基于太阳校准专用体积覆盖模式（VCPSun）的S波段天气雷达天线关键参数原位校准方法研究

《Plants》：Continuity and Change in the Arb?resh? Wild Food Plant Foraging in Inland Southern Italy

　　

天气雷达天线关键参数（包括波束指向、波束宽度和天线增益）的校准精度直接影响定量降水估计（QPE）和多雷达网络产品。传统的校准方法，如外部场信标和远场测试，通常受限于场地条件和高昂的实施成本，难以在业务雷达网络中常规应用。为应对这一局限性，本研究提出了一种基于太阳校准专用体积覆盖模式（VCPSun）的稳健天气雷达关键天线参数太阳校准方法。所提方法采用中点时间对准和太阳视运动前馈控制的高密度太阳扫描策略。结合太阳样本识别、传播路径校正、二维高斯曲面拟合以及太阳源展宽和扫描涂抹效应的解卷积，该方法能够可靠地反演波束指向、波束宽度和天线增益。在长沙气象雷达标定中心部署的SA-D型中国新一代天气雷达（CINRAD/SA-D）上进行了高频次密集观测试验，并利用独立的远场测试结果进行验证。结果表明，经过质量控制后的太阳样本保留率达到85.7%，支持主瓣功率方向图的稳定重建。反演得到的双极化平均波束指向偏差均在±0.05°以内。校正后，H极化方位角和俯仰角波束宽度相对于远场测量值的相对差异分别为3.26%和1.52%，V极化方位角和俯仰角波束宽度的相对差异分别为2.09%和1.84%，总体平均相对差异小于3.5%。相对于独立远场参考值的天线增益差异在0.2 dB以内，其中H极化为-0.062 dB，V极化为-0.144 dB。与历史一维太阳检查（SunCheck）记录的对比分析以及波束宽度校正链的消融试验进一步表明，高密度二维采样和物理解卷积校正提高了基于太阳反演的稳健性和定量精度。这些结果证明了业务天气雷达关键天线参数可靠原位校准的可行性。所提方法为S波段CINRAD/SA-D雷达天线性能的原位定量评估提供了一条潜在的技术途径，尽管在网络化应用之前仍需使用更多雷达和更长的观测周期进行进一步验证。

**基于太阳校准的S波段天气雷达天线关键参数原位校准方法研究解读**

**研究背景与问题**

天气雷达是监测和预报降水的重要工具，其定量测量的准确性高度依赖于天线系统的性能。天线增益、波束宽度和波束指向精度等关键电气参数直接影响雷达反射率因子（Z）的测量精度，进而影响定量降水估计（QPE）的误差。例如，0.5 dB的天线增益误差可能导致约1 dB的反射率因子偏差，从而引起15-20%的降水估计误差。此外，波束宽度测量的准确性影响雷达分辨率体积的定义，而波束指向误差则影响回波的地理定位和多雷达拼图的几何一致性。因此，获取高精度的绝对天线参数是天气雷达校准的核心任务。

传统的天线参数绝对校准主要依赖两类外部方法：标准增益或外场信标法，以及标准金属球目标法。这些方法通常需要昂贵的远场塔架或系留气球系统，并对场地条件有严格要求，使得在地形复杂（如山区、楼顶环境）或城市区域的业务雷达站难以常规实施。

利用太阳作为自然射电源进行天气雷达校准已有较长历史。早期研究建立了从太阳观测估计雷达系统增益的理论框架。随后的研究将太阳干扰信号引入业务体扫数据的自动识别，实现在线估计天线指向偏差，并逐渐发展成为一种常规的接收链监测技术。太阳方法还被用于评估H/V极化波束指向差异，并证明了其在双极化通道一致性监测中的适用性。在业务雷达网络中，通过比较雷达观测的太阳功率与标准太阳流量数据，太阳方法已从定性监测发展到定量校准。

然而，当将太阳方法应用于业务S波段天气雷达天线参数的绝对校准时，仍面临几个耦合的挑战。首先，太阳的扩展源效应会导致波束宽度的高估。对于S波段雷达，有效的太阳射电直径与天线主瓣波束宽度处于同一量级，若忽略此有限源效应，直接高斯拟合得到的波束宽度会显著大于天线固有波束宽度。其次，连续的动态扫描会引入扫描涂抹导致的波束展宽。为了获取高分辨率样本，天线通常以连续扫描模式工作；接收机中的信号积分会产生方位向扫描涂抹，导致反演的波束方向图不对称展宽。第三，复杂观测环境限制了数据质量。S波段雷达接收的太阳射电信号本征较弱，低仰角传播路径易受地物杂波、大气吸收和多径效应的影响。因此，从信噪比有限的复杂背景中可靠提取高质量太阳样本，并通过优化的扫描策略和稳健的预处理重建稳定的主瓣方向图，是进一步改进和业务应用的关键问题。

近年来，太阳方法已从单站校准扩展到业务雷达网络监测。现有基于网络的太阳校准方法主要依赖业务体扫中偶然捕获的太阳信号（如太阳尖峰或箱式扫描）进行天线指向和接收机稳定性的相对监测，而非为绝对参数反演设计的专用扫描。这些方法提供定性趋势信息，但缺乏S波段反射率、波束宽度和增益绝对校准所需的精度和独立验证。相比之下，本研究提出的方法采用专用的高密度VCPSun扫描，结合中点时间对准、物理主瓣解卷积模型和独立的远场验证，能够同时稳健地原位反演所有三个关键天线参数。

**研究目的与意义**

本研究发表在《Plants》期刊上，旨在开发一种适用于S波段CINRAD/SA-D天气雷达的天线参数可靠性校准方法。其主要贡献和创新点包括：(1) 设计了基于中点时间对准和太阳视运动前馈控制的太阳校准专用体积覆盖模式（VCPSun），减少了扫描过程中时变的太阳位置与雷达指向不匹配引起的几何误差；(2) 建立了严格的物理反演框架，纳入全路径大气传播校正、有限太阳源尺寸的解卷积以及扫描运动效应的补偿，从而能够从观测的“视在参数”可靠地恢复出固有天线参数；(3) 使用S波段CINRAD/SA-D天气雷达进行了校准实验，并将反演结果与独立远场测试数据进行了定量验证，通过明确区分太阳反演的不确定性来源与远场参考系统的有限不确定性来解释验证结果；(4) 与主要提供方位/俯仰指向检查和方向性波束宽度估计的传统一维业务SunCheck程序相比，VCPSun旨在二维采样太阳主瓣功率表面，并在统一的校正框架内反演波束指向、波束宽度和天线增益。本研究为在无法进行远场测试的条件下，对业务天气雷达网络进行原位天线校准提供了一条可靠的技术途径。

**关键技术方法概述**

研究人员在长沙气象雷达标定中心部署的S波段CINRAD/SA-D双极化多普勒天气雷达上进行了高频次密集观测试验。关键技术方法包括：设计并实施了专用的高密度扇区体扫模式（VCPSun），该模式以预测的太阳位置为中心进行二维扇区采样，并采用中点时间对准和太阳视运动前馈控制策略以减少几何失配。建立了完整的物理反演框架，包括太阳样本识别与功率重建、大气折射与气体吸收校正、基于二维高斯曲面拟合的主瓣方向图重建，以及针对有限太阳源尺寸和扫描涂抹效应的解卷积校正。使用位于约18.1公里外的独立远场天线测试系统获取的测量结果作为外部参考数据，用于验证太阳反演结果的准确性。太阳射电流量参考数据采用中国科学院国家空间科学中心发布的F_10.7值，并将其转换到雷达工作频率（2845 MHz）。

**研究结果**

**3.1 太阳扫描样本与天线方向图重建**
研究结果表明，VCPSun扫描模式能够在CINRAD/SA-D雷达上稳定获取空间完整且质量较高的太阳主瓣样本。经过质量控制后，总体样本保留率达到85.7%（H极化平均87.54%，V极化平均83.85%）。二维高斯曲面模型对太阳主瓣响应的拟合均方根误差（RMSE）总体平均为0.107 dB，表明主瓣重建具有良好稳定性。拟合得到的主瓣峰值功率在观测期间变化有限，在主要观测时段内标准差很小，进一步证明了主瓣重建结果具有良好的时间稳定性。

**3.2 波束指向校准结果**
从拟合曲面的顶点位置反演得到的波束指向偏差在整个观测期间保持稳定。H和V极化通道的方位角波束指向偏差均约为-0.04°，俯仰角偏差接近0°。H和V极化的方位角和俯仰角波束指向偏差具有高度一致的时间变化，未观察到持续的通道间系统性差异，表明H和V极化主瓣中心基本共配准，无明显极化依赖性指向失配。

**3.3 波束宽度反演与校正**
直接从太阳扫描反演得到的是视在波束宽度，其包含了有限太阳盘面和扫描涂抹效应的综合展宽贡献。经过高斯等效解卷积校正后，波束宽度系统性减小。校正后的H极化方位角和俯仰角波束宽度相对差异分别为3.26%和1.52%，V极化方位角和俯仰角波束宽度相对差异分别为2.09%和1.84%，所有平均差异均低于3.5%。消融分析表明，有限太阳源校正是减少波束宽度差异的主要贡献者，而扫描涂抹校正提供了额外的改进，尤其是在雷达进行连续扫描的方位角方向。

**3.4 天线增益校准**
基于拟合的太阳峰值功率、太阳射电流量参考和传播路径校正反演得到的天线增益序列变化平稳。在主要观测时段内，反演的H和V极化增益序列稳定，标准差很小。反演的V极化天线增益持续高于H极化增益，H/V增益差平均为0.209 dB，与观测到的H/V接收功率差异表现一致。

**3.5 与远场测试结果的对比验证**
太阳方法反演的三个关键参数与独立远场测试结果吻合良好。总体波束指向偏差控制在0.05°以内。校正后的波束宽度与远场参考值的平均相对差异均小于3.5%。天线增益差异相对于独立远场参考值，H通道为-0.062 dB，V通道为-0.144 dB，均在0.2 dB以内。考虑到远场天线增益测量的不确定性约为±0.5 dB，太阳反演不确定性估计为0.14 dB，这些差异落在两种独立方法的综合不确定性范围内，证明了相互一致性。

**3.6 比较与消融分析**
与历史一维SunCheck模式的比较表明，VCPSun通过提供更密集的二维主瓣采样，扩展了常规业务太阳检查模式。波束宽度校正链的消融分析量化了物理校正框架的贡献：将平均波束宽度差异从9.78%降低到2.17%。

**讨论与结论**

**讨论部分**分析了主要误差来源和方法的适用性。误差来源包括有限太阳源效应、连续扫描引入的扫描涂抹、低仰角下大气折射和气体吸收校正的残余不确定性，以及从复杂背景中提取弱太阳信号的不确定性。反演精度表现出明显的时间依赖性，从23:00到09:00 UTC为最稳定的观测窗口，而边界时段则因低仰角传播不确定性、太阳样本覆盖减少和拟合稳定性下降而导致不确定性增加。不同反演参数对误差源的敏感性不同：波束指向最为稳定；波束宽度对外部条件更敏感；天线增益的不确定性主要从拟合峰值功率的稳定性传播而来。

方法适用性方面，目前的验证主要基于单部S波段CINRAD/SA-D天气雷达，其在不同雷达架构、频段和站点环境下的适用性仍需使用更大多样化的数据集进行评估。尽管本研究考虑了影响太阳反演的主要物理因素，但在极低仰角、复杂天气背景或强电磁干扰下，额外的仍可能影响太阳样本提取和主瓣拟合。当前的双极化一致性分析主要集中在主瓣参数和天线增益，未来工作应进一步将该方法扩展到更详细的业务问题，如Z_DR系统偏差监测、极化波束匹配和长期漂移诊断。

**研究结论**总结如下：

(1) 改进的VCPSun扇区体扫模式能够稳定获取太阳主瓣样本，并增加理论太阳位置周围的空间采样密度。通过应用中点时间对准和太阳视运动前馈控制，扫描几何与太阳轨迹更好地匹配。结合时空匹配、远距离样本筛选和统计质量控制，所提策略能够可靠地提取太阳主瓣样本，并为后续波束指向、波束宽度和天线增益的反演提供稳健的数据基础。

(2) 二维主瓣曲面拟合方法能够稳定反演天线波束指向偏差并识别小的指向误差。反演的H和V通道方位角指向偏差均约为-0.04°，而俯仰角偏差接近零。H和V极化波束中心表现出高度一致的时间变化，无明显系统性分离。这些结果表明，所提方法能够以±0.05°的水平识别业务S波段CINRAD/SA-D天气雷达的指向误差，并支持天线指向精度的原位评估。

(3) 有限太阳源效应和扫描涂抹效应是基于太阳的波束宽度反演中系统性展宽的主要来源，必须进行物理校正。对于S波段CINRAD/SA-D雷达，太阳射电盘的有效角直径与天线主瓣波束宽度相当，连续方位扫描进一步引入了扫描涂抹。因此，直接拟合的太阳波束宽度代表的是视在波束宽度，而非天线固有波束宽度。经过有限太阳源和扫描涂抹效应的高斯等效解卷积后，方位角和俯仰角方向的平均波束宽度减少量分别为0.075°和0.060°。与远场测试值相比，校正后的H极化方位角和俯仰角波束宽度相对差异分别为3.26%和1.52%，V极化方位角和俯仰角波束宽度相对差异分别为2.09%和1.84%，所有平均差异均低于3.5%。这些结果表明，解卷积校正对于提高S波段天气雷达基于太阳的波束宽度反演精度至关重要。

(4) 太阳反演的天线增益显示出良好的重复性，并与远场测试结果吻合良好。在主要观测期间，反演天线增益的标准差通常较小，大多数小时个例显示值为0.02–0.06 dB。相对于独立远场参考值的增益差异，H极化为-0.062 dB，V极化为-0.144 dB。这些差异表明太阳导出的增益与独立远场参考值在验证不确定性范围内一致，而非与未知真实天线增益的绝对偏差。这表明所提方法能够提供稳定的基于太阳的天线增益估计，并可支持后续双极化通道一致性的监测。

(5) 比较和消融分析进一步表明，VCPSun通过提供更密集的二维主瓣采样扩展了传统的一维SunCheck模式，而物理解卷积链将平均波束宽度差异从9.78%降低到2.17%。

总体而言，所提太阳校准方法能够在选定的观测期间，利用专用太阳扫描观测和物理校正，反演业务S波段CINRAD/SA-D天气雷达的关键天线参数。该方法可以减少业务雷达对频繁远场信标测试的依赖，并可作为传统远场校准的实用补充，特别是在因地形复杂、场地限制或实施成本高而难以进行常规远场测试的雷达站。未来工作应扩展验证数据集以涵盖不同频段、雷达架构和站点环境，并延长评估周期，进一步改进低仰角观测、复杂天气背景和强电磁干扰下的质量控制策略。该方法还应扩展到更详细的双极化应用，包括Z_DR系统偏差监测、极化波束匹配和长期漂移诊断。