引言

X波段移动气象雷达是探测中小尺度强对流天气系统内部精细结构并且获得高时空分辨率数据的有效工具之一。自从问世以来，移动X波段气象雷达已经在各种野外科学试验中取得了巨大的成功。在此值得一提的是美国用DOW(Doppler On Wheel)系列车载X波段气象雷达^[1]开展了一系列龙卷追风^[2]活动以及对多个登陆飓风的野外探测试验，获取了大量的个例资料和实测精细数据，为进一步深入研究这类中小尺度强对流灾害性天气系统奠定了基础^[3-4]。此外，美国强风暴实验室(NSSL)等单位联合研制的SMART移动雷达^[5]多年来在中小尺度灾害性天气系统探测, 各种野外试验以及资料的应用上也堪称典范。

另外，美国的研究指出已建的WSR-88D气象雷达网无法探测到低层(0~3 km)大气中出现的各种中小尺度天气现象的物理过程和精细特征。为了从根本上解决3 km高度以下气象雷达网的探测覆盖盲区，美国于2003年制定了协同适应(Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere CASA)X波段小气象雷达组网试验计划方案^[6]，准备用10年时间在本土建成覆盖全国的低空雷达探测网，用以研究龙卷、下击暴流，并开展雷暴早期预警，以形成对气象雷达网探测的补充。同时进行雾、冻雨和降雪等灾害天气的形成及维持机理的研究，改进临近预报准确率和数值模式的预报精度。日本在东京地区已经建成了由多部X波段多普勒小气象雷达组成的探测网^[7-8]，用于监视暴雨和低层风灾，为特大型城市气象灾害防御开创了一条新的有效途径。

近年来国内新一代多普勒气象雷达(CINRAD)的组网及业务化运行日趋完善，CINRAD探测资料在中小尺度强烈灾害性天气系统的监测预警^[9-12]、人工影响天气^[13]等领域的应用与研究中取得了显著成效。但是如何进一步提高现有气象雷达的探测能力和精准度仍是重点工作。在现阶段，应用双线偏振技术^[14]是提高多普勒气象雷达探测能力的最有效的办法之一。利用移动X波段气象雷达作为大雷达网探测的补充^[27], 对登陆台风进行精细观测, 重大户外活动现场气象保障和参与各种突发事件的应急响应等已经形成了共识。

上海市气象局的X波段车载移动气象雷达于2007年下半年建成，并在重大气象服务及其野外观测试验中发挥了积极作用。在下面的章节中将分别介绍该雷达的主要性能以及为提升移动雷达野外实战能力和获取有效可靠的双线偏振探测数据而采取的关键技术和措施，希望能够对今后的工作有所帮助和启发。

1 X波段移动雷达的主要性能

上海移动X波段双线偏振多普勒气象雷达系统由美国EEC公司的DWSR-2001X－SDP/M型气象雷达、VOLVO卡车、数据通信(车)、辅助子系统共四大部分构成。技术人员根据移动雷达的探测特点、实际要求及已有的经验，对该移动雷达系统总的设备配备及集成方案进行了设计、修改，并且直接参与了在VOLVO卡车平台上的安装和调试。通过野外实战的检验，表明整个移动雷达系统的集成是合理可靠的。

选用VOLVO卡车作为移动平台主要考虑，一是该品牌卡车故障率低而且性价比高；二是车辆性能优良，发动机功率为380匹马力, 6轮驱动，最高时速可达120 km·h^-1，且采用气动装置进行整车调平、升降及避震，比较符合国内的道路条件以及野外恶劣天气条件下工作；三是车辆维修、保养等技术支持便捷。图 1是该移动气象雷达的外观照片，其长宽高分别是10 m×2.5 m×4.1 m。从VOLVO卡车驾驶舱向后依次是雷达工作舱、可升降天线舱、柴油发电机舱，在前部车厢顶装有WXT510型6要素自动气象站、GPS导航定位仪、旋转实景探头。移动雷达车还装有一套液压水平调整系统，其4个液压伸缩金属支架均安装在卡车的底盘钢梁上。其控制器安装在驾驶舱内，且与VOLVO卡车的手刹车控制电路融为一体，以确保卡车行进和停放时的安全。卡车燃油箱是专门定制的，其容量大且与雷达发电机油箱有管道相连，可作为备份油箱使用。通常一次性加满柴油，在野外可连续开机工作48小时以上。另外，该燃油箱在雷达车移动时还起到了使车体保持平衡的作用。

移动雷达工作舱面积近8 m²。舱内装有雷达发射控制机柜、UPS机柜、部分波导馈线、机舱配电箱、A和B二台工作站及配置的四个系统显示屏幕及二个与气象台值班室远程相通的实景监测大屏。舱内还装有内实景探头一个，通讯控制器一套，二台共三匹功率的制冷/热空调器。舱内全部设备与舱底及舱壁的连接均采取了减震避震措施。

在可升降天线舱里面，直径2.4 m的抛物面雷达天线连同其底座和伺服系统一起安装在一台单臂剪式液压升降机上，并且直接将它连在装有安全保护限位开关的2.3 m×2.7 m的升降平台上，同时采用规定的方位/仰角在天线升降舱内固定安置天线。升降天线舱右侧装有门，工作人员可手持控制开关方便地对雷达天线平台进行上升或下降操作。

尾部的柴油发电机舱内主要装有一台SDMO型38 kW功率的柴油发电机和整个移动系统的市电网及柴油机发电供电的切换箱。本移动雷达采用单相220 V电源，总的用电载荷约9 kW。

表 1是VOLVO卡车平台上集成的全部分系统。以下是对各个部分主要性能的描述。

在通信分系统中，本移动雷达设有本地控制以及远程同步显示和应用的功能。目前与本移动气象雷达配套的卫星通信车已经完成移动雷达探测资料/指挥调度指令与远程指挥中心之间的卫星上/下行双向传输功能测试，同时还有3G通信网络作为整个移动雷达系统的备份。该雷达车上二个旋转实景监测探头的视频画面也可通过上述方式传到中心气象台预报值班室，使得移动雷达的实景监测系统与现存的远程可视会商系统相融合。

该移动系统安装的美国ComNav公司的导航定位仪具有GPS定位、电子陀螺定向和可编程等先进功能。实际使用中该车载GPS定位与Google Earth定位比对后仅相差几米，其电子陀螺的定向精度优于0.5°。

该移动系统的核心部分是美国的DWSR-2001X-SDP/M型气象雷达，其计算机系统是二台装有EDGE5.0应用软件包的本地主控A工作站和本地(远程)控制B工作站，用网络方式连接。该雷达本身的控制和显示均采用触摸屏方式，详见图 2所示。图中上排4个红色触摸键依次是本地/远程切换键、调制器电源开关、伺服电源开关和高压辐射开关。右上角是脉冲宽度选择键。5个仪表盘分别给出高压电源电压/电流、方位/仰角、磁控管电流的实时显示。该触摸屏上还有多个雷达重要参数监测指示器，如实时指示:发射机柜温度、调制器温度、驻波比、脉冲重复频率等。这些参数正常时指示器为绿色，有故障时则显示红色。这种直观、醒目的显示给实际使用带来了方便。该雷达的实时信号处理采用了双EDRP-9高速信号处理卡，具有很强的实时信号处理能力，即便是发射脉冲在0.2 μs脉宽且高PRF时也无需降低天线的转速。

该移动雷达还有以下几点需要指出：

(1) 一旦雷达系统上电后，GPS定位仪和电子陀螺自动定位、定向并将这些数据传到A工作站，由应用系统的地图软件自动调整底图取向后，生成以当前雷达地理位置为中心的叠加在GIS底图上的PPI扫描范围，而且随着光标的移动显示经纬度数值。若雷达移动的直线距离较前一次观测位置大于1500 km时，应用软件则自动重新生成GIS底图并重新叠加PPI扫描范围。

(2) 机舱内的A工作站是实时控制和人机交互的主操作平台，雷达的所有控制功能均可通过它来实现。操作人员可以按照指挥部的命令结合当地的天气状况，选择雷达工作参数、天线扫描模式、产品生成种类并且保存和传输资料。同时舱内的B工作站通过网络连接，实现分布式功能并且进行雷达数据和产品的拓展应用。其中包括：实时数据的存放、各类应用产品的生成和多种应用接口功能，如用户自编算法的调试、各种产品显示格式以及基数据存放格式的转换等。该移动雷达系统还配置了一台(可配多台)远程工作站，其功能与车载B工作站相同。远程遥控指令/数据等经过卫星到通信车再与移动雷达车进行实时双向链接，在远程即可看到移动雷达的产品并可同步开展应用。

(3) 由于该移动雷达系统还集成了远程实景监测和可视会商系统，所以在气象台预报值班室随时都可实时看到移动雷达车厢里的情况以及探测点处的天气，便于远程指挥和作业调度。该雷达车在野外的架设时间约为1小时，观测结束后雷达车恢复至可转场的时间约为40分钟，人员配备3~4人。

(4) 该移动雷达以高性能PC计算机为工作平台，采用LINUX SuSe操作系统。安装了经过几十年持续专业开发与经验积累的EDGE5.0应用软件包，其功能齐全、性能可靠、运行稳定。该引进的移动雷达系统共有应用软件及产品30多种，如：水凝体分类(HMC)、回波三维立体显示(XSEC)、风切变(SHEAR)及洪涝预警(SUBC)等。

(5) 该移动雷达可获得的探测数据包括：非订正反射率(水平、垂直)、订正反射率(水平、垂直)、径向速度(水平、垂直)、谱宽(水平、垂直)以及Z_DR、Φ_DP、K_DP和ρ_HV等。图 3中的照片是该移动雷达在2009年6月30日16时18分探测到的一次受稳定梅雨锋切变线影响产生的强降水回波及相同时刻的几种双线偏振产品。当时陆上实测到的地面14时至20时最大降雨量是宝山站36 mm，其次浦东站是24 mm。有研究表明，在纯降雨情况下偏振变量的特点是：Z_H值随雨强增大而变大；Z_DR为正值且当出现大雨滴时达到3~5 dB；K_DP值一般小于1°/km，含大滴时可达2.5°/km；ρ_HV在纯雨滴或纯小冰粒时其值约为0.97~0.98。通过分析本例中Z_DR、ρ_HV、K_DP图与反射率Z_H图的配合情况并结合地面实况后可确定，这是一次纯降雨的过程。其主要特点是：Z_H值图上大于28 dB回波区的主体部分在海上；Z_DR图则以0.3 dB小的正值为主，其分布与Z_H基本对应，绿色至黄色(0.9~1.9 dB)所示的Z_DR大值区比较零碎，但与Z_H的高反射率区基本吻合；ρ_HV图中0.97以上的高值区也与前二者的对应区域相匹配；在K_DP图中与高反射率区相对应的出现值为1.9°/km的区域比较零碎，但仍表示有大雨滴存在。

2 双线偏振关键技术分析

双线偏振雷达的主要作用是：改善雷达测雨的精度, 提高识别冰雹的准确率, 了解回波中降水粒子的相态及形状, 确定雨滴谱参数^[15]。2002年美国偏振气象雷达联合野外试验的结果^[16]表明，通过与试验区地面雨量计实测值的对比，多个偏振参数组合的1小时总降水定量测量的Z-R算法在点上和面上的估计精度分别比用单个参数的雷达雨量估计算法提高了1.7倍和3.7倍。然而，这些结果的获得完全是建立在双线偏振雷达探测参数有效可靠的基础上的。为了确保双线偏振雷达探测参数的有效可靠以及使得移动雷达具有优良的野外探测性能，该引进的X波段雷达采用了许多先进的技术与措施。表 2给出了该进口移动X波段雷达验收时实测的部分主要技术指标和性能与国内同类产品的情况对比，其具体分析如下：

(1) 对于同时发射接收的双线偏振雷达而言，除了需要对双线偏振测量参数如Z_DR等在光路上的衰减进行订正^[17-19]以外，还须在雷达设计或工程化时尽可能使得H和V二个通道的特性完全相同，其中包括：增益、插损、相位、驻波、天线指向和波束特性等保持一致，以求减小系统性误差和衰减。为了实现这一目标，该进口雷达设计了AMR(Antenna Mounted Receiver)专利技术，将接收机/信号处理器以及双线偏振波导全部集成在雷达天线的仰角轴上。其结构详见图 4所示。该专利设计的优点是，去除了信号从天线传到雷达车厢内接收机的这段高频电缆。这样一方面大幅度降低了电缆的插损(约0.6 dB)、驻波和相位造成的H和V二个通道特性不一致对双线偏振参数测量的影响。另一方面，由于回波信号传输路径缩短，衰减减少，降低了双通道信号被外界或是互相电磁干扰的机会，提高了信号的质量，同时还有利于雷达对弱信号的检测。而传统做法是将接收机/信号处理器等安放在雷达机舱内，从天线引下通到机舱里的高频电缆至少比现行设计要多用两根，除了有前面分析提出的问题外，还增加了移动雷达架设时的时间。另外，在该雷达的应用实战中，曾经发生过连接双通道T/R限幅器和低噪声放大器的两根半刚性射频同轴电缆因雷达车行进颠簸损坏，新做的两根电缆的插入损耗值不相同，而造成Z_DR测值不正确的情况。这说明两个通道的一致性非常重要，任何细小的差别，都会造成偏振数据的误差和不可靠。野外实战表明，该移动雷达采用AMR技术的接收机箱的密封性能是好的，而且箱内用半导体温控制冷技术是有效的，维护保养也十分方便。

(2) 美国在WSR-88D雷达上的研究和试验结果表明，双线偏振的关键参数Z_DR、Φ_DP等的精度或准确性与回波的信噪比成正比^[20-21]。所以该进口雷达的另一大亮点是：采用先进的退模糊技术，实现大功率发射，有效地改善和提高了回波的信噪比。从表 2可知，该X波段双线偏振多普勒气象雷达的发射机峰值功率为200 kW，其SAT验收测试结果见表 3，这相当于C波段雷达的发射功率，对比目前国内同类X波段气象雷达一般都为75 kW。显然在双线偏振参数的测量中，若被测对象其他条件相同，则该进口雷达探测回波的信噪比提高了约4.6 dB。有研究指出，X波段雷达单程的衰减率和差分衰减率比S波段和C波段雷达的衰减分别大2个数量级和1个数量级^[22]，即使是在小雨的情况下X波段雷达接收到的功率也会大幅度下降，从而影响雷达反射率和差分反射率的数据质量。但是由于该X波段雷达发射功率大，探测距离远，不仅可显著提高对弱回波信号的检测能力，而且还增强了雷达本身的抗干扰性能。此外，提高接收机线性动态范围和灵敏度也可改善回波的信噪比。一般气象雷达回波强度变化范围大致在95 dB左右，国内同类型雷达接收机的线性动态范围的典型值为90 dB。该移动雷达系统的测试结果表明，当脉宽为0.2 μs，0.5 μs、1 μs和2 μs时其值均落在95~100 dB范围，超过国内指标。从表 2还可知，该进口雷达的接收机灵敏度实测值也明显优于国内产品的设计指标值，其中0.5 μs脉宽时高1 dBm, 1.0 μs脉宽时高出2 dBm。分析认为，采用高灵敏度接收机是为了探测到有效的信号强度相对较弱的双线偏振数据。例如，交替发射雷达在对退极化因子L_DR进行测量时，由于Z_HV要比Z_HH小2至3个数量级，在大部分雨滴区L_DR＜-25 dB, 故要求双线偏振雷达接收机的灵敏度很高，否则测不出L_DR的值。又如，Z_DR的典型值仅在-2 dB至+5 dB范围，不同降水的Z_DR值又可以仅差十分之几分贝，且影响Z_DR值精度的原因很多，对其精度要求很高。所以，双线偏振气象雷达除了探测水凝体反射率等大信号之外，更为重要的是必须在设计时如何周密的考虑保证对相对弱的偏振信号的有效测量。表 4给出的是双线偏振气象雷达在探测不同的目标情况下，雷达偏振参数的典型取值范围。从该表可知，几乎所有的雷达双偏振参数的测量精度要求都非常高。因此，采用先进技术，实现高水平的关键技术指标，大幅提升双线偏振气象雷达本身的探测能力，最终达到精确测量双线偏振参数的目的是至关重要的。

(3) 地物杂波抑制能力的优劣直接影响雷达反射率和速度测量的精度，进而最终会影响偏振参数的测量。对于X波段的雷达而言，探测距离相对较近，地物杂波干扰严重。因此，地物杂波抑制能力是一个特别需要在雷达设计制造时重点加以关注的技术指标。地物杂波抑制能力可用雷达系统的相位噪声来表示，其简化的公式为CS_db＝-20log(Δθ)。其中Δθ的单位是弧度。该移动雷达系统属磁控管振荡型发射机，由于采用了新的数字中频接收相参技术，大大消除了由磁控管及其他振荡器引起的相位抖动和频率不稳的问题。实测平均地物杂波抑制在40 dB以上，对应的相位噪声优于0.57°，极值时地物杂波抑制可达46 dB。国内同类型雷达的杂波抑制仅为30 dB左右，对应相位噪声约为2.0°。表 2中列出的是速调管体制下大于50 dB的地物杂波抑制指标。显然，该进口磁控管发射机雷达的地杂波抑制能力接近于速调管体制的雷达，但制造成本则大大低于速调管发射体制的雷达。目前国外研究的高斯模型自适应滤波(GMAP)技术^[24]，在同类型磁控管X波段双线偏振雷达上的地物杂波抑制能力的试验中已可达到50 dB的水平^[25]。另外，由于磁控管体制雷达初始相位的随机性，可降低回波出现距离折迭影响的几率。

(4) 双通道正交耦合隔离器的隔离度的优劣会直接影响双线偏振参数，如Z_DR的测量精度。若隔离度指标太低，其雷达探测的后果是：有一小部分发射功率，漏进另一种偏振通道，并且被同时发射出去。从而引起Z_H及Z_V的误差，最终使Z_DR产生误差。国内先期研制成功的同时发射接收的双线偏振雷达通道隔离度的实测值为33 dB^[26]，目前新建系统的隔离度指标要求大于40 dB。在表 2中对该指标打﹡号表示不是实测值。但是，在毛毛雨天气条件下，通过交换该引进雷达H和V二个通道的接收电缆，用发射水平信号，接收垂直信号的方法，对降水粒子的退偏振效应做了测量和检验，结果垂直通道没有回波信号。这表明小的雨滴呈球形状，基本上无交叉极化散射，证明该雷达的通道隔离度是好的。

(5) 精细化探测是移动雷达应该具备的最主要特性之一。雷达发射脉冲宽度越窄，则距离分辨率就越高，且脉宽窄则雷达盲区半径也小。这对探测中小尺度强烈灾害性天气系统，如：强阵风锋微尺度结构、龙卷、水平直径小于4 km的涡度、干线、辐合线和雷暴出流前沿等精细结构和其内部的变化，提高短时临近预警预报能力是非常有利的。该引进的X波段移动雷达最窄的发射脉冲宽度是0.2 μs，相应的距离分辨率为31.25 m。目前国内雷达一般的脉宽为1 μs(距离分辨率150 m)，极少数雷达设计有0.5 μs脉宽(距离分辨率75 m)，所以该移动雷达的精细探测能力比国产同类型雷达更胜出一筹。

(6) 抗风能力是检验移动雷达野外工作性能的又一个重要指标。该移动雷达在抗风上采取了三项具体的措施，即：配备了贝壳形脱卸式雷达天线防风罩，有效地减小了风的影响；加强了天线底座中齿轮力度和马达功率；增加了VOLVO卡车总的配重重量。从表 2可知，该雷达的抗风指标是10级风时可工作，12级风时不损坏，明显高于国内同类产品的抗风指标。此外，一体化的天线防风罩的设计和独特的天线外形设计，还可有效地减小风在水平和垂直发射时引起的波束指向变化对差分反射率Z_DR、差分相位Φ_DP的影响。

3 小结

通过以上对上海移动雷达主要性能介绍及其主要技术指标的对比分析，认为该引进的X波段移动双线偏振多普勒气象雷达所具备的性能以及在其上实现的关键技术指标和措施，完全是为了追求达到两个方面更好的效果：其一是使该移动雷达能够获得更可靠、更精确的双线偏振测量数据；其二是提升X波段移动雷达野外作业、精细观测和应急机动方面的能力。目前上海对该引进的移动X波段双线偏振多普勒气象雷达的应用研究尚处于起步阶段，文章对该雷达的几个主要关键技术指标的分析也是初步的，还有大量的工作需要继续深入开展，其中包括：移动X波段双线偏振气象雷达系统的标定和校准、双线偏振测量数据的精度订正、探测资料的质量控制技术、移动X波段双线偏振气象雷达野外(应急)观测方法以及与移动双线偏振气象雷达运行相配套的管理措施等。但是完全有理由相信，在该雷达上实现的这些关键技术和新颖的设计理念，值得国内在改进同类型气象雷达性能的设计制造中学习和借鉴。同时，文章对于如何去选择质量优、性能好的移动X波段双线偏振多普勒气象雷达也具有一定的参考作用。