一種基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對雙偏振雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)校的方法，尤其涉及一種利用非固定金 屬球?qū)﹄p偏振雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)校的方法，屬于雷達(dá)信號處理研宄領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代氣象領(lǐng)域中，天氣雷達(dá)廣泛應(yīng)用于實時天氣監(jiān)控、人影作業(yè)指揮等各個方 面。而對于氣象雷達(dá)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)標(biāo)校是必不可少的工作，未經(jīng)標(biāo)校的雷達(dá)無法以正確的 參量來表達(dá)當(dāng)前的天氣狀況。對于單偏振雷達(dá)來說，只需要進(jìn)行一個通道的標(biāo)校；而對于雙 偏振雷達(dá)，由于其有水平和垂直兩個通道，則必須分別對兩個通道進(jìn)行標(biāo)校，包括幅度和相 位的一致性標(biāo)校等。
[0003] 雷達(dá)標(biāo)校的方法有很多，一般分為在線標(biāo)校和離線標(biāo)校。在線標(biāo)校利用集成在雷 達(dá)內(nèi)部的信號源、噪聲源等器件，自身產(chǎn)生信號，并經(jīng)過雷達(dá)接收處理，來對接收通道、發(fā)射 通道等部分進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。離線標(biāo)定與在線標(biāo)定的原理基本相同，只是通過外接儀表來 代替集成的信號源等器件。王致君（1996)提出利用金屬球?qū)走_(dá)增益進(jìn)行標(biāo)定的方法，該 方法利用球體對入射波退偏振效應(yīng)為零的特點，根據(jù)點目標(biāo)的氣象方程，通過雷達(dá)返回的 功率來計算雷達(dá)增益。同時也提出，如果只需要測量水平和垂直通道的增益差，則可以通過 小雨滴來標(biāo)定。李相迎等（2002)利用雷達(dá)RCS(RadarCrossSection)目標(biāo)特性對雷達(dá)進(jìn) 行標(biāo)定。李永新等（2007)也開展了RCS測量雷達(dá)定標(biāo)誤差的工作，利用氣球懸掛標(biāo)準(zhǔn)金屬 球作為標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)體，對雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)氣球的RCS對雷達(dá)標(biāo)定結(jié)果有較大影響。Earle Williamsetal. (2012)利用金屬球?qū)OUN雷達(dá)和WSR-88D雷達(dá)的ZDR進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)了 這兩部雷達(dá)存在的偏差。
[0004] 對于偏振雷達(dá)來說，水平和垂直通道的一致性標(biāo)定是必不可少的。利用小雨對雷 達(dá)進(jìn)行標(biāo)校的方法雖然簡便，但是由于降水本身的不確定性，標(biāo)校精度無法精確量化。采用 氣球懸掛金屬球的方式，由于氣球RCS對標(biāo)校結(jié)果有影響，因此標(biāo)校精度也不容易把握。同 時，偏振雷達(dá)有多個偏振參量，都需要進(jìn)行標(biāo)定，僅標(biāo)定某一個或某幾個是不夠的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對目前技術(shù)的不足，在基于金屬球RCS標(biāo)校的基礎(chǔ)上，利用高精度GPS模 塊來記錄金屬球位置，從時域和頻域兩個方面對雷達(dá)進(jìn)行分析，在目標(biāo)點計算時采用多點 融合的計算方法，確保雷達(dá)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明對雙偏振氣象雷達(dá)的所有參量進(jìn)行 標(biāo)校，在金屬球運動的情況下依然可以正常使用。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方法的 技術(shù)方案為：
[0007] 根據(jù)雷達(dá)所在的位置，確定標(biāo)校場所，記錄雷達(dá)位置和標(biāo)校位置的經(jīng)煒度；
[0008] 根據(jù)得到的經(jīng)煒度和雷達(dá)站高度，計算金屬球在標(biāo)校狀態(tài)時相對于雷達(dá)的可能方 位、仰角和距離，設(shè)置雷達(dá)的掃描仰角和掃描方式；
[0009] 在標(biāo)校區(qū)域利用設(shè)備升起金屬球，在金屬球底部設(shè)置高精度GPS模塊，同時控制 雷達(dá)按照預(yù)設(shè)的掃描方式進(jìn)行工作，記錄雷達(dá)的IQ數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)；升起金屬球所用的設(shè)備 可以采用傳統(tǒng)的氣球，也可以采用無人機(jī)，最佳采用是風(fēng)箏。因為風(fēng)箏基本沒有續(xù)航能力的 影響，同時風(fēng)箏在空中可以很好的保持位置，不會產(chǎn)生大幅度飄移。在實際測試發(fā)現(xiàn)風(fēng)箏對 金屬球的RCS無影響，解決了使用氣球時對雷達(dá)標(biāo)校有較大影響的問題。配合高精度GPS 模塊測試精度更為準(zhǔn)確。
[0010] 分析IQ數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)，找到雷達(dá)探測的金屬球目標(biāo)，與理論值進(jìn)行比較，計算實 測值和理論值的誤差，根據(jù)誤差結(jié)果對雷達(dá)進(jìn)行修正。
[0011] 本發(fā)明方法較現(xiàn)有技術(shù)的方法的有益效果是簡便易行，可以對雷達(dá)整機(jī)做精確標(biāo) 校；提高了計算的精度，解決了金屬球移動時的雷達(dá)參數(shù)標(biāo)校問題，可以對偏振雷達(dá)的所有 探測參量進(jìn)行標(biāo)校。
[0012] 說明書附圖
[0013] 圖1是金屬球相對于雷達(dá)所在的方位和仰角計算；
[0014] 圖2是金屬球所在距離單元的FFT頻譜；
[0015] 圖3是金屬球所在位置相鄰幾個仰角的雷達(dá)基數(shù)據(jù)；
[0016] 圖4是雷達(dá)探測的金屬球反射率因子和理論值對比；
[0017] 圖5是雷達(dá)探測到的多個體掃金屬球差分反射率；
[0018] 圖6是雷達(dá)探測到的多個體掃金屬球相關(guān)系數(shù)；
[0019] 圖7是雷達(dá)探測到的多個體掃金屬球差分傳播相移。
【具體實施方式】
[0020] 針對本發(fā)明的一種基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方案的詳細(xì)說明，具 體包括如下步驟：
[0021] 根據(jù)雷達(dá)所在的經(jīng)煒度和高度，選擇合適的標(biāo)校位置，要求該位置沒有明顯地物 遮擋，且距離雷達(dá)站不遠(yuǎn)。標(biāo)校位置的選擇對于雷達(dá)標(biāo)校成功是至關(guān)重要的，標(biāo)校位置距離 雷達(dá)如果太遠(yuǎn)，由于金屬球只能升到一定高度，在雷達(dá)將以很低的仰角進(jìn)行觀測，這樣很不 利于目標(biāo)的確定。同時要求標(biāo)校位置附近沒有較多遮擋，如樹林、鐵塔、山丘等目標(biāo)。確定 好區(qū)域后，就可以根據(jù)該位置和雷達(dá)的位置計算金屬球可能所在的方位、仰角和距離，利用 該數(shù)據(jù)來設(shè)置雷達(dá)的掃描方式和信號處理方式。
[0022] 根據(jù)金屬球升空后可能的最大高度，計算出該位置相對于雷達(dá)的可能方位、仰角 和距離，據(jù)此設(shè)置雷達(dá)的工作方式和掃描方式；計算好金屬球相對于雷達(dá)的可能位置后，就 可以根據(jù)位置設(shè)置雷達(dá)的掃描方式和信號處理方式，如果條件允許的話，最好使用扇掃模 式，這樣可以減少不必要的數(shù)據(jù)記錄。
[0023] 在標(biāo)校區(qū)域內(nèi)用風(fēng)箏升起金屬球，在該球底部加上高精度GPS模塊，用來記錄金 屬球的位置，控制雷達(dá)按照預(yù)定掃描模式工作。
[0024] 觀察標(biāo)校區(qū)域，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，穩(wěn)定地記錄一段時間的IQ數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)；進(jìn)行標(biāo)校 時，首先在標(biāo)校區(qū)域升起金屬球，同時開啟雷達(dá)，按照預(yù)設(shè)模式進(jìn)行掃描。金屬球升起后，在 雷達(dá)上很容易觀察到金屬球目標(biāo)，此時要確保雷達(dá)基數(shù)據(jù)和IQ數(shù)據(jù)都正常存儲。IQ數(shù)據(jù)可 以用來從頻譜方面確認(rèn)金屬球的位置和強(qiáng)度，基數(shù)據(jù)用來比對雷達(dá)計算的結(jié)果和金屬球本 身的理論值，計算出二者的誤差。
[0025]分析雷達(dá)記錄的結(jié)果，與金屬球計算的理論值進(jìn)行比對，計算出雷達(dá)的測量誤差， 根據(jù)誤差值對雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)。在該步驟中金屬球反射率因子理論值的計算是很關(guān)鍵的步 驟，假設(shè)金屬球的半徑為r(m)，雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率為Pt(Kw)，天線增益為G，接收機(jī)噪聲 系數(shù)為NF(dB)，接收機(jī)的帶寬為BW(MHz)，雷達(dá)波長為A(m)，饋線損耗為L(dB)，雷達(dá)IKm 處的可探測強(qiáng)度為dBZO,金屬球與雷達(dá)的距離為R(Km)，則按照以下公式計算金屬球的反 射率囚子：
【主權(quán)項】
1. 一種基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方法，其特征在于包含如下步驟： 根據(jù)雷達(dá)所在的位置，確定標(biāo)校場所，記錄雷達(dá)位置和標(biāo)校位置的經(jīng)紳度； 根據(jù)得到的經(jīng)紳度和雷達(dá)站高度，計算金屬球在標(biāo)校狀態(tài)時相對于雷達(dá)的可能方位、 仰角和距離，設(shè)置雷達(dá)的掃描仰角和掃描方式； 在標(biāo)校區(qū)域利用設(shè)備升起金屬球，在金屬球底部設(shè)置高精度GI^S模塊，同時控制雷達(dá) 按照預(yù)設(shè)的掃描方式進(jìn)行工作，記錄雷達(dá)的IQ數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)； 分析IQ數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)，找到雷達(dá)探測的金屬球目標(biāo)，與理論值進(jìn)行比較，計算實測值 和理論值的誤差，根據(jù)誤差結(jié)果對雷達(dá)進(jìn)行修正。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方法，其特征在 于所述掃描方式為扇掃模式。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方法，其特 征在于所述升起金屬球設(shè)備為無人機(jī)或氣球或風(fēng)拳。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非固定金屬球的雙偏振天氣雷達(dá)標(biāo)校方法，包含如下步驟：根據(jù)雷達(dá)位置，確定標(biāo)校場所，記錄雷達(dá)位置和標(biāo)校位置的經(jīng)緯度；根據(jù)經(jīng)緯度和雷達(dá)站高度，計算金屬球在標(biāo)校狀態(tài)時相對于雷達(dá)的可能方位、仰角和距離，設(shè)置雷達(dá)的掃描仰角和掃描方式；在標(biāo)校區(qū)域升起金屬球，在金屬球底部設(shè)置高精度GPS模塊，控制雷達(dá)按照預(yù)設(shè)掃描方式工作，記錄雷達(dá)的IQ數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)；分析數(shù)據(jù)，找到雷達(dá)探測的金屬球目標(biāo)，與理論值進(jìn)行比較，計算實測值和理論值的誤差，根據(jù)誤差進(jìn)行修正。本發(fā)明方法簡便易行，解決了金屬球移動時的雷達(dá)參數(shù)標(biāo)校問題，可以對偏振雷達(dá)的所有探測參量進(jìn)行標(biāo)校。
【IPC分類】G01S7-40
【公開號】CN104678369
【申請?zhí)枴緾N201510036477
【發(fā)明人】趙坤, 楊正瑋, 陳建軍, 黃浩, 邵世卿, 陳剛
【申請人】南京大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月20日