X波段相控阵天气雷达多波束扫描模式的观测偏差及订正

朱家杉; 刘黎平; 吴翀; 周钦强; 刘艳中; 高思楠; 耿飞; 黄辉

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2025.055

X波段相控阵天气雷达多波束扫描模式的观测偏差及订正

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.055

朱家杉¹,
刘黎平^2, ,,
吴翀²,
周钦强¹,
刘艳中¹,
高思楠³,
耿飞⁴,
黄辉⁵

1.
广东省气象数据中心，广东广州 510080
2.
中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081
3.
中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州 510641
4.
中国气象局人工影响天气中心，北京 100081
5.
广东纳睿雷达科技股份有限公司，广东珠海 519080

基金项目:

国家自然科学基金联合基金项目 U2142210

广东省基础与应用基础研究基金气象联合基金项目 2024A1515510003

广东省重点领域研发计划项目 2020B1111200001

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2022M18

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2021Z03

广东省气象局科技创新团队项目 GRMCTD202103

详细信息

通讯作者:
刘黎平，男，河北省人，研究员，主要从事雷达气象研究。E-mail：lpliu@cams.cma.gov.cn

中图分类号: P412.25
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出版历程
- 收稿日期: 2024-05-22
- 修回日期: 2025-06-08
- 网络出版日期: 2025-11-26
- 刊出日期: 2025-10-20

Observational Deviation and Correction Caused by Multi-Beam Scanning Mode from X-Band Phased Array Weather Radar

1.
Guangdong Meteorological Data Centre, Guangzhou 510080, China
2.
State Key Lab of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
3.
Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510641, China
4.
Weather Modification Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
5.
Guangdong Naruida Technology Co., LTD., Zhuhai, Guangdong 519080, China

摘要

摘要: 目前，相控阵天气雷达在国内的应用已初具规模，其高效灵活的相控阵电子扫描模式显著提高了雷达的观测效率，使其适应不同的观测任务。然而，相控阵天线性能参数的不稳定性也为数据质控带来了新的挑战。为了检验相控阵雷达多波束扫描模式的合理性及对数据质量的影响，定量对比了广东省广州市三部X波段双偏振相控阵天气雷达和一部S波段新一代双偏振多普勒天气雷达的观测数据，评估了单波束和多波束扫描模式下灵敏度变化、各个仰角观测量的偏差及其原因。研究结果表明，多波束模式下相控阵雷达的Z_H和Z_DR观测偏差会随着波束指向偏离天线阵面法向而增大；天线增益在宽发射波束内分布不均匀，造成各个仰角的数据呈现出与发射波束宽度一致的周期波动。通过订正，将多波束模式下不同仰角Z_H的平均观测偏差控制到-0.6 dB左右，本研究为相控阵雷达的数据质控和深入应用提供了思路和依据。
- 相控阵天气雷达 /
- 双偏振天气雷达 /
- 反射率因子 /
- 数据质量 /
- 定量分析
Abstract: Currently, phased array weather radar has become increasingly widespread in China. Its efficient and flexible electronic scanning mode significantly improves the radar's observation efficiency, making it adaptable to different observation tasks. However, the instability of phased array antenna's performance parameters also poses new challenges for data quality control. To examine the rationality of multi-beam scanning mode of phased array radar and its impact on data quality, this study quantitatively compared observation data from three X-band dual-polarization phased array weather radars in Guangzhou and one Sband new-generation dual-polarization Doppler weather radar. The study evaluated sensitivity changes and observational deviations at various elevation angles, as well as their underlying causes, under both singlebeam and multi-beam scanning modes. The results indicate that in the multi-beam mode, observation deviation in Z_H and Z_DR of the phased array radar increases with the beam direction deviating from the normal direction in the antenna array surface. The uneven distribution of antenna gain within the wide transmission beam causes data at various elevation angles to exhibit periodic fluctuations consistent with the transmission beamwidth. Through the proposed correction, the average observational deviation of Z_H at different elevation angles in the multi-beam mode is controlled to approximately - 0.6 dB. This study provides a scientific basis and framework for data quality control and advanced application of phased array radar.
- phased array weather radar /
- dual polarization weather radar /
- reflectivity factor /
- data quality /
- quantitative analysis

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图 1 空间坐标匹配算法示意图

f_i⁰(i = 1~8)为将S-POL的单个取样体积等效为四棱台后的8个顶点。

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图 2 X-PAR不同扫描模式下的最小可测回波强度对比

红色、黄色和蓝色分别为雷达ZG000、ZG001和ZG002；散点为2022年8月9—11日单波束扫描模式、实线为2022年8月24—26日多波束(ZG002为单波束)扫描模式。

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图 3 X-PAR不同扫描模式下20 km处最小可测回波强度随仰角的变化曲线对比

a. 单波束扫描模式；b. 多波束扫描模式(ZG002为单波束)。红色、黄色和蓝色实线分别为雷达ZG000、ZG001和ZG002。

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图 4 2022年8月11日11:24，S-POL与X-PAR的数据对比

a~d分别为Z9200、ZG000、ZG001和ZG002雷达的1.5 km
CAPPI插值结果，a中的红色、黄色和蓝色圆圈分别代表ZG000、ZG001和ZG002的观测范围；e~g分别为ZG000、ZG001和ZG002雷达的全部高度CAPPI与Z9200的对比结果，横坐标为X-PAR的CAPPI Z_H，纵坐标为S-POL的CAPPI Z_H，填色为概率密度分布；h~j分别ZG000、ZG001和ZG002雷达Z_H与Z9200 Z_H观测偏差随Φ_DP的概率密度分布。

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图 5 与图 4相同，但为2022年8月25日19:06

d、g和j中的红色圆圈为衰减过订正区域。

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图 6 不同扫描模式下X-PAR参量与S-POL参量差异随仰角及距离的变化曲线

a. 单波束ΔZ_H－Elevation；b. 多波束ΔZ_H－Elevation；c. 单波束ΔZ_DR－Elevation；d. 多波束ΔZ_DR－Elevation；e. 单波束ΔZ_H－Range；f. 多波束ΔZ_H－Range；红色、黄色和蓝色实线分别为雷达ZG000、ZG001和ZG002；其中e和f中的ΔZ_H做了1 km的距离平滑滤波。

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图 7 实测AXPT0364天线增益随仰角的变化曲线

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图 8 ZG000雷达ΔZ_H增益订正和统计订正实例

a. 2022年8月25日12:27；b. 2022年8月25日12:33；c. 2022年8月25日12:34；d. 2022年8月25日13:04。灰色实线为原始未订正曲线，蓝色实线为使用增益订正后的曲线，红色实线为使用统计订正后的曲线。

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图 9 与图 8相同，但为ZG001雷达

a. 2022年8月25日13:18；b. 2022年8月25日13:19；c. 2022年8月25日13:20；d. 2022年8月25日13:21。

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表 1 S-POL和X-PAR的主要工作参数

参数名称	S-POL	X-PAR
工作频率/MHz	2 885	9 300~9 500
发射机峰值功率/kW	≥650	≥0.256
体扫时间/min	6	详见表 2
最大探测距离/km	460	60
距离分辨率/m	250	30
仰角覆盖范围/°	0.5，1.5，2.4，3.4，4.3，6.0，9.9，14.6，19.5	详见表 2
波束宽度/°	水平0.96，垂直0.95	详见表 2
阵面法向角/°	/	15
观测模式	VPPI(VCP21D)	VRHI

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表 2 窄发窄收单波束和宽发窄收多波束模式下的主要技术参数

参数名称	窄发窄收单波束模式	宽发窄收多波束模式
发射机峰值功率/W	256	400
体扫时间/s	92	60
仰角覆盖范围/°	0.9~27.9步进1.8 °，共16层	0.9~61.2步进0.9 °，共68层
波束宽度/°	水平0.9，垂直1.8	水平1.2，垂直0.9
脉冲重复频率/Hz	3 300	2 500
脉冲宽度/μs	20	20/40/60
脉冲压缩比	100	100/200/300
子波束数量	/	低40层仰角，发1收5；高28层仰角，发1收7

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表 3 雷达试验观测降水个例概况

序号	日期	时间段	过程简述	扫描模式
1	2022年8月3日	16:30—18:30	较小范围对流	单波束
2	2022年8月4日	15:00—20:00	较大范围稳定降水	单波束
3	2022年8月4日	23:00—次日00:30	较大范围稳定降水	单波束
4	2022年8月9日	14:00—16:30	较小范围稳定降水	单波束
5	2022年8月9日	23:00—次日03:30	较大范围对流	单波束
6	2022年8月10日	12:30—23:30	较大范围对流	单波束
7	2022年8月11日	11:00—15:30	较大范围对流	单波束
8	2022年8月25日	07:00—11:30	较小范围对流	多波束
9	2022年8月25日	12:00—15:00	较大范围对流及稳定降水	多波束
10	2022年8月25日	17:30—21:00	较大范围对流及稳定降水	多波束
11	2022年8月26日	14:00—16:00	较小范围对流	多波束

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表 4 ZG000和ZG001雷达ΔZ_H增益订正和统计订正实例效果评估

个例	原始数据			增益订正			统计订正
个例	AVE	MAX	STD	AVE	MAX	STD	AVE	MAX	STD
Case 1^*	-3.45	-4.93	0.75	0.75	-2.59	-3.78	-0.80	-1.97	0.47
Case 2^*	-3.80	-5.68	0.77	0.77	-2.93	-4.18	-1.14	-1.83	0.36
Case 3^*	-3.42	-4.94	0.60	0.60	-2.55	-3.43	-0.76	-1.70	0.42
Case 4^*	-3.12	-4.93	0.68	0.68	-2.25	-3.43	-0.46	-1.78	0.58
Case 5^**	-2.73	-3.78	0.85	0.85	-1.87	-2.95	-0.34	-1.92	0.52
Case 6^**	-2.75	-4.43	1.08	1.08	-1.88	-3.36	-0.36	-1.50	0.36
Case 7^**	-2.87	-4.52	1.08	1.08	-2.01	-3.45	-0.49	-1.07	0.27
Case 8^**	-2.93	-4.44	1.05	1.05	-2.06	-3.30	-0.54	-1.41	0.29
数据单位：dB；^：Case 1~4分别对应图 8中的4个个例；^*：Case 5~8分别对应图 9中的4个个例。

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