CN104678369A

CN104678369A - 一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法

Info

Publication number: CN104678369A
Application number: CN201510036477.XA
Authority: CN
Inventors: 赵坤; 杨正玮; 陈建军; 黄浩; 邵世卿; 陈刚
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明公开了一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法，包含如下步骤：根据雷达位置，确定标校场所，记录雷达位置和标校位置的经纬度；根据经纬度和雷达站高度，计算金属球在标校状态时相对于雷达的可能方位、仰角和距离，设置雷达的扫描仰角和扫描方式；在标校区域升起金属球，在金属球底部设置高精度GPS模块，控制雷达按照预设扫描方式工作，记录雷达的IQ数据和基数据；分析数据，找到雷达探测的金属球目标，与理论值进行比较，计算实测值和理论值的误差，根据误差进行修正。本发明方法简便易行，解决了金属球移动时的雷达参数标校问题，可以对偏振雷达的所有探测参量进行标校。

Description

一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法

技术领域

本发明涉及一种对双偏振雷达进行***标校的方法，尤其涉及一种利用非固定金属球对双偏振雷达进行***标校的方法，属于雷达信号处理研究领域。

背景技术

在现代气象领域中，天气雷达广泛应用于实时天气监控、人影作业指挥等各个方面。而对于气象雷达***来说，***标校是必不可少的工作，未经标校的雷达无法以正确的参量来表达当前的天气状况。对于单偏振雷达来说，只需要进行一个通道的标校；而对于双偏振雷达，由于其有水平和垂直两个通道，则必须分别对两个通道进行标校，包括幅度和相位的一致性标校等。

雷达标校的方法有很多，一般分为在线标校和离线标校。在线标校利用集成在雷达内部的信号源、噪声源等器件，自身产生信号，并经过雷达接收处理，来对接收通道、发射通道等部分进行标定和校准。离线标定与在线标定的原理基本相同，只是通过外接仪表来代替集成的信号源等器件。王致君(1996)提出利用金属球对雷达增益进行标定的方法，该方法利用球体对入射波退偏振效应为零的特点，根据点目标的气象方程，通过雷达返回的功率来计算雷达增益。同时也提出，如果只需要测量水平和垂直通道的增益差，则可以通过小雨滴来标定。李相迎等(2002)利用雷达RCS(Radar Cross Section)目标特性对雷达进行标定。李永新等(2007)也开展了RCS测量雷达定标误差的工作，利用气球悬挂标准金属球作为标准定标体，对雷达进行标定，发现气球的RCS对雷达标定结果有较大影响。Earle Williams et al.(2012)利用金属球对KOUN雷达和WSR-88D雷达的ZDR进行标定，发现了这两部雷达存在的偏差。

对于偏振雷达来说，水平和垂直通道的一致性标定是必不可少的。利用小雨对雷达进行标校的方法虽然简便，但是由于降水本身的不确定性，标校精度无法精确量化。采用气球悬挂金属球的方式，由于气球RCS对标校结果有影响，因此标校精度也不容易把握。同时，偏振雷达有多个偏振参量，都需要进行标定，仅标定某一个或某几个是不够的。

发明内容

本发明针对目前技术的不足，在基于金属球RCS标校的基础上，利用高精度GPS模块来记录金属球位置，从时域和频域两个方面对雷达进行分析，在目标点计算时采用多点融合的计算方法，确保雷达计算结果的准确性。本发明对双偏振气象雷达的所有参量进行标校，在金属球运动的情况下依然可以正常使用。

为解决上述技术问题，本发明的基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法的技术方案为：

根据雷达所在的位置，确定标校场所，记录雷达位置和标校位置的经纬度；

根据得到的经纬度和雷达站高度，计算金属球在标校状态时相对于雷达的可能方位、仰角和距离，设置雷达的扫描仰角和扫描方式；

在标校区域利用设备升起金属球，在金属球底部设置高精度GPS模块，同时控制雷达按照预设的扫描方式进行工作，记录雷达的IQ数据和基数据；升起金属球所用的设备可以采用传统的气球，也可以采用无人机，最佳采用是风筝。因为风筝基本没有续航能力的影响，同时风筝在空中可以很好的保持位置，不会产生大幅度飘移。在实际测试发现风筝对金属球的RCS无影响，解决了使用气球时对雷达标校有较大影响的问题。配合高精度GPS模块测试精度更为准确。

分析IQ数据和基数据，找到雷达探测的金属球目标，与理论值进行比较，计算实测值和理论值的误差，根据误差结果对雷达进行修正。

本发明方法较现有技术的方法的有益效果是简便易行，可以对雷达整机做精确标校；提高了计算的精度，解决了金属球移动时的雷达参数标校问题，可以对偏振雷达的所有探测参量进行标校。

说明书附图

图1是金属球相对于雷达所在的方位和仰角计算；

图2是金属球所在距离单元的FFT频谱；

图3是金属球所在位置相邻几个仰角的雷达基数据；

图4是雷达探测的金属球反射率因子和理论值对比；

图5是雷达探测到的多个体扫金属球差分反射率；

图6是雷达探测到的多个体扫金属球相关系数；

图7是雷达探测到的多个体扫金属球差分传播相移。

具体实施方式

针对本发明的一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方案的详细说明，具体包括如下步骤：

根据雷达所在的经纬度和高度，选择合适的标校位置，要求该位置没有明显地物遮挡，且距离雷达站不远。标校位置的选择对于雷达标校成功是至关重要的，标校位置距离雷达如果太远，由于金属球只能升到一定高度，在雷达将以很低的仰角进行观测，这样很不利于目标的确定。同时要求标校位置附近没有较多遮挡，如树林、铁塔、山丘等目标。确定好区域后，就可以根据该位置和雷达的位置计算金属球可能所在的方位、仰角和距离，利用该数据来设置雷达的扫描方式和信号处理方式。

根据金属球升空后可能的最大高度，计算出该位置相对于雷达的可能方位、仰角和距离，据此设置雷达的工作方式和扫描方式；计算好金属球相对于雷达的可能位置后，就可以根据位置设置雷达的扫描方式和信号处理方式，如果条件允许的话，最好使用扇扫模式，这样可以减少不必要的数据记录。

在标校区域内用风筝升起金属球，在该球底部加上高精度GPS模块，用来记录金属球的位置，控制雷达按照预定扫描模式工作。

观察标校区域，发现目标后，稳定地记录一段时间的IQ数据和基数据；进行标校时，首先在标校区域升起金属球，同时开启雷达，按照预设模式进行扫描。金属球升起后，在雷达上很容易观察到金属球目标，此时要确保雷达基数据和IQ数据都正常存储。IQ数据可以用来从频谱方面确认金属球的位置和强度，基数据用来比对雷达计算的结果和金属球本身的理论值，计算出二者的误差。

分析雷达记录的结果，与金属球计算的理论值进行比对，计算出雷达的测量误差，根据误差值对雷达进行校准。在该步骤中金属球反射率因子理论值的计算是很关键的步骤，假设金属球的半径为r(m)，雷达发射机峰值功率为Pt(Kw)，天线增益为G，接收机噪声系数为NF(dB)，接收机的带宽为BW(MHz)，雷达波长为λ(m)，馈线损耗为L(dB)，雷达1Km处的可探测强度为dBZ0，金属球与雷达的距离为R(Km)，则按照以下公式计算金属球的反射率囚子：

RCS＝π×r²

\Pr = \frac{Pt \times G^{2} \times RCS \times λ^{2} \times 10^{\frac{L}{10}}}{4 π^{3} \times R^{4}}

SNR＝10×log(Pr*1000)-(-114+NF+10×log BW)

dBZ = dBZ 0 + SNR + 20 \times \log (\frac{R}{1000})

其中，RCS为金属球的雷达反射截面，Pr为雷达接收机接收到的功率，dBZ是最终的反射率因子计算结果。在分析数据时，由于金属球会移动，因此从时域和频域两个方面对数据进行处理，解决数据和目标点的匹配问题。

数据记录完成后，就要进行标校数据的分析了。金属球本身的反射率因子可以通过上面描述的公式计算，而其他偏振参量，由于金属球是球体，差分反射率和差分传播相移理论值为0，其相关系数理论值为1。由于金属球会移动，因此可以从频域方面来分析。图2计算的是雷达探测到的金属球所在位置的频谱，横坐标是FFT的通道数，纵坐标是幅度，从中可以得到金属球所在的位置。图3表示的是金属球所在位置附近几个仰角的基数据，横坐标是方位，纵坐标是距离。图4到图7则分别表示的是多个体扫下雷达探测到的金属球的反射率因子实测值和理论值对比以及实测的差分反射率、相关系数和差分传播相移，其横坐标是体扫次数，纵坐标是各自的参量。通过分析，就可以获知雷达测量参数的误差。

Claims

1.一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法，其特征在于包含如下步骤：

在标校区域利用设备升起金属球，在金属球底部设置高精度GPS模块，同时控制雷达按照预设的扫描方式进行工作，记录雷达的IQ数据和基数据；

2.如权利要求1所述的一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法，其特征在于所述扫描方式为扇扫模式。

3.如权利要求1或2所述的一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法，其特征在于所述升起金属球设备为无人机或气球或风筝。