機外儀表在天氣雷達年維護中的應用

周嘉健，徐黃飛，呂玉嫦，鄒慶彪，湯晶晶，劉艷中

(廣東省氣象探測數據中心，廣州 510080)

0 引言

目前中國雙偏振天氣雷達主要有S、C和X波段，不同波段的天氣雷達在探測性能方面有所不同，表現在空間分辨率、時間分辨率、對強回波的衰減等方面。截至2018年底，廣東省已建立11部S波段雙偏振天氣雷達，在對強對流、臺風、強降水等天氣過程的監測和短時臨近預報預警方面發揮重要的作用[1]。

為保證雷達的正常運行，廣東省在汛期后開展雷達年維護工作，對雷達不同系統的參數進行測量，調整參數保持正常狀態，以保證雷達的正常運行。

雷達年維護工作分為機外和機內測量。臺站人員對機內測量的步驟方法及對機外儀表測量中功率計和示波器的使用都較為熟練，但對頻譜儀和信號源的操作機會較少，因此文章對雷達年維護過程中所使用的機外測量儀表進行總結概括，并給出頻譜儀和信號源測量相關性能參數時的步驟和說明，為臺站人員在使用頻譜儀和信號源做測試時提供參考。

1 儀表型號與功能

1.1 頻譜儀

目前在用的頻譜儀的型號為安捷倫E4445A型。頻譜儀是研究電信號頻率結構的儀器，可用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量，同時也可以用于測量放大器和濾波等電路系統的性能參數。在天氣雷達維護工作中，頻譜儀主要測試項目有發射機輸出極限改善因子、發射機輸入極限改善因子、發射脈沖射頻頻譜以及機外噪聲系數。

1.2 信號源

信號源(信號發生器)的型號為安捷倫E4428C型。在許多電路實驗中，常常需要為實驗電路提供1個輸入信號來驗證實驗電路是否符合設計要求，或者用于了解實驗電路的功能特性。因此信號源可提供頻率和幅度可調的正弦波、三角波、鋸齒波、方波等各種標準波形的電子儀器。在天氣雷達維護工作中，信號源在測試機外動態范圍、反射率定標和機外速度測量時提供穩定輸出信號。

2 雷達年維護機外測試項目

在天氣雷達維護工作中，頻譜儀主要測試發射機的輸入極限改善因子、輸出極限改善因子、發射脈沖射頻頻譜以及機外的噪聲系數；信號源在測試機外動態范圍、反射率定標和機外速度測量時提供穩定輸出信號。

2.1 發射機輸入/輸出極限改善因子

用頻譜儀檢測信號功率譜密度分布，從中求取信號和相噪的功率譜密度比值(S/N)，根據信號的重復頻率(F)，譜分析帶寬(B)，計算出極限改善因子(I)，公式為[2，3]：

(1)

式中，I為極限改善因子(dB)；S/N為信號噪聲比(dB)；B為頻譜儀分析帶寬(Hz)；F為發射脈沖重復頻率(Hz)。

測量指標要求發射機輸出極限改善因子應優于52 dB，發射機輸入極限改善因子應優于55 dB[4，5]。

2.2 發射脈沖射頻頻譜

發射脈沖射頻頻譜的指標要求是-40 dB處譜寬不大于7.26 MHz，-50 dB處譜寬不大于12.92 MHz，-60 dB處譜寬不大于22.94 MHz。

2.3 機外噪聲系數

機外噪聲系數的測量流程如圖1所示。

圖1 機外噪聲系數的測量與頻譜儀設置流程

圖1中①表示機外測量噪聲系數時的連接方式。噪聲源由頻譜儀供電，使用BNC電纜連接頻譜儀背面的+28 V供電口和噪聲源，噪聲源連接低噪聲放大器輸入端。②表示頻譜儀的設置流程。依次選擇頻譜儀的MODE→Noise Figure→Monitor Spectrum→Source，進入機外噪聲源的供電控制界面。按下Source右側實體鍵可切換是否給噪聲源供電，off為冷態，on為熱態。在RDASOT中選擇噪聲系數，并勾選機外，先進行冷態測量，再進行熱態測量。

2.4 信號源的機外標定應用

利用信號源模擬輸出信號進入雷達接收鏈路，進行動態范圍測量、反射率定標以及速度測量的連接方式都是一致的，因此測量流程和信號源的設置流程如圖2所示。

圖2 動態范圍測量、反射率定標以及速度測量與信號源設置流程

圖2中①是利用網線將信號源與RDA計算機連接起來，②是利用SMA測試線將信號源接入低噪聲放大器輸入端(H/V通道)，③是信號源的網絡設置，依次選擇Utility→GPIB/RS-232→LAN Setup→IP Adress，設置IP地址、子掩碼和網關，最后需要重啟信號源。在RDASOT中的參數設置里需要勾選信號源控制，并設置電纜損耗，該損耗為SMA線的損耗。

2.4.1 機外動態特性測試

在RDASOT中進入“動態范圍”模塊，選擇“機外”，然后點擊“自動測試”，則計算機控制信號源自動完成機外動態的測試，測量指標需求動態范圍要大于95。

2.4.2 機外反射率標定

反射率標定流程如圖3所示。圖3中①是將功率計接入無源限幅器的輸出端，②是在①完成后通過RDASOT的軟件示波器模塊發射信號獲取低噪聲放大器的注入功率，③是通過RDASOT的反射率標定模塊進行機外反射率標定，②中測量的低噪聲放大器注入功率依次衰減-30 dBm、-40 dBm、-50 dBm、-60 dBm、-70 dBm、-80 dBm，測量6次。測量指標要求反射率測量值與注入信號計算回波強度值(期望值)的最大差值應在±1 dB范圍內。

圖3 反射率標定流程

2.4.3 機外速度測量檢驗

速度測量流程如圖4所示。

圖4 速度測量流程

圖4中①是設置信號源頻率和輸出功率，②通過RDASOT的軟件示波器模塊依次設置后點擊開始，③是通過改變信號源頻率找出0速度點。

0速度點的查找方式為先在“軟件示波器”界面中DPRF設置為4∶3雙重頻模式，再從信號源頻率的“百位”上改頻率，按下頻率鍵，移動左右箭頭，將光標移動到“百位”上粗調，在“十位”和“個位”上細調。在“軟件示波器”界面中DPRF設置為NONE單重頻模式，檢查所示速度是否也為0點，如不是，則繼續按照百位、十位、個位的順序依次調整。只有DPRF雙重頻和單重頻兩種模式下速度均為0時才是真正的0值點。測量指標要求測量值與理論計算值差值小于1 m/s。而理論計算公式為：

V=λ×fd/2

(2)

式中，λ是雷達波長；fd為多普勒頻移。

3 結束語

文章主要介紹了如何利用頻譜儀和信號源對天氣雷達相關參數進行機外測量，并給出了發射機輸出極限改善因子、發射機輸入極限改善因子、發射脈沖射頻頻譜、機外噪聲系數、機外動態范圍、反射率定標和機外速度測量各項測量項目的測量流程和步驟。以期為臺站人員提供機外儀表測試參考。