷达主要有S、C和X波段，不同波段的天气雷达在探测性能方面有所不同，表现在空间分辨率、时间分辨率、对强回波的衰减等方面。截至2018年底，广东省已建立11部S波段双偏振天气雷达，在对强对流、台风、强降水等天气过程的监测和短时临近预报预警方面发挥重要的作用[1]。

为保证雷达的正常运行，广东省在汛期后开展雷达年维护工作，对雷达不同系统的参数进行测量，调整参数保持正常状态，以保证雷达的正常运行。

雷达年维护工作分为机外和机内测量。台站人员对机内测量的步骤方法及对机外仪表测量中功率计和示波器的使用都较为熟练，但对频谱仪和信号源的操作机会较少，因此文章对雷达年维护过程中所使用的机外测量仪表进行总结概括，并给出频谱仪和信号源测量相关性能参数时的步骤和说明，为台站人员在使用频谱仪和信号源做测试时提供参考。

1 仪表型号与功能

1.1 频谱仪

目前在用的频谱仪的型号为安捷伦E4445A型。频谱仪是研究电信号频率结构的仪器，可用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，同时也可以用于测量放大器和滤波等电路系统的性能参数。在天气雷达维护工作中，频谱仪主要测试项目有发射机输出极限改善因子、发射机输入极限改善因子、发射脉冲射频频谱以及机外噪声系数。

1.2 信号源

信号源(信号发生器)的型号为安捷伦E4428C型。在许多电路实验中，常常需要为实验电路提供1个输入信号来验证实验电路是否符合设计要求，或者用于了解实验电路的功能特性。因此信号源可提供频率和幅度可调的正弦波、三角波、锯齿波、方波等各种标准波形的电子仪器。在天气雷达维护工作中，信号源在测试机外动态范围、反射率定标和机外速度测量时提供稳定输出信号。

2 雷达年维护机外测试项目

在天气雷达维护工作中，频谱仪主要测试发射机的输入极限改善因子、输出极限改善因子、发射脉冲射频频谱以及机外的噪声系数；信号源在测试机外动态范围、反射率定标和机外速度测量时提供稳定输出信号。

2.1 发射机输入/输出极限改善因子

用频谱仪检测信号功率谱密度分布，从中求取信号和相噪的功率谱密度比值(S/N)，根据信号的重复频率(F)，谱分析带宽(B)，计算出极限改善因子(I)，公式为[2，3]：

(1)

式中，I为极限改善因子(dB)；S/N为信号噪声比(dB)；B为频谱仪分析带宽(Hz)；F为发射脉冲重复频率(Hz)。

测量指标要求发射机输出极限改善因子应优于52 dB，发射机输入极限改善因子应优于55 dB[4，5]。

2.2 发射脉冲射频频谱

发射脉冲射频频谱的指标要求是-40 dB处谱宽不大于7.26 MHz，-50 dB处谱宽不大于12.92 MHz，-60 dB处谱宽不大于22.94 MHz。

2.3 机外噪声系数

机外噪声系数的测量流程如图1所示。

图1 机外噪声系数的测量与频谱仪设置流程

图1中①表示机外测量噪声系数时的连接方式。噪声源由频谱仪供电，使用BNC电缆连接频谱仪背面的+28 V供电口和噪声源，噪声源连接低噪声放大器输入端。②表示频谱仪的设置流程。依次选择频谱仪的MODE→Noise Figure→Monitor Spectrum→Source，进入机外噪声源的供电控制界面。按下Source右侧实体键可切换是否给噪声源供电，off为冷态，on为热态。在RDASOT中选择噪声系数，并勾选机外，先进行冷态测量，再进行热态测量。

2.4 信号源的机外标定应用

利用信号源模拟输出信号进入雷达接收链路，进行动态范围测量、反射率定标以及速度测量的连接方式都是一致的，因此测量流程和信号源的设置流程如图2所示。

图2 动态范围测量、反射率定标以及速度测量与信号源设置流程

图2中①是利用网线将信号源与RDA计算机连接起来，②是利用SMA测试线将信号源接入低噪声放大器输入端(H/V通道)，③是信号源的网络设置，依次选择Utility→GPIB/RS-232→LAN Setup→IP Adress，设置IP地址、子掩码和网关，最后需要重启信号源。在RDASOT中的参数设置里需要勾选信号源控制，并设置电缆损耗，该损耗为SMA线的损耗。

2.4.1 机外动态特性测试

在RDASOT中进入“动态范围”模块，选择“机外”，然后点击“自动测试”，则计算机控制信号源自动完成机外动态的测试，测量指标需求动态范围要大于95。

2.4.2 机外反射率标定

反射率标定流程如图3所示。图3中①是将功率计接入无源限幅器的输出端，②是在①完成后通过RDASOT的软件示波器模块发射信号获取低噪声放大器的注入功率，③是通过RDASOT的反射率标定模块进行机外反射率标定，②中测量的低噪声放大器注入功率依次衰减-30 dBm、-40 dBm、-50 dBm、-60 dBm、-70 dBm、-80 dBm，测量6次。测量指标要求反射率测量值与注入信号计算回波强度值(期望值)的最大差值应在±1 dB范围内。

图3 反射率标定流程

2.4.3 机外速度测量检验

速度测量流程如图4所示。

图4 速度测量流程

图4中①是设置信号源频率和输出功率，②通过RDASOT的软件示波器模块依次设置后点击开始，③是通过改变信号源频率找出0速度点。

0速度点的查找方式为先在“软件示波器”界面中DPRF设置为4∶3双重频模式，再从信号源频率的“百位”上改频率，按下频率键，移动左右箭头，将光标移动到“百位”上粗调，在“十位”和“个位”上细调。在“软件示波器”界面中DPRF设置为NONE单重频模式，检查所示速度是否也为0点，如不是，则继续按照百位、十位、个位的顺序依次调整。只有DPRF双重频和单重频两种模式下速度均为0时才是真正的0值点。测量指标要求测量值与理论计算值差值小于1 m/s。而理论计算公式为：

V=λ×fd/2

(2)

式中，λ是雷达波长；fd为多普勒频移。

3 结束语

文章主要介绍了如何利用频谱仪和信号源对天气雷达相关参数进行机外测量，并给出了发射机输出极限改善因子、发射机输入极限改善因子、发射脉冲射频频谱、机外噪声系数、机外动态范围、反射率定标和机外速度测量各项测量项目的测量流程和步骤。以期为台站人员提供机外仪表测试参考。