全固态Ka波段双偏振云雷达（2）：分系统技术指标与测试方法

本系列笔记基于中国气象局综合观测司 2023 年 3 月发布的《全固态 Ka 波段双偏振云雷达测试大纲》整理。本篇为第二篇：七大分系统的技术指标与测试方法，是本大纲的核心部分。

一、天线分系统

1.1 指标要求（表 1）

术语注释：

• 卡塞格伦天线（Cassegrain Antenna）：由主反射面（抛物面）+ 副反射面（双曲面）+ 馈源组成的天线，类似光学望远镜结构。副反射面把馈源辐射的能量反射回主面，等效于加长了焦距，结构紧凑，是毫米波雷达的常用选择。
• 波束宽度（3dB）：方向图上主瓣最大值两侧功率下降 3dB（即半功率点）之间的角度，决定角度分辨力。0.4° 的波束宽度在 35GHz 频段属于非常窄的波束。
• 副瓣（旁瓣）：主瓣之外的辐射小瓣。第一副瓣电平 -23dB 表示副瓣峰值比主瓣低 23dB。
• 交叉极化隔离度：天线接收同极化信号与交叉极化（正交极化）信号的抑制比。≥30dB 意味着 H/V 通道之间干扰很小，是双偏振雷达的关键指标。
• 驻波比（VSWR）：传输线上电压最大值与最小值之比，反映阻抗匹配程度，≤1.5 为良好匹配。
• 电轴：天线波束最大辐射方向的轴线。
• 天线罩：保护天线的罩子，会带来信号损耗，"双程损耗"指发射+接收两次穿过罩子的总损耗。

1.2 测试方法要点

方向图测试（远场测试）：

• 辅助天线极化与被测天线匹配，信号源设为工作中心频率
• 步进调整被测天线阵面，记录频谱分析仪接收电平，得方向图
• 比最大值小 3dB 的角度之和 = 波束宽度；E/H 面波束宽度差 = 3dB 波束宽度差

增益测试（标准增益天线替换法）：

• 用标准增益天线与被测天线分别注入相同功率，在辅助天线处测量接收功率 $P_1$、$P_2$
• 天线增益：$G = 10\lg\dfrac{P_2}{P_1}$ (dB)
• 水平/垂直分别测，做差得增益差 $\Delta G = G_H - G_V$

交叉极化隔离度测试：

• 收发天线同极化对准时记录接收电平 $P_1$，发射端换为交叉极化口记录 $P_2$
• 隔离度 = $P_1 - P_2$ (dB)

驻波比测试：矢量网络分析仪校准（开路/短路/负载）后直测。

波束指向方向差：分别测两极化端口最大辐射方向，计算方位、俯仰误差。

天线罩双程损耗：加装天线罩前后重复方向图和增益测试，比较辐射功率变化。

术语注释：

• 远场测试：天线测试在满足远场条件（距离 ≥ 2D²/λ，D 为口径）的场地进行。1.8m 口径、8.6mm 波长时远场距离约 750m，需要专用测试场或紧缩场（用反射面在短距离内模拟远场）。
• 紧缩场（Compact Range）：用大型反射面把球面波"拉直"成平面波，在室内短距离内模拟远场条件。

二、馈线分系统

测试方法：矢量网络分析仪或频谱分析仪"参考测量法"——信号源经被测馈线到频谱分析仪，读数之差即馈线损耗；水平、垂直支路损耗之差即双通道损耗差。

术语注释：

• 馈线：天线与收发机之间的传输线（波导、同轴线等）。双偏振雷达有 H、V 两条馈线支路。
• 参考测量法：直接测量"输入-输出"功率差，无需单独标定测试电缆损耗的方法。

三、伺服转台分系统

术语注释：

• PPI（平面位置显示）：天线固定仰角、方位 360° 扫描，显示平面分布。
• RHI（距离高度显示）：天线固定方位、俯仰扫描，显示垂直剖面。
• RPI（方位扇扫）：限定方位扇区的扫描。
• THI（时间高度显示）：垂直指向固定，随时间显示高度上的回波——云雷达最常用的观测模式。
• VOL（体积扫描）：多仰角逐层扫描，合成三维数据。
• 角度编码器：把天线机械角度转换为数字的装置，14 位对应 360°/2¹⁴ ≈ 0.022° 的分辨率。

测试方法要点：

• 扫描速度：设最大速度用 PPI/RHI 运行，由记录文件中的角度和时间计算
• 控制精度：定点模式下 12 个方位角 + 12 个俯仰角的实测值与预置值差值取最大
• 定位精度：太阳法（用太阳的已知位置校准天线指向）测试，难以测试时可采信设计保证

四、发射机分系统

4.1 指标要求（表 4）

4.2 关键测试方法

工作频率：发射机输出经定向耦合器、衰减器接频谱分析仪，RBW=1MHz、VBW=1MHz，读取峰值频率。

脉冲峰值功率：输出经衰减器接功率计，不同工作波形逐一测量取均值。

机内功率检测波动：连续工作至少 1 小时，每 5 分钟记录主波功率，波动：

脉冲宽度/上升沿/下降沿/顶降（示波器 + 检波器）：

• 脉冲宽度 $\tau$：包络前后沿半功率点（0.707 电压点）间的时间
• 上升时间 $\tau_r$：前沿 0.1→0.9 幅度的时间
• 顶降：$\delta = \dfrac{U_{\max} - U_m}{U_{\max}} \times 100\%$

极限改善因子（频谱分析仪法）：

其中 $SNR$ 为信噪比（dB），$B$ 为分析带宽（Hz），$F$ 为脉冲重复频率（Hz）。分别测高重频（约 8000Hz）和低重频（约 2000Hz）。

术语注释：

• 极限改善因子（I）：衡量发射机信号"纯度"的指标，反映信号的相位噪声和幅度噪声水平。它决定了雷达对地物杂波的抑制潜力——发射信号越纯，多普勒滤波器能对消掉的杂波越多。
• 谐波和杂散抑制：发射机输出中除工作频率外的无用信号（工作频率的整数倍=谐波，其他=杂散）与主波功率之差。
• 占空比（工作比）：脉冲宽度与重复周期的比值。全固态功放受散热限制，占空比不能太大。
• 功率合成：多个固态功放单元的输出在空间或电路上合成，弥补单管功率不足。发射机峰值功率 100W 在 35GHz 是相当可观的水平。

谐波和杂散抑制：频谱分析仪分别测工作频率功率 $P_{rf}$ 与左频带内谐波杂散功率 $P_{sf}$：

五、接收机分系统

5.1 指标要求（表 5）

术语注释：

• 噪声系数（NF）：接收机输出信噪比与输入信噪比之比（dB），反映接收机自身引入噪声的多少。≤5dB 意味着接收机噪声很低，是探测弱云回波的前提。
• 动态范围：接收机从最小可测信号到饱和之间的功率范围。≥80dB 意味着能同时处理弱云和强降雨回波。
• 最小可测功率（灵敏度）：接收机刚能检测到信号（输出为噪声电平 +3dB，或 1.4 倍噪声电压）时的输入功率。-100dBm 是极灵敏的水平。
• 镜频（镜像频率）：超外差接收机中与本振信号相差一个中频的另一频率，会被同样变频到中频造成干扰。镜频抑制度衡量对它的抑制能力。
• 中频（IF）：射频信号与本振混频后得到的中间频率，便于后续放大和数字化。
• dBc：相对于载波功率的 dB 值。
• A/D（模数转换）：把模拟中频信号转换为数字信号，位数越多动态范围越大。16 位对应约 96dB 理论动态范围。
• 环形器：让发射和接收共用天线并隔离的器件；限幅器：保护接收机免受大功率泄漏损坏的器件。两者会引入损耗，所以噪声系数指标"不含"它们。

5.2 测试方法要点

噪声系数：噪声系数仪 + 噪声源（机外/机内两种），水平、垂直通道分别测 5 次取平均。

线性动态范围（机外/机内信号源法）：

• 输入功率从最小可检测信号逐步增大（步进 1dB）至饱和
• 绘制输入-输出曲线，最小二乘法拟合直线
• 实测曲线与拟合直线差值 ≤1.0dB 的范围两端为下拐点 $P_{r\min}$ 和上拐点 $P_{r\max}$
• 线性动态范围：$D = P_{r\max} - P_{r\min}$
• 拟合直线斜率 1.000±0.015，均方根误差 ≤0.5dB

最小可测功率：信号源连续波注入，直到终端输出为 1.4 倍噪声电压（或噪声电平 +3dB），灵敏度：

其中 $P_0$ 为信号源输出功率，$L$ 为线缆损耗和衰减量。

镜频抑制度：信号源输入适当频率信号，测中频输出，检查镜频抑制 ≥60dB。

数字中频 A/D 位数：检查 A/D 芯片手册（≥16 位）。

六、信号处理器分系统

6.1 指标要求（表 6）

术语注释：

• 脉冲压缩（Pulse Compression）：发射大时宽带宽积信号（如线性调频），接收时匹配滤波压缩成窄脉冲。既获得长脉冲的能量（看得远），又获得窄脉冲的分辨率。脉压比 = 脉宽 × 带宽。
• 距离库（Range Bin）：距离方向上相邻的采样单元，30m 一个库，1000 个库覆盖 30km。
• FFT（快速傅里叶变换）：对回波脉冲串做频谱分析，提取多普勒速度谱。
• PPP（脉冲对处理，Pulse-Pair Processing）：用相邻脉冲对的相位差估计速度和谱宽，适合低数据率。
• 地物杂波抑制：地面建筑物、山体等静止物体的回波。用多普勒滤波器（高通）滤除零速度附近的杂波。抑制比 ≥42dB 意味着杂波被压低 42dB。
• 距离退折叠（距离模糊）：当回波延迟超过一个重复周期时，远目标会被"折叠"到近处。相位编码法通过给脉冲附加不同相位来区分。
• 速度退模糊（速度模糊/折叠）：当目标速度超过最大不模糊速度 $V_{\max} = \pm\lambda F/4$ 时，速度显示折叠。双重频法用两种重复频率测速，再解模糊。
• 主副瓣比：脉冲压缩输出主瓣峰值与副瓣峰值之差，≥40dB 保证弱目标不被副瓣掩盖。

6.2 测试方法

脉冲压缩主副瓣比：终端软件设 RF 测试模式、水平极化，从软件读出脉压主瓣最大值 A 和副瓣最大值 B：主副瓣比 = A - B（dB）。不同脉压比分别测试。

地物杂波抑制比：发射脉冲经衰减延迟后送入接收机，信号处理器对 I、Q 采样送入地杂波滤波器，比较滤波前后强度差。

系统相干性（整机级）：发射机输出经定向耦合器、衰减、延迟送入接收机，经 A/D、数字下变频和数字正交变换得到 I、Q，计算相角，取 10 组相角均值的均方根作为相位噪声 $\sigma_\varphi$，系统相干性 ≤0.4°。由相位噪声估算地物对消能力：

术语注释：

• I、Q 信号：正交解调后的同相分量和正交分量，携带回波的幅度和相位信息。
• 数字下变频（DDC）：中频数字信号搬移到基带并降速率的处理。
• 系统相干性：雷达收发链路相位稳定度，直接决定多普勒测量和杂波对消能力。

七、整机系统指标（表 7）

7.1 探测与测量范围

术语注释：

• 反射率因子（Z，dBZ）：衡量云雨回波强度的量。dBZ = 10lg(Z/1mm⁶/m³)。云雷达灵敏度极高，-30dBZ 以下才能探测到薄云。
• 近距离盲区：天线旁瓣或接收恢复时间导致近处无法探测的范围。≤150m 意味着从 150m 起就能观测，这对云底高度的测量很重要（云底常只有几百米）。

7.2 基数据产品测量范围

术语注释（双偏振参数，本章核心）：

• 差分反射率因子（ZDR）：水平极化回波与垂直极化回波强度之比（dB）。球形粒子 ZDR≈0，扁平大水滴 ZDR 为正（可达 3~4dB），反映粒子形状和取向。
• 差分传播相移（ΦDP）：水平与垂直极化波在降水介质中传播的相位差（°），与降水粒子数量和路径有关，对雨强估计很稳健。
• 差分传播相移率（KDP）：ΦDP 随距离的变化率（°/km），与雨强直接相关，且不受衰减和部分波束遮挡影响。
• 退偏振比（LDR）：发射一种极化时，正交极化回波与同极化回波之比（dB）。冰晶、融化层等非球形粒子的 LDR 明显增大，用于相态识别。
• 相关系数（ρHV）：水平与垂直回波的相关系数（0~1）。接近 1 表示两种极化的粒子形状一致，混相降水（如冰雹+雨）或融化层会明显下降。
• 基数据产品：雷达直接输出的基本测量量（Z、V、W、ZDR、ΦDP、KDP、LDR、ρHV），是气象产品的输入。

7.3 其他整机指标

• 系统相干性 ≤0.4°
• 远程电源控制器通/断开控制（雷达控制终端具备）
• 收发分系统机箱内部温度控制
• 环境要求：室外 -40～+50℃、室内 0～+40℃；贮存 -50～+60℃；最大湿度室外 ≤95%、室内 ≤90%
• 抗干扰：抗电源干扰、电磁干扰、无线电频率干扰
• 三防：防水、防霉、防盐雾

八、回波强度定标（雷达常数与雷达方程）

回波强度定标是整个测试的重头戏。原理：从接收机前端注入已知功率的测试信号，计算该信号对应的"期望回波强度"（dBZ），与终端实测值对比。

根据雷达方程，由输入信号功率计算回波强度期望值：

其中：

• $\lambda$——波长（cm）
• $P_t$——发射脉冲峰值功率（kW）
• $\tau$——脉冲宽度（μs）
• $G$——天线功率增益（dB）
• $\theta, \varphi$——水平/垂直波束宽度（°）
• $P_r$——输入信号功率（dBm）
• $R$——距离（km）
• $L_\Sigma$——系统总损耗（除大气外，dB）
• $L_{at}$——大气损耗（dB/km，参考值 0.1）
• $C$——雷达常数（dB）
• $L_o, L_p, L_t, L_r, L_{tr}$——匹配滤波器、天线罩、发射支路、接收支路、收发总损耗

在 1km、3km、5km、10km、15km 五处注入测试信号，比较测量值与期望值，最大偏差 ≤±1.0dB（机外/机内、单发双收/双发双收、水平/垂直通道分别进行）。

九、径向速度定标

用信号源注入频率为 $f_c + f_d$（$f_c$ 工作频率，$f_d$ 多普勒频移）的测试信号：

理论速度：$V_1 = -\dfrac{\lambda}{2} f_d$

最大不模糊速度：$V_{\max} = \pm\dfrac{\lambda F}{4}$

终端显示速度 $V_2$ 退模糊后的真实速度：

天气雷达速度模糊主要在一次折叠区间（$N$ 取 0、±1）：

测试要求：$f_d$ 在 ±2000Hz 范围、步进 200Hz，水平/垂直通道分别做单重频和双重频（3/2 或 4/3 比率）测试。单重频测量最大误差 ≤±0.5m/s，双重频最大偏差 ≤±0.5m/s。

十、双偏振参数定标

机外/机内信号源输出连续波（步进 1dB），经二路功分器分成等强度信号分别送入水平和垂直接收主通道，终端获取：

• 双通道强度差 = 差分反射率 ZDR，检验幅度一致性
• 双通道相位差 = 差分传播相移 ΦDP，检验相位一致性

指标：差分反射率标准差 ≤0.2dB，差分传播相移标准差 ≤5°。数据取值规则：信噪比 ≥30dB 且信号强度比动态范围上拐点低至少 10dB。

十一、本篇小结

七大分系统指标可以按"性能链"理解：

天线（看得清）→ 馈线（传得净）→ 伺服（指得准）
    → 发射机（发得强、发得纯）→ 接收机（收得弱、收得稳）
    → 信号处理器（处理得对）→ 整机（测得准、定标对）

记忆要点：

• 天线：1.8m 卡塞格伦、0.4° 波束、52dB 增益、-23dB 第一副瓣、30dB 交叉极化隔离
• 发射机：全固态、100W/50W 峰值功率、40dB 极限改善因子、0.2~40μs 脉宽
• 接收机：5dB 噪声系数、80dB 动态范围、-100dBm 灵敏度、16 位 A/D
• 信号处理：30m 距离库、≥1000 库、FFT/PPP、42dB 杂波抑制
• 双偏振参数：ZDR/ΦDP/KDP/LDR/ρHV 五项，各有范围、分辨力、精度要求
• 定标三件套：回波强度（±1dB）、径向速度（±0.5m/s）、双偏振（ZDR ≤0.2dB、ΦDP ≤5°）

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说明：本系列笔记为学习整理，公式与指标均摘自公开的《全固态 Ka 波段双偏振云雷达测试大纲》，供技术学习参考。