基于高密度太阳扇区扫描的S波段双偏振天气雷达天线参数原位定标方法

《Remote Sensing》：An In Situ Calibration Method for Antenna Parameters of S-Band Dual-Polarization Weather Radar Based on High-Density Solar Sector Scans

　　

天气雷达关键天线参数（包括波束指向(beam pointing)、波束宽度(beamwidth)和天线增益(antenna gain)）的定标精度直接影响定量降水估算(QPE)及多雷达组网产品质量。传统的外场信标与远场测试受场地条件和实施成本限制，难以在业务雷达网络中常规开展。为此，研究人员提出了一种基于专用太阳定标体扫模式(Volume Coverage Pattern for Sun calibration, VCPSun)的S波段双偏振天气雷达关键天线参数稳健太阳定标方法。该方法采用高密度太阳扫描策略，结合中点时刻对齐与前馈控制太阳视运动，联合太阳样本识别、传播路径校正、二维高斯曲面拟合以及太阳源展宽与扫描平滑(scam-smearing)效应去卷积，实现波束指向、波束宽度和天线增益的可靠反演。研究人员利用部署于长沙气象雷达定标中心的CINRAD/SA-D型新一代S波段双偏振天气雷达开展高频密集观测实验，并以独立远场测试结果进行验证。结果表明：质量控制后太阳样本保留率达85.7%，可稳定重建主瓣功率方向图；双偏振平均波束指向偏差均控制在±0.05°以内；校正后波束宽度相对于远场测量的相对差异，H偏振方位向与俯仰向分别为3.26%和1.52%，V偏振分别为2.09%和1.84%，整体平均相对差异小于3.5%；天线增益与独立远场参考值之差在0.2 dB以内（H偏振?0.062 dB，V偏振?0.144 dB）。与历史一维SunCheck记录对比及波束宽度校正链消融实验进一步表明，高密度二维采样与物理去卷积校正提升了太阳法定标的稳健性与定量精度。结果表明该方法可实现业务S波段天气雷达关键天线参数的可靠原位(in situ)定标，为无远场设施条件下业务雷达网络天线性能监测与长期退化评估提供了技术途径。

论文解读——《基于高密度太阳扇区扫描的S波段双偏振天气雷达天线参数原位定标方法》

一、研究背景与意义

天气雷达天线系统的关键电性能参数——天线增益(antenna gain)、半功率波束宽度(half-power beamwidth, 即波束宽度 beamwidth)及波束指向精度(beam pointing accuracy)——直接决定反射率因子Z的定量测量误差（增益误差0.5 dB可致Z偏差约1 dB，进而引起定量降水估算(QPE) 15%–20%误差），波束宽度影响雷达分辨体积定义，指向误差影响回波地理定位及多雷达拼图几何一致性。目前绝对定标主要依赖标准增益法（需在远场区部署已知源）或标准金属球/角反射器外场法，要求昂贵远场塔架或系留气球系统及严格场地条件，难以在地形复杂站点或城市环境业务雷达网络中常规开展。太阳作为天然射电源用于雷达定标已有较长历史，多被用于接收链稳定性监测、波束指向偏差及差分反射率(Z_DR)系统偏差诊断，但既有太阳法应用于S波段业务雷达天线参数绝对定标时尚存三方面耦合难题：(1)太阳具有限角直径（S波段太阳射电盘有效角径与天线主瓣波束宽度同阶），若不修正有限源展宽效应会显著高估波束宽度；(2)连续动态扫描引起扫描平滑(scan smearing)致方位向非对称展宽；(3)S波段太阳信号弱，低仰角传播路径易受地杂波、大气吸收及多径干扰，样本质量受限。现有网络级太阳法多依靠体扫中偶然捕获的太阳尖峰(sun spikes)作相对监测，缺之针对绝对参数反演的专用高密度扫描与完整物理校正框架。该研究以CINRAD/SA-D型S波段双偏振多普勒天气雷达为对象，提出基于专用太阳定标体扫模式(VCPSun)的原位定标方法，经独立远场测试验证，成果发表于《Remote Sensing》。

二、主要关键技术方法

研究人员选用长沙气象雷达定标中心CINRAD/SA-D S波段双偏振天气雷达（8.5 m抛物面天线，工作频率2845 MHz）为实验平台，以独立远场天线测试系统（距18.1 km，增益不确定度≈0.5 dB，波束宽度/指向不确定度±0.05°）提供基准参考，采用中科院国家空间科学中心发布并经DRAO校核的F10.7太阳射电流量并频转为雷达工作频率。关键技术环节包括：(1)设计VCPSun专用高密度二维扇区体扫模式——以预报太阳位置为中心，方位±5°（分辨率0.25°）、俯仰±1.0°（14层，步长0.15°），单圈约56 s，引入中点时刻对齐与太阳视运动前馈控制减小几何失配；(2)数据预处理与传播路径校正——通过星历时空匹配识别太阳样本，剔除无效径向后做功率重构、大气折射校正（中高仰角近似公式）及ITU-R P.676气体吸收单向衰减校正，计算理论太阳接收功率；(3)二维主瓣功率曲面拟合——将质控后H/V偏振太阳功率样本对方位–俯仰偏差作二维二次（高斯）曲面最小二乘拟合，辅以基于拟合残差的三西格玛(3σ)迭代离群值滤除；(4)关键参数解析反演与物理去卷积——由拟合曲面顶点得波束指向偏差；由二阶系数得视在(apparent)波束宽度，再扣除太阳有限盘等效高斯展宽（太阳有效直径≈0.533°@S波段换算为等效高斯半功率宽度）及方位向扫描积分等效展宽（仰向阶跃采样仅扣太阳盘项）得本征(intrinsic)天线波束宽度；由顶点峰值功率联合理论太阳功率、接收链增益/损耗及传播校正反演天线增益。实验于2026年4月18日22:00 UTC至4月19日11:00 UTC每5分钟执行VCPSun扫描，远场测试独立开展于2026年3月27日且期间雷达无硬件调整。

三、研究结果

3.1 太阳扫描样本与天线方向图重建

VCPSun模式在整个观测窗口可连续获取充足太阳主瓣样本，经质控（有效数据比阈值0.8，空间容限3倍标称半功率波束宽度）后总体保留率85.70%（H偏振87.54%，V偏振83.85%）。质控后异常点与局部离群受抑，二维主瓣功率曲面拟合残差RMSE均值0.107 dB（H偏振0.100 dB，V偏振0.113 dB），主瓣呈连续单峰且无双峰或间断。主观测期（太阳仰角>10°，每极化每小时滤波样本≥1200，H/V拟合RMSE≤0.12 dB）定为23:00–09:00 UTC。QC使H/V偏振信噪比(SNR)由8.49/8.83 dB升至9.74/10.10 dB，拟合RMSE降低，峰值功率标准差缩小，证明质控可有效提升样本质量与主瓣拟合稳定性。

3.2 波束指向定标结果

由拟合曲面顶点反演得整个观测期H/V偏振方位向指向偏差均值分别?0.038°与?0.035°（标准差0.046°），俯仰向均值分别?0.008°与?0.001°（标准差≈0.023°），整体双偏振均控制在±0.05°内，时程连续无跳变，H/V通道指向偏差高度一致（平均绝对差方位0.0027°，俯仰0.0077°），说明主瓣中心共对准良好，该方法可识别S波段CINRAD/SA-D雷达微小指向误差。

3.3 波束宽度反演与校正

二维高斯拟合直接得到视在波束宽度（H偏振方位/俯仰均值1.011°/0.949°，V偏振0.966°/0.981°）系统性大于远场参考值。经太阳有限源+扫描平滑去卷积校正后，H偏振 azimuth/elevation 均值降至0.938°/0.887°，V偏振降至0.889°/0.922°。校正后相对远场参考值：H偏振方位向3.26%、俯仰向1.52%，V偏振方位向2.09%、俯仰向1.84%，四个方向平均相对差异均<3.5%。消融实验显示仅去太阳盘展宽可使平均相对差异由9.78%降至3.06%，联合扫描平滑校正进一步降至2.17%，证实物理去卷积链对S波段波束宽度定量反演不可或缺，且方位向校正对扫描参数敏感略大于俯仰向。

3.4 天线增益定标

由拟合顶点峰值功率联合理论太阳功率及传播校正反演得天线增益，主观测期H/V偏振时均标准差仅0.059 dB与0.053 dB，具良好短时重复性。全时段H偏振增益均值45.460 dB（范围44.957–45.622 dB），V偏振45.669 dB（范围45.181–45.819 dB），V极化和H偏振差约0.209 dB且稳定。

3.5 与远场测试结果对比验证

波束指向双偏振均值偏差±0.05°内与远场吻合；校正后波束宽度各方向相对差异<3.5%；天线增益与独立远场参考值差H偏振?0.062 dB（远场基准45.530 dB）、V偏振?0.144 dB（远场基准45.820 dB），均<0.2 dB且落在远场不确定度(±0.5 dB)与太阳法合成不确定度(≈0.14 dB)的合成范围内，说明太阳法与远场测试结果相互一致。

3.6 对比与消融分析

对比历史一维SunCheck模式（同雷达2026年1–4月65组记录）：VCPSun为二维扇区采样（平均每轮拟合用约54个质控样本 vs SunCheck每方向约19个），引入中点对齐与前馈控制，支持波束指向+波束宽度+增益+双偏振一致性联合反演；SunCheck仅提供一维指向与方向波束宽度估计。VCPSun H偏振校正后波束宽度相对远场差异缩至3.26%/1.52%（SunCheck为>10%），指向稳定性相当或更优。波束宽度消融分析确认有限太阳源修正是主导贡献，扫描平滑校正提供方位向附加改善。

四、讨论与结论总结

讨论指出主要误差源含有限太阳源效应、扫描平滑、低仰角大气折射/气体吸收残差及弱信号背景下样本提取质量；观测窗口（太阳仰角适中、主瓣完整覆盖、样本密度高、传播较稳）结果最可靠，边界低仰角时段因传播路径长、样本少致离散增大宜审慎筛选。波束指向最稳健；波束宽度对观测几何与去卷积模型敏感；天线增益不确定度主要来自拟合峰值功率、太阳射电流量参考、频率转换及传播校正，合成标准不确定度≈0.14 dB（远场基准≈0.50 dB）。方法适用性需注意本验证基于单部CINRAD/SA-D雷达，推广至其它频段/型号需重设采样间隔、太阳等效展宽、扫描平滑项及传播校正参数，强RFI或极低仰角需加强噪声基线估计与质控。未来需多雷达多时段扩充验证并延伸至Z_DR系统偏差监测与长期漂移诊断。

结论翻译浓缩如下：

研究人员提出并验证了基于VCPSun的S波段双偏振天气雷达波束指向、波束宽度及天线增益原位定标方法，集成高密度太阳扇区扫描（含中点时刻对齐）、二维主瓣拟合、有限太阳源与扫描平滑物理去卷积及独立远场验证。VCPSun可稳定获取太阳主瓣样本并改善扫描几何匹配；二维拟合可反演±0.05°级波束指向偏差且H/V一致性好；有限太阳源与扫描平滑去卷积使波束宽度校正后相对远场差异均<3.5%；反演天线增益与远场参考差<0.2 dB且在合成不确定度内一致；对比与消融分析表明VCPSun较一维SunCheck提供更密二维采样，物理去卷积链将波束宽度平均差异由9.78%降至2.17%。该方法可减少业务雷达对频繁远场测试的依赖，尤适于地形复杂或无可近场测试设施站点，为雷达网络性能监测与长期退化评估提供可行原位定标途径。后续需在更多雷达型号、频段及环境下扩展验证并完善低仰角与强干扰下的质控策略。