南京大学C波段双偏振雷达对双通道接收机的噪声功率分析报告10月21日

1、南京大学C波段双偏振雷达对双通道接收机的噪声功率分析报告南京大学2014年10月22日目 录1 概述12 分析方法33 接收机茅草的分析结果43.1 对每个IQ数据文件的单独分析43.2 对每个IOP的综合分析93.2.1 IOP193.2.2 IOP2113.2.3 IOP3123.2.4 IOP4143.2.5 IOP5153.2.6 IOP6173.2.7 IOP7183.2.8 IOP8193.2.9 IOP9203.2.10 IOP10233.2.11 IOP11244 初步结论255 下一步工作265.1 把雷达车上的空调制冷修好265.2 更换更强大制冷能力的恒温箱，实时记录温度

2、265.3 在关于低SNR下，LDR结果出现系统偏差的问题_分析报告中指出，研究更高精度的接收机噪声的实时估计方法，并应用到信号处理之中去265.4 把分析的噪声功率起伏的数据代入信号处理的参数中，重新计算基数据266 附录1：恒温箱的性能（根据该产品的说明书）277 附录2：在溧水山上观测时，该雷达的接收机噪声稳定性2831 / 34文档可自由编辑打印1 概述2014年67月份，由北京敏视达公司制造的南京大学C波段双偏振雷达在安徽长丰站进行了持续的降水观测，总计有11个IOP观测。在每次体扫观测中，都进行了垂直90度扫描。我们对垂直90度观测的数据进行了系统的分析，绘制了各种统计分析的图片和

3、曲线。以下是垂直90度的部分分析结果（全部分析结果见南京大学C波段双偏振雷达_垂直90度观测_分析总结报告_第1部分_2014年8月5日_7日_21日补充.doc和南京大学C波段双偏振雷达_垂直90度观测_分析总结报告_第2部分_2014年9月22日.doc）雷达自身的RVP9信号处理器的输出，其IOP6、IOP9、IOP10的ZDR变化曲线如下：ZDR存在“小时”量级的变化此处ZDR变化，是因为时间上相隔了12个小时此处ZDR变化，是因为时间上相隔了8个小时9月份，我们利用数字中频接收机输出的IQ数据，重新对各个IOP的观测结果进行了计算。其IOP6、IOP9、IOP10的ZDR变化曲线如下

4、：备注：从IQ数据重新计算的结果，其ZDR的系统偏差和RVP9给出的有一点差别。这个原因是因为：基于IQ数据重新计算，其计算中的雷达常数、接收机灵敏度等值，是严格按照用仪表测定的参数设定的。而RVP9计算中的参数，其具体的值不清楚。从这些图中（包括RVP9给出的结果，和用IQ数据重新计算的结果）可以看出，存在两个主要的问题：l ZDR的偏差存在“小时”量级的波动的，波动范围约为0.30.4dB。l 第9个IOP，有11个VCP的ZDR系统偏差为0.3dB；第10个IOP，前7个VCP的ZDR的系统偏差为0.2dB。这些偏差结果和其它IOP下、其它VCP的结果有0.30.4dB的差异。由于在IQ

5、数据计算出基数据的过程中，雷达常数、接收机灵敏度等值是固定的。因此也就说明此时雷达的确发生了雷达常数、增益、灵敏度等硬件上的变化。最有可能跟该雷达双通道接收机的温度没有稳定有关。这个可以通过对IQ数据进行茅草的统计来分析是否是这个原因。本文就是对接收机茅草进行了分析，结果表明：l 从IOP1IOP11的分析结果可以发现，该雷达接收机两个通道的噪声功率和功率之差存在一定的起伏的。 噪声功率的起伏，会直接造成回波的dBZ也会有同样的起伏（由于在信号处理器的计算中，采用了仪表测定的噪声功率值）。 噪声功率之差的起伏，会直接造成ZDR的系统偏差出现同样的起伏。l 特别是对于IOP9、IOP10和IOP

6、11，噪声功率起伏达到了12dB，功率之差也有较大的起伏（0.30.5dB），这应该就是在垂直90度观测中发现ZDR的系统偏差存在波动的原因。l 我们认为，由于雷达硬件上存在的两个问题，共同造成了这个现象： 雷达发射机开机之后，整个舱室的温度会升高，会达到35度左右，甚至更高（由于当时雷达车上的空调有问题，无法达到很好的制冷效果）。 恒温箱在环境温度比较高的条件下，难以做到恒温，只能将内部的温度和周围的环境温度有一个差值，如果周围的环境温度高了几度，它内部也会高几度，无法实现恒定在25度。l 下一步工作： 把雷达车上的空调制冷修好 更换更强大制冷能力的恒温箱，并对温度进行监测记录 研究更高精度

7、的接收机噪声的实时估计方法，并应用到信号处理之中去 把分析的噪声功率起伏的数据代入信号处理的参数中，重新计算基数据同时，本文的分析结果也说明了雷达的硬件指标的重要性、精妙性，以及各种问题的防不胜防。这些经验教训，希望能用于今后布网雷达的双偏振升级改造之中。2 分析方法Matlab程序见“Read_NJU_CPol_Radar_Receiver_NoisePower_Analysis.m”。分析的方法是利用雷达发射的重复周期的远区部分的IQ数据，来计算噪声的功率。所谓远区的部分，是指在这个区域，所对应的海拔高度很高，不会有气象回波。我们在一个VCP扫描中，选取两个仰角层面的数据进行分析：l 当天

8、线处于仰角为14度扫描时（即VCP扫描的第12个仰角层面），距离是120150km的数据，相当于海拔高度是2936km。l 当天线处于垂直90度扫描时（即VCP扫描的第15个仰角层面），距离（即相当于海拔高度）是1620km的数据；也就是说，我们在每个径向上，选取最后的1/5的数据进行计算。但是，对于更低的低仰角而言，由于在远距离处，仍有可能会存在气象回波，因此对接收机噪声功率的统计就存在一定的困难。计算步骤为：1. 遍历所有的IOP，去掉RHI模式，去掉仰角层数没有达到15层的数据； 2. 找出仰角为第12层和第15层所对应的IQ文件3. 然后，打开对应的IQ数据文件，取最后的1/5 距离处

9、，来进行茅草的统计，计算远处的噪声的功率值（反映在数字中频接收机输入端的功率值），单位:dBm4. 在对全方位总共360根径向上的噪声功率值，进行平均，作为该体扫的噪声功率值。并求出方差，方差可以用于判断数据是否可信；5. 最后，将计算结果保存至txt文件中，并绘制各种曲线图。3 接收机茅草的分析结果3.1 对每个IQ数据文件的单独分析所有图片在“E:CJJWRP900AZK敏视达雷达对双通道接收机茅草的分析图片对每个IQ文件单独分析”目录下。这些图片，将每根径向上的噪声功率值绘制出来，以方便分析噪声功率随方位的变化。其中，NJU.20140531.003208.AR2.bz2所对应的第12和

10、第15仰角的噪声随方位的变化图如下：注意：上图中，所谓的“基数据中，水平通道噪声”和“基数据中，垂直通道噪声”是指RVP9记录在数据文件结构中的两个参数，这两个参数和真正的噪声功率并不一样，不知道RVP9为何如此记录。注意：上图中，可以发现接收机的噪声功率水平通道为-77.5dBm，垂直通道为-77.9dBm。但是，我们在2014年5月27日，对雷达用仪表测试得出的噪声功率为：l 水平通道的噪声功率=-75.96dBm（LNA端接噪声源，但不通电时测得）l 垂直通道的噪声功率=-76.40 dBm（LNA端接噪声源，但不通电时测得）这两者之间有约1.5dB的差异。但是这个差异是可以解释的：由于

11、天线仰角比较高，波束对准了太空，而太空的微波辐射是非常微弱的，因此其接收机输出的噪声功率自然要比用仪表测试时（此时接收机输入端接的是没有通电的噪声源，可以认为是一个室温下的黑体）要低。在观察生成的这些图片的时候，我们发现有时在第12个仰角上会出现噪声功率突然变大的现象，如下图：此处噪声强，是因为天线正好对准了太阳经过分析，认为这个噪声应该是此时天线正好对准了太阳，接收到了太阳的辐射能量所致。下面是计算出的此时此刻的太阳位置（雷达的位置是用Google Earth得到的）：北京时间可见，此时太阳位于仰角为14.35度、方位是287.32度，和上面图中所显示的方位是一致的。备注：国外有篇文章“De

12、termining Weather Radar Antenna Pointing Using Signals Detected from the Sun at low antenna elevations.pdf”，就是利用雷达在正常体扫工作中，雷达天线每次扫过太阳时的噪声功率和方位、仰角的关系，来对天线方位、仰角的定位精度进行在线的在线高精度监测。另外，我们还发现，有时还会出现噪声功率随方位变化，有较大起伏的现象，如下图：垂直90度的数据也有同样的现象：通过观察这个时刻的PPI的图，如下：从上面的PPI图可以发现，此时在雷达四周有很强的降水，而强大的降水雨滴自然也会发出微波辐射（就像地物一样

13、），这些微波辐射被雷达的天线和高灵敏度的接收机所收到，就会抬高了接收机的噪声了。从上面的噪声变化曲线中可以发现，这个抬高的程度竟然达到了1dB！今后在进行精确的CC、LDR、ZDR等的计算中，还必须要将其考虑进去。3.2 对每个IOP的综合分析所有图片在“E:CJJWRP900AZK敏视达雷达对双通道接收机茅草的分析图片对每个IOP综合分析”目录下。这些图片，将每个体扫下，接收机两个通道的噪声功率和功率之差，都绘制了出来。同时，还将噪声功率随方位变化的方差也绘制出来，可以用于判断数据是否可信，是否存在外界的太阳辐射，或者是降水雨滴的微波辐射。各个IOP的接收机噪声功率的曲线如下：3.2.1 I

14、OP1天线没有达到指定的仰角就开始观测记录了上图中，方差非常大的数据，是因为此时天线没有达到指定的仰角就开始观测记录了，自然其数据就完全不正常了（有一个专门的报告谈到这个雷达伺服的问题）。此时的PPI如下图：天线没有达到指定的仰角就开始观测记录了3.2.2 IOP2从上图可以看出，当天线位于第12层时，接收机噪声功率的方差为0.035dB左右。此时，噪声统计是对(150e3-120e3)/75*64=25600个采样点进行平均的结果（75是一个距离库的大小，64是积累数）。而当天线位于第15层（垂直90度）时，由于采样点比较少，因此接收机噪声功率的方差增加到0.065dB左右。此时，噪声统计是

15、对(20e3-16e3)/75*128=6800个采样点进行平均的结果，采样点降低到6800/256001/4，因此方差则增加到约2倍。3.2.3 IOP3从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从6月14日16日）有约0.5dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.2dB 的起伏。另外，还可以发现当天线位于第12层（仰角为14度）时，噪声功率比起天线位于第15层（仰角为90度），要高0.1dB。这也是很容易解释的：当天线位于仰角14度时，由于受到外界低层大气自身辐射的影响，噪声自然要高一点点。仰角升高，噪声慢慢降低下面是该雷达曾经测得的接收机噪声功率随仰角的变化图，可以发现，随着仰角的抬

16、高，噪声会慢慢降低。这是太阳的辐射能量图 31 噪声随仰角的变化天线扫描正好经过了太阳注意：上图中，第12层的噪声的方差有时会达到0.3dB以上，经过分析此时的原始数据，发现这些都是由于在体扫过程中，天线扫描的波束，正好经过了太阳所致（一天会有两次出现这样的现象）。3.2.4 IOP4从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从6月20日21日）有约0.2dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.1dB 的起伏。注意：从IOP4开始，当天线位于第15层（垂直90度）时，由于采样点进一步减少了（此时雷达的重复周期为1000Hz，而不是IOP1IOP3的2000Hz），因此接收机噪声功率的方差增

17、加到0.09dB左右。（此时，噪声统计是对4e3/75*64=3400个采样点进行平均的结果）从噪声功率的统计方差与采样点之间的关系：l 当采样点为3400个，方差为0.09dB；l 当采样点为6800个，方差为0.065dB；l 当采样点为25600个，方差为0.035dB。即方差约等于6/sqrt(采样点)dB。通过这个经验关系式，我们就可以知道今后在设计中，为了保证噪声功率的精确性，需要多少个采样点。3.2.5 IOP5从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从6月24日27日）有约0.4dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.3dB 的起伏。但是，上图中，出现了水平通道噪声功率约

18、0.2dB跳变的现象（此时垂直通道的噪声功率是连续的）。下面是这些跳变时刻前后的噪声功率随方位变化的图：从上面两张图（时间上仅相差不到7分钟）对比可以发现，水平通道噪声功率从-77.270dBm 跳变到了-77.437dBm，但是垂直通道的噪声功率没有什么变化（从-77.672变为了-77.671dBm）。为何只有水平通道噪声功率发生了跳变（变化了0.167dB）的原因还不清楚。3.2.6 IOP6从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从6月30日7月2日）有约0.4dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.2dB 的起伏。3.2.7 IOP7从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从

19、7月4日5日）有约0.4dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.2dB 的起伏。3.2.8 IOP8此处方差大，说明有强降水的微波辐射从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从7月11日12日）有约0.6dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.2dB 的起伏。3.2.9 IOP9此处，雷达operate了（之前是standby），舱室温度会升高，可见茅草会降低（增益降低），但两个通道降低的程度不同从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从7月15日18日）有约1.0dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.3dB 的起伏!因为这个IOP的噪声功率的起伏明显偏大，下面对此进行深入的

20、分析。首先，我们分析了记录雷达操作的日志文件20140715_Operation.log，从7月15日的UTC时间7点35分开始，雷达进行发射机开机观测（之前处于Standby状态）。从20140715_Calibration.log文件中，记录的接收机噪声值如下：此处，雷达operate了（之前是standby），舱室温度会升高，可见茅草会降低（增益降低），但两个通道降低的程度不同可见，日志文件中记录的噪声功率，和通过IQ计算出的噪声功率是一致的，都存在噪声功率起伏的现象。经过和当时雷达观测人员的讨论，我们分析认为是由于两个原因共同造成了这个问题：l 雷达发射机开机之后，整个舱室的温度会升高

21、，会达到三十五度左右，甚至更高（由于当时雷达车上的空调有问题，无法达到很好的制冷效果）。l 恒温箱在环境温度比较高的条件下，难以做到恒温，只能将内部的温度和周围的环境温度有一个差值，如果周围的环境温度高了几度，它内部也会高几度。根据目前电子器件的特性，温度的升高就会造成增益的降低。一般而言，对于一级放大器，温度从25度到85度，增益要减少0.7dB左右。接收机一般由四级放大器组成，因此增益要减少3dB左右。也就是说，温度每升高10度，增益减少约0.5dB（这仅仅是一个估计值，和雷达硬件接收机的具体电路设计有关）。下图是一个典型的放大器的增益与温度的变化关系：图 32 典型的放大器的增益随温度的

22、变化另外，尽管两个接收机通道的元器件采用的是同一个型号，但由于是不同的个体，因此两个通道的增益都随温度升高而降低的特性，不可能完全抵消（根据经验，能抵消2/34/5）。也就是说，接收机两个通道的噪声功率之差，也会随着环境温度每升高10度，变化约0.10.2dB。3.2.10 IOP10关机1小时，温度冷却后，重新开机此时雷达车厢内温度很高此处方差大，说明有强降水的微波辐射从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从7月24日25日）有约2.0dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.5dB 的起伏!从上图可以看出，前面50个VCP扫描，其噪声功率明显偏低。分析日志文件，以及和雷达操作人员讨论

23、，当时车厢内的空调坏了，环境温度的确是非常高，于是从北京时间13:23分开始，让雷达关机了一个小时，从14:28分重新开机。3.2.11 IOP11此处方差大，说明有强降水的微波辐射从上图可以看出，接收机噪声功率随时间变化（从7月30日8月1日）有约1.5dB的起伏，水平和垂直的噪声功率之差有约0.4dB 的起伏!4 初步结论从IOP1IOP11的分析结果可以发现，该雷达接收机两个通道的噪声功率和功率之差存在一定的起伏的。l 噪声功率的起伏，会直接造成回波的dBZ也会有同样的起伏（由于在信号处理器的计算中，采用了仪表测定的噪声功率值）。l 噪声功率之差的起伏，会直接造成ZDR的系统偏差出现同样

24、的起伏。特别是对于IOP9、IOP10和IOP11，噪声功率起伏达到了12dB，功率之差也有较大的起伏（0.30.5dB），这应该就是在垂直90度观测中发现ZDR的系统偏差存在波动的原因。我们认为，由于雷达硬件上存在的两个问题，共同造成了这个现象：l 雷达发射机开机之后，整个舱室的温度会升高，会达到35度左右，甚至更高（由于当时雷达车上的空调有问题，无法达到很好的制冷效果）。l 恒温箱在环境温度比较高的条件下，难以做到恒温，只能将内部的温度和周围的环境温度有一个差值，如果周围的环境温度高了几度，它内部也会高几度，无法恒定在25度。也就是说，该恒温箱当外界环境温度低的时候，容易恒温。例如：当内部

25、恒定在25度，外界是10度，它内部随便加加热就行了（通过分析溧水山上观测的数据，发现当时噪声功率是很稳定的）。反之，如果外界是35度，内部要降低到25度（再加上内部的微波模块也要发热），这就难了，就超出了恒温设备的能力了。这个时候，它就难以恒温了。（这可以通过今后的温度传感器来确认）5 下一步工作5.1 把雷达车上的空调制冷修好5.2 更换更强大制冷能力的恒温箱，实时记录温度要购买高精度的多点温度传感器，传给计算机，实时记录接收机的温度。以确保该恒温箱的确把温度恒定了。如果发现恒温箱无法把温度恒定，则需要购买具备更强大制冷能力的恒温箱。如果还不行，则需要考虑能否单独对最关键的、受温度影响最严重

26、的元器件进行恒温，这样就可以对一个比较小的区域进行恒温即可。而不是像目前这样，是对整个接收机组件进行恒温。5.3 在关于低SNR下，LDR结果出现系统偏差的问题_分析报告中指出，研究更高精度的接收机噪声的实时估计方法，并应用到信号处理之中去5.4 把分析的噪声功率起伏的数据代入信号处理的参数中，重新计算基数据但是，其它仰角上，特别是低仰角下的噪声功率，由于受到远区回波的影响，无法进行精确的统计。另外，温度的变化，也会引起雷达接收机灵敏度的变化，就会影响到雷达常数的变化，从而会影响dBZ的计算。下图是典型的低噪声放大器的噪声系数随温度的变化：图 51 典型的低噪声放大器的噪声系数随温度的变化接收机的温度变化，会引起噪声系数的变化。一般而言，温度从25度到85度，噪声系数要恶化0.5dB左右（现代雷达