CN110146864B - 一种天气雷达综合标定方法及*** - Google Patents

一种天气雷达综合标定方法及*** Download PDF

Info

Publication number
CN110146864B
CN110146864B CN201910599555.5A CN201910599555A CN110146864B CN 110146864 B CN110146864 B CN 110146864B CN 201910599555 A CN201910599555 A CN 201910599555A CN 110146864 B CN110146864 B CN 110146864B
Authority
CN
China
Prior art keywords
radar
signal
calibration
target
amplitude
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910599555.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110146864A (zh
Inventor
李斐斐
邵楠
刘洁
王箫鹏
陈玉宝
韩旭
步志超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CMA Meteorological Observation Centre
Original Assignee
CMA Meteorological Observation Centre
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CMA Meteorological Observation Centre filed Critical CMA Meteorological Observation Centre
Priority to CN201910599555.5A priority Critical patent/CN110146864B/zh
Publication of CN110146864A publication Critical patent/CN110146864A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110146864B publication Critical patent/CN110146864B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4004—Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明涉及一种天气雷达综合标定方法及***，其中方法，包括以下步骤：接收天气雷达的射频信号；对射频信号进行预处理；根据射频数字信号计算出雷达发射信号HV分量幅度、HV相位差、脉冲宽度、天线转速、波束宽度；根据状态信息对射频数字信号进行下变频处理；对数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；对数字基带调制信号进行数模转换；根据强度指标对模拟目标中频信号进行幅度控制；根据金属球回波强度对模拟目标发射功率进行标定。在本发明的技术方案中，利用标准金属球基于客观标定原则，有别于目前基于模拟目标注入方式的主观标定，主观标定选取的模拟目标幅度属假定真值，金属球客观标定具有真值基础。

Description

一种天气雷达综合标定方法及***
技术领域
本发明涉及天气雷达的参数标定领域，尤其涉及一种天气雷达综合标定方法和一种天气雷达综合标定***。
背景技术
天气雷达综合标定仪既可用于对被标定雷达***辐射参数的测试，以及综合标定仪基准参数的测试，又可用于对雷达***总体测量参数等的综合标定。在远场外回路检测包括发射功率、脉冲宽度、频谱宽度、天线波束宽度、天线增益等参数，并对其定标，其特点是全面覆盖雷达测量参数。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提供一种天气雷达综合标定方法，其能够实现双线偏振多普勒天气雷达所有参量的快速同步测量，提高了探测数据的时效性。
本发明的另一个目的在于提供一种天气雷达综合标定***，其采用独特的双通道全路径收发标校技术，能够极大地减小了雷达***的双通道收发***误差，为提高探测数据质量提供了有效保证。
为实现上述目的，本发明第一方面的技术方案提供了一种天气雷达综合标定方法，包括以下步骤：
利用宽带双偏振接收天线接收天气雷达的射频信号；
对射频信号进行预处理，得到射频数字信号以及对应同一射频数字信号的H、V通道数字信号；
根据射频数字信号测量射频信号的状态信息，并同时根据H、V通道数字信号计算出天气雷达发射支路的幅度校准参数Ka和相位差校准参数δφa；
其中，状态信息包括脉冲宽度τ、脉冲周期T、H通道同相分量Iha、V通道同相分量Iva、H通道正交分量Qha、V通道正交分量Qva、功率、H幅度Aha、V幅度Ava、H相位φha、V相位φva及HV相位差δφa，
Figure GDA0002962168010000021
Figure GDA0002962168010000022
根据状态信息对射频数字信号进行下变频处理，得到数字基带信号；
对数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；
对数字基带调制信号进行数模转换，得到模拟目标中频信号；
根据雷达回波强度对模拟目标中频信号进行幅度控制，得到模拟目标信号；
获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；
输出模拟目标信号，并控制模拟目标信号的频率与多普勒频率相等，得到模拟目标输出信号；
根据对应预设距离库的雷达回波强度计算天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率，并对所有模拟目标输出信号进行强度标定；
其中，对应预设距离库的雷达回波强度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000023
σ为金属球投影面积，λ为雷达工作波长，θ为雷达方位波束宽度，
Figure GDA0002962168010000024
为雷达俯仰波束宽度，r为标定点到雷达距离，c为光速，τ为雷达发射脉冲宽度；
天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率的计算公式为：
Figure GDA0002962168010000025
Pt为雷达发射功率，Gt为雷达天线增益，Ae为接收天线面积，设置为与金属球的投影面积σ相同，通过雷达发射功率Pt和雷达天线增益Gt可计算模拟目标功率；
通过接收射频信号的幅度计算模拟目标功率
Figure GDA0002962168010000031
其中：La为接收通道损耗；
在雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
Figure GDA0002962168010000032
在雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
Figure GDA0002962168010000033
天气雷达采用圆抛物面天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度相等，因此：Gt＝42.5-20logθ；
根据方位波束宽度θ计算天线增益，雷达天线波束宽度通过接收雷达发射信号进行测量，根据雷达扫描一帧对应最大值间隔时间Tz测量雷达方位角扫描速度ωθ，根据接收雷达发射信号幅度变化，测量最大值0.707倍对应扫描时间Δt，计算波束宽度：
Figure GDA0002962168010000034
θ＝Δtωθ。
在该技术方案中，利用标准金属球基于客观标定原则，有别于目前基于模拟目标注入方式的主观标定，主观标定选取的模拟目标幅度属假定真值，金属球客观标定具有真值基础。
在上述技术方案中，优选地，还包括以下步骤：极化扫描天线移动至与天气雷达呈预设角度45°；
天气雷达接收极化扫描天线发出的与同一模拟目标输出信号的H、V通道信号相等的极化模拟目标发射信号，并计算幅比和相位差，得到雷达接收通道幅度校准系数和相位校准参数；
其中，接收通道幅度校准系数为：
Figure GDA0002962168010000035
δφb＝φhb-φvb；
雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
雷达相位校准参数为：
Figure GDA0002962168010000036
δφb为所述极化模拟目标发射信号的HV相位差，φhb为所述极化模拟目标发射信号的H相位、φvb为所述极化模拟目标发射信号的V相位，Ahb为所述极化模拟目标发射信号的H幅度、Avb为所述极化模拟目标发射信号的V幅度；
天气雷达根据幅度校准系数和相位校准参数对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行幅相一致性校准，得到幅比真值；
根据预设间隔扫描角控制极化扫描天线进行极化扫描，并向天气雷达发送幅比真值和相位控制后的同一模拟目标输出信号的H、V通道信号；
天气雷达接收幅比真值并对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行非线性校准，并对不同扫描角的雷达极化测量参数进行标定；
其中，HV非线性校准用于建立HV校准参数表，对雷达幅比进行非线性校准，通过调整极化扫描天线的极化扫描角α，产生系列幅度校准参数，读取雷达幅比测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数；
幅度校准参数的表达式为：
Figure GDA0002962168010000041
Ava＝Z0tgα，Aha＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；极化扫描角α的取值范围为5°～88°，幅比真值为0.008；预设间隔扫描角为1°；终止极化扫描角为88°，幅比真值为820；雷达极化测量参数包括差分反射率因子、双程差分传播相位变化值、双程差分传播相位常数、双线偏振雷达退极化因子和相位噪声中的至少一种；
极化扫描用于雷达接收通道幅相一致性校准及非线性校准，极化扫描模拟目标信号可设输出HV信号相位差为0～360°，幅比取决于极化扫描角度，由此产生幅比真值和相位差真值，进行雷达端幅相一致性校准同时，提供雷达端差分反射率Zdr、差分相移φdp、差分相移常数Kdp、线性退极化因子Ldr参数真值；
差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
其中，线性退极化因子是垂直接收与水平接收比值的对数，即Zvh是雷达端水平发射、雷达接收通道垂直接收的信号幅度，测量极化散射，接收雷达水平极化发射信号，将扫描角置0°，缓缓在0°～45°范围扫描，Ldr真值为：Ldr0＝10log(Zvh0/Zhh0)；Zvh0＝Z0tgα；Zhh0＝Z0ctgα；差分相移φdp＝φhh-φvv，φhh为模拟目标水平发射通道相位设置参数，φvv为模拟目标垂直发射通道相位设置参数，差分相移标定为双通道馈电，φdp真值由模拟目标相位控制字确定并提供；
差分相移常数Kdp真值为：
Figure GDA0002962168010000051
其中，距离库r1差分相移φdpr1，距离库r2差分相移φdpr2，由模拟目标从距离库r1开始，差分相移按步进δφ递增，直到φdpr2。
在上述技术方案中，优选地，还包括以下步骤：
根据预设模拟目标输出速度对天气雷达的速度测量精度进行标定，得到模拟目标输出速度真值；
其中，速度测量精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000052
Vi为雷达第i次速度测量值，Vi0为第i次测量时的预设模拟目标输出速度，N为测量样本数；
预设模拟目标输出速度通过设定模拟目标多普勒调制频率实现，速度真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000053
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
根据模拟目标输出速度真值对天气雷达的速度退模糊进行标定，并判断是否产生野值；
天气雷达探测脉冲重复频率通常为300Hz～1Khz，对应S波段雷达不模糊速度约18m/s～30m/s，对应C波段雷达不模糊速度约9m/s～15m/s，对应X波段雷达不模糊速度约4.5m/s～7.5m/s，气象目标速度范围约为0～50m/s，通过设定多普勒频率在0～±15Khz步进，模拟目标速度真值范围约0～±200m/s，可对雷达退速度模糊性能进行标定；
根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
其中，群发模拟目标信号的表达式为：
Figure GDA0002962168010000061
ui(t)为第i路模拟目标信号幅度，ω0＝2πf0，f0为雷达工作频率，ωdi＝2πfdi，fdi为第i路信号多普勒频率，N为单次群发多普勒频率数量；
根据对应于目标天气雷达的群发模拟目标输出速度真值对天气雷达的谱宽及精度进行标定；
天气雷达根据预设的延迟时间得到对应模拟目标输出信号的距离参数；
根据距离参数对天气雷达的距离精度进行标定；
其中，距离精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000062
ri为雷达第i次距离测量值，ri0为第i次测量时的距离真值，N为测量样本数，距离真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000063
c为光速，T为模拟目标相对于雷达发射信号的延迟时间，模拟目标延迟时间取决于架设点与雷达距离，模拟目标距离真值建立在架设点距离基础上，架设点与雷达距离r0，对应雷达回波延迟时间t0，产生架设点以远模拟目标延迟时间：T＝t0+ti，ti为产生模拟目标的延迟时间，ti＝0～Tri-t0；产生架设点以内模拟目标延迟时间：T＝Tri-t0+ti，ti＝0～t0，模拟目标按照跨周期产生，模拟目标真值为：
Figure GDA0002962168010000064
综合产生全距离量程模拟目标；
其中，预设模拟目标速度为-200m/s～+200m/s；延迟时间为0～3ms，对应距离范围为0～450km。
在上述任一技术方案中，优选地，预处理包括对射频信号进行放大、混频、滤波和模数转换，得到射频数字信号以及对应同一射频数字信号的H、V通道数字信号。
本发明第二方面的技术方案提供了一种天气雷达综合标定***，包括：宽带双偏振接收天线，被设置为用于接收天气雷达的射频信号；
信号处理模块，被设置为用于对射频信号进行预处理，得到射频数字信号以及对应同一射频数字信号的H、V通道数字信号；
数据处理模块，被设置为用于根据射频数字信号测量射频信号的状态信息，并同时根据H、V通道数字信号计算出天气雷达发射支路的幅度校准参数Ka和相位差校准参数δφa；
其中，状态信息包括脉冲宽度τ、脉冲周期T、H通道同相分量Iha、V通道同相分量Iva、H通道正交分量Qha、V通道正交分量Qva、功率、H幅度Aha、V幅度Ava、H相位φha、V相位φva及HV相位差δφa，
Figure GDA0002962168010000071
Figure GDA0002962168010000072
δφa＝φha-φva；
下变频处理模块，被设置为用于根据状态信息对射频数字信号进行下变频处理，得到数字基带信号；
基带调制模块，被设置为用于对数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；
模数转换器，被设置为用于对数字基带调制信号进行数模转换，得到模拟目标中频信号；
中频处理模块，被设置为用于根据雷达回波强度对模拟目标中频信号进行幅度控制，得到模拟目标信号；
获取单元，被设置为用于获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；获取单元为天气雷达的接收端；
输出单元，被设置为用于输出模拟目标信号，并控制模拟目标信号的频率与多普勒频率相等，得到模拟目标输出信号，输出单元为天气雷达的输出端；
强度标定模块，被设置为用于根据对应预设距离库的雷达回波强度计算天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率，并对所有模拟目标输出信号进行强度标定；
其中，对应预设距离库的雷达回波强度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000081
σ为金属球投影面积，λ为雷达工作波长，θ为雷达方位波束宽度，
Figure GDA0002962168010000082
为雷达俯仰波束宽度，r为标定点到雷达距离，c为光速，τ为雷达发射脉冲宽度；
天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率的计算公式为：
Figure GDA0002962168010000083
Pt为雷达发射功率，Gt为雷达天线增益，Ae为接收天线面积，设置为与金属球的投影面积σ相同，通过雷达发射功率Pt和雷达天线增益Gt可计算模拟目标功率；
通过接收射频信号的幅度计算模拟目标功率：
Figure GDA0002962168010000084
其中：La为接收通道损耗；
在雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
Figure GDA0002962168010000085
在雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
Figure GDA0002962168010000086
天气雷达采用圆抛物面天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度相等，因此：Gt＝42.5-20logθ；
根据方位波束宽度θ计算天线增益，雷达天线波束宽度通过接收雷达发射信号进行测量，根据雷达扫描一帧对应最大值间隔时间Tz测量雷达方位角扫描速度ωθ，根据接收雷达发射信号幅度变化，测量最大值0.707倍对应扫描时间Δt，计算波束宽度：
Figure GDA0002962168010000091
θ＝Δtωθ。
在该技术方案中，利用标准金属球基于客观标定原则，有别于目前基于模拟目标注入方式的主观标定，主观标定选取的模拟目标幅度属假定真值，金属球客观标定具有真值基础。
在上述技术方案中，优选地，还包括：
极化扫描天线，可移动至与天气雷达呈预设角度；
幅比相位差计算模块，被设置为用于接收极化扫描天线发出的与同一模拟目标输出信号的H、V通道信号相等的极化模拟目标发射信号，并计算幅比和相位差，得到雷达接收通道幅度校准系数和相位校准参数，幅比相位差计算模块设置在天气雷达上；
其中，接收通道幅度校准系数为：
Figure GDA0002962168010000092
δφb＝φhb-φvb；
雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
雷达相位校准参数为：
Figure GDA0002962168010000093
δφb为所述极化模拟目标发射信号的HV相位差，φhb为所述极化模拟目标发射信号的H相位、φvb为所述极化模拟目标发射信号的V相位，Ahb为所述极化模拟目标发射信号的H幅度、Avb为所述极化模拟目标发射信号的V幅度；
幅相一致性校准模块，被设置为用于根据幅度校准系数和相位校准参数对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行幅相一致性校准，得到幅比真值，幅相一致性校准模块设置在天气雷达上；
极化扫描控制模块，被设置为用于根据预设间隔扫描角控制极化扫描天线进行极化扫描，并向天气雷达发送幅比真值和相位控制后的同一模拟目标输出信号的H、V通道信号；
非线性校准模块，被设置为用于接收幅比真值并对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行非线性校准，并对不同扫描角的雷达极化测量参数进行标定，非线性校准模块设置在天气雷达上；
其中，HV非线性校准用于建立HV校准参数表，对雷达幅比进行非线性校准，通过调整极化扫描天线的极化扫描角α，产生系列幅度校准参数，读取雷达幅比测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数；
幅度校准参数的表达式为：
Figure GDA0002962168010000101
Ava＝Z0tgα，Aha＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；极化扫描角α的取值范围为5°～88°，幅比真值为0.008；预设间隔扫描角为1°；终止极化扫描角为88°，幅比真值为820；雷达极化测量参数包括差分反射率因子、双程差分传播相位变化值、双程差分传播相位常数、双线偏振雷达退极化因子和相位噪声中的至少一种；
极化扫描用于雷达接收通道幅相一致性校准及非线性校准，极化扫描模拟目标信号可设输出HV信号相位差为0～360°，幅比取决于极化扫描角度，由此产生幅比真值和相位差真值，进行雷达端幅相一致性校准同时，提供雷达端差分反射率Zdr、差分相移φdp、差分相移常数Kdp、线性退极化因子Ldr参数真值；
差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
其中，线性退极化因子是水平发射垂直接收与水平接收比值的对数，即Zvh是雷达端水平发射、雷达接收通道垂直接收的信号幅度，测量极化散射，接收雷达水平极化发射信号，将扫描角置0°，缓缓在0°～45°范围扫描，Ldr真值为：Ldr0＝10log(Zvh0/Zhh0)；Zvh0＝Z0tgα；Zhh0＝Z0ctgα；差分相移φdp＝φhh-φvv，φhh为模拟目标水平发射通道相位设置参数，φvv为模拟目标垂直发射通道相位设置参数，差分相移标定为双通道馈电，φdp真值由模拟目标相位控制字确定并提供；
差分相移常数Kdp真值为：
Figure GDA0002962168010000111
其中，距离库r1差分相移φdpr1，距离库r2差分相移φdpr2，由模拟目标从距离库r1开始，差分相移按步进δφ递增，直到φdpr2。
在上述技术方案中，优选地，还包括：
速度控制模块，被设置为用于根据预设模拟目标输出速度对天气雷达的速度测量精度进行标定，得到模拟目标输出速度真值；
其中，速度测量精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000112
Vi为雷达第i次速度测量值，Vi0为第i次测量时的预设模拟目标输出速度，N为测量样本数；
预设模拟目标输出速度通过设定模拟目标多普勒调制频率实现，速度真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000113
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
速度退模糊标定模块，被设置为用于根据模拟目标输出速度真值对天气雷达的速度退模糊进行标定，并判断是否产生野值；
天气雷达探测脉冲重复频率通常为300Hz～1Khz，对应S波段雷达不模糊速度约18m/s～30m/s，对应C波段雷达不模糊速度约9m/s～15m/s，对应X波段雷达不模糊速度约4.5m/s～7.5m/s，气象目标速度范围约为0～50m/s，通过设定多普勒频率在0～±15Khz步进，模拟目标速度真值范围约0～±200m/s，可对雷达退速度模糊性能进行标定；
群发模块，被设置为用于根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
其中，群发模拟目标信号的表达式为：
Figure GDA0002962168010000121
ui(t)为第i路模拟目标信号幅度，ω0＝2πf0，f0为雷达工作频率，ωdi＝2πfdi，fdi为第i路信号多普勒频率，N为单次群发多普勒频率数量；
速度分辨率标定模块，被设置为用于根据对应于目标天气雷达的群发模拟目标输出速度真值对天气雷达的谱宽及精度进行标定；
距离参数计算模块，被设置为用于根据预设的延迟时间得到对应模拟目标输出信号的距离参数，距离参数计算模块设置在天气雷达上；
距离精度标定模块，被设置为用于根据距离参数对天气雷达的距离精度进行标定；
其中，距离精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000122
ri为雷达第i次距离测量值，ri0为第i次测量时的距离真值，N为测量样本数，距离真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000123
c为光速，T为模拟目标相对于雷达发射信号的延迟时间，模拟目标延迟时间取决于架设点与雷达距离，模拟目标距离真值建立在架设点距离基础上，架设点与雷达距离r0，对应雷达回波延迟时间t0，产生架设点以远模拟目标延迟时间：T＝t0+ti，ti为产生模拟目标的延迟时间，ti＝0～Tri-t0；产生架设点以内模拟目标延迟时间：T＝Tri-t0+ti，ti＝0～t0，模拟目标按照跨周期产生，模拟目标真值为：
Figure GDA0002962168010000131
综合产生全距离量程模拟目标；
其中，预设模拟目标速度为-200m/s～+200m/s；延迟时间为0～3ms，对应距离范围为0～450km。
在上述任一技术方案中，优选地，信号处理模块包括放大单元、混频单元、滤波单元和模数转换单元。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了本发明一个实施例所涉及天气雷达综合标定方法的流程框图；
图2示出了本发明另一个实施例所涉及天气雷达综合标定方法的流程框图；
图3示出了本发明再一个实施例所涉及天气雷达综合标定方法的流程框图；
图4示出了本发明一个实施例所涉及天气雷达综合标定***的结构框图；
图5示出了本发明另一个实施例所涉及天气雷达综合标定***的结构框图；
图6示出了本发明再一个实施例所涉及天气雷达综合标定***的结构框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图6描述根据本发明一些实施例的天气雷达综合标定方法及***。
实施例1
如图1所示，按照本发明一个实施例的天气雷达综合标定方法，包括以下步骤：
S1，利用宽带双偏振接收天线接收天气雷达的射频信号；
S2，对射频信号进行预处理，得到射频数字信号以及对应同一射频数字信号的H、V通道数字信号；
S3，根据射频数字信号测量射频信号的状态信息，并同时根据H、V通道数字信号计算出天气雷达发射支路的幅度校准参数Ka和相位差校准参数δφa；
其中，状态信息包括脉冲宽度τ、脉冲周期T、H通道同相分量Iha、V通道同相分量Iva、H通道正交分量Qha、V通道正交分量Qva、功率、H幅度Aha、V幅度Ava、H相位φha、V相位φva及HV相位差δφa，
Figure GDA0002962168010000141
Figure GDA0002962168010000142
δφa＝φha-φva；
S4，根据状态信息对射频数字信号进行下变频处理，得到数字基带信号；
S5，对数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；
S6，对数字基带调制信号进行数模转换，得到模拟目标中频信号；
S7，根据雷达回波强度对模拟目标中频信号进行幅度控制，得到模拟目标信号；
S8，获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；
S9，输出模拟目标信号，并控制模拟目标信号的频率与多普勒频率相等，得到模拟目标输出信号；
S10，根据对应预设距离库的雷达回波强度计算天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率，并对所有模拟目标输出信号进行强度标定；
其中，对应预设距离库的雷达回波强度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000151
σ为金属球投影面积，λ为雷达工作波长，θ为雷达方位波束宽度，
Figure GDA0002962168010000152
为雷达俯仰波束宽度，r为标定点到雷达距离，一般设置为150米或者300米，c为光速，τ为雷达发射脉冲宽度；
预设距离库距离库指的是天气雷达发射信号波长对应的探测距离，即发射信号的时间宽度。例如时长1微秒对应距离雷达150米的距离。
天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率的计算公式为：
Figure GDA0002962168010000153
通过接收射频信号的幅度计算模拟目标功率
Figure GDA0002962168010000154
其中：La为接收通道损耗；
在雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
Figure GDA0002962168010000155
在雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
Figure GDA0002962168010000156
天气雷达采用圆抛物面天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度相等，因此：Gt＝42.5-20logθ；
根据方位波束宽度θ计算天线增益，雷达天线波束宽度通过接收雷达发射信号进行测量，根据雷达扫描一帧对应最大值间隔时间Tz测量雷达方位角扫描速度ωθ，根据接收雷达发射信号幅度变化，测量最大值0.707倍对应扫描时间Δt，计算波束宽度：
Figure GDA0002962168010000161
θ＝Δtωθ。
实施例2
如图2所示，按照本发明另一个实施例的天气雷达综合标定方法，在实施例1的基础上，该方法还包括以下步骤：
S11，极化扫描天线移动至与天气雷达呈预设角度45°；
S12，天气雷达接收极化扫描天线发出的与同一模拟目标输出信号的H、V通道信号相等的极化模拟目标发射信号，并计算幅比和相位差，得到雷达接收通道幅度校准系数和相位校准参数；
其中，接收通道幅度校准系数为：
Figure GDA0002962168010000162
δφb＝φhb-φvb；
雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
雷达相位校准参数为：
Figure GDA0002962168010000163
δφb为所述极化模拟目标发射信号的HV相位差，φhb为所述极化模拟目标发射信号的H相位、φvb为所述极化模拟目标发射信号的V相位，Ahb为所述极化模拟目标发射信号的H幅度、Avb为所述极化模拟目标发射信号的V幅度；
S13，天气雷达根据幅度校准系数和相位校准参数对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行幅相一致性校准，得到幅比真值；
S14，根据预设间隔扫描角控制极化扫描天线进行极化扫描，并向天气雷达发送幅比真值和相位控制后的同一模拟目标输出信号的H、V通道信号；
S15，天气雷达接收幅比真值并对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行非线性校准，并对不同扫描角的雷达极化测量参数进行标定；
其中，HV非线性校准用于建立HV校准参数表，对雷达幅比进行非线性校准，通过调整极化扫描天线的极化扫描角α，产生系列幅度校准参数，读取雷达幅比测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数；
幅度校准参数的表达式为：
Figure GDA0002962168010000171
Ava＝Z0tgα，Aha＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；极化扫描角α的取值范围为5°～88°，幅比真值为0.008；预设间隔扫描角为1°；终止极化扫描角为88°，幅比真值为820；雷达极化测量参数包括差分反射率因子、双程差分传播相位变化值、双程差分传播相位常数、双线偏振雷达退极化因子和相位噪声中的至少一种；
极化扫描用于雷达接收通道幅相一致性校准及非线性校准，极化扫描模拟目标信号可设输出HV信号相位差为0～360°，幅比取决于极化扫描角度，由此产生幅比真值和相位差真值，进行雷达端幅相一致性校准同时，提供雷达端差分反射率Zdr、差分相移φdp、差分相移常数Kdp、线性退极化因子Ldr参数真值；
差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
其中，线性退极化因子是水平发射垂直接收与水平接收比值的对数，即Zvh是雷达端水平发射、雷达接收通道垂直接收的信号幅度，测量极化散射，接收雷达水平极化发射信号，将扫描角置0°，缓缓在0°～45°范围扫描，Ldr真值为：Ldr0＝10log(Zvh0/Zhh0)；Zvh0＝Z0tgα；Zhh0＝Z0ctgα；差分相移φdp＝φhh-φvv，φhh为模拟目标水平发射通道相位设置参数，φvv为模拟目标垂直发射通道相位设置参数，差分相移标定为双通道馈电，φdp真值由模拟目标相位控制字确定并提供；
差分相移常数Kdp真值为：
Figure GDA0002962168010000172
其中，距离库r1差分相移φdpr1，距离库r2差分相移φdpr2，由模拟目标从距离库r1开始，差分相移按步进δφ递增，直到φdpr2。
实施例3
如图3所示，按照本发明再一个实施例的天气雷达综合标定方法，在实施例2的基础上，该方法还包括以下步骤：
S16，根据预设模拟目标输出速度对天气雷达的速度测量精度进行标定，得到模拟目标输出速度真值；
其中，速度测量精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000181
Vi为雷达第i次速度测量值，Vi0为第i次测量时的预设模拟目标输出速度，N为测量样本数；
预设模拟目标输出速度通过设定模拟目标多普勒调制频率实现，速度真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000182
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
S17，根据模拟目标输出速度真值对天气雷达的速度退模糊进行标定，并判断是否产生野值；
天气雷达探测脉冲重复频率通常为300Hz～1Khz，对应S波段雷达不模糊速度约18m/s～30m/s，对应C波段雷达不模糊速度约9m/s～15m/s，对应X波段雷达不模糊速度约4.5m/s～7.5m/s，气象目标速度范围约为0～50m/s，通过设定多普勒频率在0～±15Khz步进，模拟目标速度真值范围约0～±200m/s，可对雷达退速度模糊性能进行标定；
S18，根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
其中，群发模拟目标信号的表达式为：
Figure GDA0002962168010000183
ui(t)为第i路模拟目标信号幅度，ω0＝2πf0，f0为雷达工作频率，ωdi＝2πfdi，fdi为第i路信号多普勒频率，N为单次群发多普勒频率数量；
S19，根据对应于目标天气雷达的群发模拟目标输出速度真值对天气雷达的谱宽及精度进行标定；
S20，天气雷达根据预设的延迟时间得到对应模拟目标输出信号的距离参数；
S21，根据距离参数对天气雷达的距离精度进行标定；
其中，距离精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000191
ri为雷达第i次距离测量值，ri0为第i次测量时的距离真值，N为测量样本数，距离真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000192
c为光速，T为模拟目标相对于雷达发射信号的延迟时间，模拟目标延迟时间取决于架设点与雷达距离，模拟目标距离真值建立在架设点距离基础上，架设点与雷达距离r0，对应雷达回波延迟时间t0，产生架设点以远模拟目标延迟时间：T＝t0+ti，ti为产生模拟目标的延迟时间，ti＝0～Tri-t0；产生架设点以内模拟目标延迟时间：T＝Tri-t0+ti，ti＝0～t0，模拟目标按照跨周期产生，模拟目标真值为：
Figure GDA0002962168010000193
综合产生全距离量程模拟目标；
其中，预设模拟目标速度为-200m/s～+200m/s；延迟时间为0～3ms，对应距离范围为0～450km。
具体地，预处理包括对射频信号进行放大、混频、滤波和模数转换，得到射频数字信号以及对应同一射频数字信号的H、V通道数字信号。
如图4所示，按照本发明一个实施例的天气雷达综合标定***，包括：
宽带双偏振接收天线10，被设置为用于接收天气雷达的射频信号；
信号处理模块20，被设置为用于对射频信号进行预处理，得到射频数字信号以及对应同一射频数字信号的H、V通道数字信号；
数据处理模块30，被设置为用于根据射频数字信号测量射频信号的状态信息，并同时根据H、V通道数字信号计算出天气雷达发射支路的幅度校准参数Ka和相位差校准参数δφa；
其中，状态信息包括脉冲宽度τ、脉冲周期T、H通道同相分量Iha、V通道同相分量Iva、H通道正交分量Qha、V通道正交分量Qva、功率、H幅度Aha、V幅度Ava、H相位φha、V相位φva及HV相位差δφa，
Figure GDA0002962168010000201
Figure GDA0002962168010000202
δφa＝φha-φva；
下变频处理模块40，被设置为用于根据状态信息对射频数字信号进行下变频处理，得到数字基带信号；
基带调制模块50，被设置为用于对数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；
模数转换器60，被设置为用于对数字基带调制信号进行数模转换，得到模拟目标中频信号；
中频处理模块70，被设置为用于根据雷达回波强度对模拟目标中频信号进行幅度控制，得到模拟目标信号；
获取单元80，被设置为用于获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；获取单元为天气雷达的接收端；
输出单元90，被设置为用于输出模拟目标信号，并控制模拟目标信号的频率与多普勒频率相等，得到模拟目标输出信号，输出单元为天气雷达的输出端；
强度标定模块100，被设置为用于根据对应预设距离库的雷达回波强度计算天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率，并对所有模拟目标输出信号进行强度标定；
其中，对应预设距离库的雷达回波强度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000211
σ为金属球投影面积，λ为雷达工作波长，θ为雷达方位波束宽度，
Figure GDA0002962168010000212
为雷达俯仰波束宽度，r为标定点到雷达距离，c为光速，τ为雷达发射脉冲宽度；
天气雷达量程内距离库的所有模拟目标输出信号的功率的计算公式为：
Figure GDA0002962168010000213
Pt为雷达发射功率，Gt为雷达天线增益，Ae为接收天线面积，设置为与金属球的投影面积σ相同，通过雷达发射功率Pt和雷达天线增益Gt可计算模拟目标功率；
通过接收射频信号的幅度计算模拟目标功率：
Figure GDA0002962168010000214
其中：La为接收通道损耗；
在雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
Figure GDA0002962168010000215
在雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
Figure GDA0002962168010000216
天气雷达采用圆抛物面天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度相等，因此：Gt＝42.5-20logθ；
根据方位波束宽度θ计算天线增益，雷达天线波束宽度通过接收雷达发射信号进行测量，根据雷达扫描一帧对应最大值间隔时间Tz测量雷达方位角扫描速度ωθ，根据接收雷达发射信号幅度变化，测量最大值0.707倍对应扫描时间Δt，计算波束宽度：
Figure GDA0002962168010000217
θ＝Δtωθ。
如图5所示，按照本发明另一个实施例的天气雷达综合标定***，还包括：
极化扫描天线110，可移动至与天气雷达呈预设角度；
幅比相位差计算模块120，被设置为用于接收极化扫描天线发出的与同一模拟目标输出信号的H、V通道信号相等的极化模拟目标发射信号，并计算幅比和相位差，得到雷达接收通道幅度校准系数和相位校准参数，幅比相位差计算模块设置在天气雷达上；
其中，接收通道幅度校准系数为：
Figure GDA0002962168010000221
δφb＝φhb-φvb；
雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
雷达相位校准参数为：
Figure GDA0002962168010000222
δφb为所述极化模拟目标发射信号的HV相位差，φhb为所述极化模拟目标发射信号的H相位、φvb为所述极化模拟目标发射信号的V相位，Ahb为所述极化模拟目标发射信号的H幅度、Avb为所述极化模拟目标发射信号的V幅度；
幅相一致性校准模块130，被设置为用于根据幅度校准系数和相位校准参数对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行幅相一致性校准，得到幅比真值，幅相一致性校准模块设置在天气雷达上；
极化扫描控制模块140，被设置为用于根据预设间隔扫描角控制极化扫描天线进行极化扫描，并向天气雷达发送幅比真值和相位控制后的同一模拟目标输出信号的H、V通道信号；
非线性校准模块150，被设置为用于接收幅比真值并对同一模拟目标输出信号的H、V通道信号进行非线性校准，并对不同扫描角的雷达极化测量参数进行标定，非线性校准模块设置在天气雷达上；
其中，HV非线性校准用于建立HV校准参数表，对雷达幅比进行非线性校准，通过调整极化扫描天线的极化扫描角α，产生系列幅度校准参数，读取雷达幅比测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数；
幅度校准参数的表达式为：
Figure GDA0002962168010000231
Ava＝Z0tgα，Aha＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；极化扫描角α的取值范围为5°～88°，幅比真值为0.008；预设间隔扫描角为1°；终止极化扫描角为88°，幅比真值为820；雷达极化测量参数包括差分反射率因子、双程差分传播相位变化值、双程差分传播相位常数、双线偏振雷达退极化因子和相位噪声中的至少一种；
极化扫描用于雷达接收通道幅相一致性校准及非线性校准，极化扫描模拟目标信号可设输出HV信号相位差为0～360°，幅比取决于极化扫描角度，由此产生幅比真值和相位差真值，进行雷达端幅相一致性校准同时，提供雷达端差分反射率Zdr、差分相移φdp、差分相移常数Kdp、线性退极化因子Ldr参数真值；
差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
其中，线性退极化因子是水平发射垂直接收与水平接收比值的对数，即Zvh是雷达端水平发射、雷达接收通道垂直接收的信号幅度，测量极化散射，接收雷达水平极化发射信号，将扫描角置0°，缓缓在0°～45°范围扫描，Ldr真值为：Ldr0＝10log(Zvh0/Zhh0)；Zvh0＝Z0tgα；Zhh0＝Z0ctgα；差分相移φdp＝φhh-φvv，φhh为模拟目标水平发射通道相位设置参数，φvv为模拟目标垂直发射通道相位设置参数，差分相移标定为双通道馈电，φdp真值由模拟目标相位控制字确定并提供；
差分相移常数Kdp真值为：
Figure GDA0002962168010000232
其中，距离库r1差分相移φdpr1，距离库r2差分相移φdpr2，由模拟目标从距离库r1开始，差分相移按步进δφ递增，直到φdpr2。
如图6所示，按照本发明再一个实施例的天气雷达综合标定***，还包括：
速度控制模块160，被设置为用于根据预设模拟目标输出速度对天气雷达的速度测量精度进行标定，得到模拟目标输出速度真值；
其中，速度测量精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000241
Vi为雷达第i次速度测量值，Vi0为第i次测量时的预设模拟目标输出速度，N为测量样本数；
预设模拟目标输出速度通过设定模拟目标多普勒调制频率实现，速度真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000242
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
速度退模糊标定模块170，被设置为用于根据模拟目标输出速度真值对天气雷达的速度退模糊进行标定，并判断是否产生野值；
天气雷达探测脉冲重复频率通常为300Hz～1Khz，对应S波段雷达不模糊速度约18m/s～30m/s，对应C波段雷达不模糊速度约9m/s～15m/s，对应X波段雷达不模糊速度约4.5m/s～7.5m/s，气象目标速度范围约为0～50m/s，通过设定多普勒频率在0～±15Khz步进，模拟目标速度真值范围约0～±200m/s，可对雷达退速度模糊性能进行标定；
群发模块180，被设置为用于根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
其中，群发模拟目标信号的表达式为：
Figure GDA0002962168010000243
ui(t)为第i路模拟目标信号幅度，ω0＝2πf0，f0为雷达工作频率，ωdi＝2πfdi，fdi为第i路信号多普勒频率，N为单次群发多普勒频率数量；
速度分辨率标定模块190，被设置为用于根据对应于目标天气雷达的群发模拟目标输出速度真值对天气雷达的谱宽及精度进行标定；
距离参数计算模块200，被设置为用于根据预设的延迟时间得到对应模拟目标输出信号的距离参数，距离参数计算模块设置在天气雷达上；
距离精度标定模块210，被设置为用于根据距离参数对天气雷达的距离精度进行标定；
其中，距离精度的表达式为：
Figure GDA0002962168010000251
ri为雷达第i次距离测量值，ri0为第i次测量时的距离真值，N为测量样本数，距离真值的表达式为：
Figure GDA0002962168010000252
c为光速，T为模拟目标相对于雷达发射信号的延迟时间，模拟目标延迟时间取决于架设点与雷达距离，模拟目标距离真值建立在架设点距离基础上，架设点与雷达距离r0，对应雷达回波延迟时间t0，产生架设点以远模拟目标延迟时间：T＝t0+ti，ti为产生模拟目标的延迟时间，ti＝0～Tri-t0；产生架设点以内模拟目标延迟时间：T＝Tri-t0+ti，ti＝0～t0，模拟目标按照跨周期产生，模拟目标真值为：
Figure GDA0002962168010000253
综合产生全距离量程模拟目标；
其中，预设模拟目标速度为-200m/s～+200m/s；延迟时间为0～3ms，对应距离范围为0～450km。
具体地，信号处理模块20包括放大单元21、混频单元22、滤波单元23和模数转换单元24，其中，放大单元21、混频单元22、滤波单元23和模数转换单元24为现有技术中具有信号放大功能的信号放大器、进行混频处理的混频器、滤波功能的滤波电路和模数转换器，为常规技术，在此不再赘述上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种天气雷达综合标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用宽带双偏振接收天线接收所述天气雷达的射频信号；
对所述射频信号进行预处理，得到射频数字信号以及对应同一所述射频数字信号的H、V通道数字信号；
根据所述射频数字信号测量所述射频信号的状态信息，并同时根据所述H、V通道数字信号计算出天气雷达发射支路的幅度校准参数Ka和相位差校准参数δφa；
其中，所述状态信息包括脉冲宽度τ、脉冲周期T、H通道同相分量Iha、V通道同相分量Iva、H通道正交分量Qha、V通道正交分量Qva、功率、H幅度Aha、V幅度Ava、H相位φha、V相位φva及HV相位差δφa，
Figure FDA0002962165000000011
Figure FDA0002962165000000012
δφa＝φha-φva；
根据所述状态信息对所述射频数字信号进行下变频处理，得到数字基带信号；
对所述数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；
对所述数字基带调制信号进行数模转换，得到模拟目标中频信号；
根据雷达回波强度对所述模拟目标中频信号进行幅度控制，得到模拟目标信号；
获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；
输出所述模拟目标信号，并控制所述模拟目标信号的频率与所述多普勒频率相等，得到模拟目标输出信号；
根据对应预设距离库的雷达回波强度计算所述天气雷达量程内所述距离库的所有所述模拟目标输出信号的功率，并对所有所述模拟目标输出信号进行强度标定；
其中，对应所述预设距离库的所述雷达回波强度的表达式为：
Figure FDA0002962165000000021
σ为金属球投影面积，λ为雷达工作波长，θ为雷达方位波束宽度，
Figure FDA0002962165000000022
为雷达俯仰波束宽度，r为标定点到雷达距离，c为光速，τ为雷达发射脉冲宽度；
所述天气雷达量程内所述距离库的所有所述模拟目标输出信号的功率的计算公式为：
Figure FDA0002962165000000023
Pt为雷达发射功率，Gt为雷达天线增益，Ae为所述接收天线面积，设置为与所述金属球的投影面积σ相同，通过所述雷达发射功率Pt和雷达天线增益Gt可计算模拟目标功率；
通过接收所述射频信号的幅度计算所述模拟目标功率
Figure FDA0002962165000000024
其中：La为接收通道损耗；
在所述雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
Figure FDA0002962165000000025
在所述雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
Figure FDA0002962165000000026
所述天气雷达采用圆抛物面天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度相等，因此：Gt＝42.5-20logθ；
根据方位波束宽度θ计算天线增益，雷达天线波束宽度通过接收雷达发射信号进行测量，根据雷达扫描一帧对应最大值间隔时间Tz测量雷达方位角扫描速度ωθ，根据接收雷达发射信号幅度变化，测量最大值0.707倍对应扫描时间Δt，计算波束宽度：
Figure FDA0002962165000000027
θ＝Δtωθ。
2.根据权利要求1所述的天气雷达综合标定方法，其特征在于，还包括以下步骤：
极化扫描天线移动至与所述天气雷达呈预设角度45°；
所述天气雷达接收所述极化扫描天线发出的与同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号相等的极化模拟目标发射信号，并计算幅比和相位差，得到雷达接收通道幅度校准系数和相位校准参数；
其中，接收通道幅度校准系数为：
Figure FDA0002962165000000031
δφb＝φhb-φvb；
雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
雷达相位校准参数为：
Figure FDA0002962165000000032
Figure FDA0002962165000000033
为所述极化模拟目标发射信号的HV相位差，φhb为所述极化模拟目标发射信号的H相位、φvb为所述极化模拟目标发射信号的V相位，Ahb为所述极化模拟目标发射信号的H幅度、Avb为所述极化模拟目标发射信号的V幅度；
所述天气雷达根据所述幅度校准系数和所述相位校准参数对同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号进行幅相一致性校准，得到幅比真值；
根据预设间隔扫描角控制所述极化扫描天线进行极化扫描，并向所述天气雷达发送所述幅比真值和相位控制后的同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号；
所述天气雷达接收所述幅比真值并对同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号进行非线性校准，并对不同扫描角的雷达极化测量参数进行标定；
其中，HV非线性校准用于建立HV校准参数表，对雷达幅比进行非线性校准，通过调整所述极化扫描天线的极化扫描角α，产生系列幅度校准参数，读取雷达幅比测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数；
所述幅度校准参数的表达式为：
Figure FDA0002962165000000041
Ava＝Z0tgα，Aha＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；极化扫描角α的取值范围为5°～88°，幅比真值为0.008；所述预设间隔扫描角为1°；终止极化扫描角为88°，幅比真值为820；所述雷达极化测量参数包括差分反射率因子、双程差分传播相位变化值、双程差分传播相位常数、双线偏振雷达退极化因子和相位噪声中的至少一种；
极化扫描用于雷达接收通道幅相一致性校准及非线性校准，极化扫描模拟目标信号可设输出HV信号相位差为0～360°，幅比取决于极化扫描角度，由此产生幅比真值和相位差真值，进行雷达端幅相一致性校准同时，提供雷达端差分反射率Zdr、差分相移φdp、差分相移常数Kdp、线性退极化因子Ldr参数真值；
差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
其中，线性退极化因子是水平发射垂直接收与水平接收比值的对数，即Zvh是雷达端水平发射、雷达接收通道垂直接收的信号幅度，测量极化散射，接收雷达水平极化发射信号，将扫描角置0°，缓缓在0°～45°范围扫描，Ldr真值为：Ldr0＝10log(Zvh0/Zhh0)；Zvh0＝Z0tgα；Zhh0＝Z0ctgα；差分相移φdp＝φhh-φvv，φhh为所述极化模拟目标发射信号的水平相位，φvv为所述极化模拟目标发射信号的垂直相位，差分相移标定为双通道馈电，φdp真值由模拟目标相位控制字确定并提供；
差分相移常数Kdp真值为：
Figure FDA0002962165000000042
其中，距离库r1差分相移φdpr1，距离库r2差分相移φdpr2，由模拟目标从距离库r1开始，差分相移按步进δφ递增，直到φdpr2。
3.根据权利要求2所述的天气雷达综合标定方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据预设模拟目标输出速度对所述天气雷达的速度测量精度进行标定，得到模拟目标输出速度真值；
其中，所述速度测量精度的表达式为：
Figure FDA0002962165000000051
Vi为雷达第i次速度测量值，Vi0为第i次测量时的所述预设模拟目标输出速度，N为测量样本数；
所述预设模拟目标输出速度通过设定模拟目标多普勒调制频率实现，所述速度真值的表达式为：
Figure FDA0002962165000000052
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
根据所述模拟目标输出速度真值对所述天气雷达的速度退模糊进行标定，并判断是否产生野值；
天气雷达探测脉冲重复频率通常为300Hz～1Khz，对应S波段雷达不模糊速度约18m/s～30m/s，对应C波段雷达不模糊速度约9m/s～15m/s，对应X波段雷达不模糊速度约4.5m/s～7.5m/s，气象目标速度范围约为0～50m/s，通过设定多普勒频率在0～±15Khz步进，模拟目标速度真值范围约0～±200m/s，可对雷达退速度模糊性能进行标定；
根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
其中，所述群发模拟目标信号的表达式为：
Figure FDA0002962165000000053
ui(t)为第i路模拟目标信号幅度，ω0＝2πf0，f0为雷达工作频率，ωdi＝2πfdi，fdi为第i路信号多普勒频率，N为单次群发多普勒频率数量；
根据对应于目标天气雷达的所述群发模拟目标输出速度真值对所述天气雷达的谱宽及精度进行标定；
所述天气雷达根据预设的延迟时间得到对应所述模拟目标输出信号的距离参数；
根据所述距离参数对所述天气雷达的距离精度进行标定；
其中，所述距离精度的表达式为：
Figure FDA0002962165000000061
ri为雷达第i次距离测量值，ri0为第i次测量时的距离真值，N为测量样本数，所述距离真值的表达式为：
Figure FDA0002962165000000062
c为光速，T为模拟目标相对于雷达发射信号的延迟时间，模拟目标延迟时间取决于架设点与雷达距离，模拟目标距离真值建立在架设点距离基础上，架设点与雷达距离r0，对应雷达回波延迟时间t0，产生架设点以远模拟目标延迟时间：T＝t0+ti，ti为产生模拟目标的延迟时间，ti＝0～Tri-t0；产生架设点以内模拟目标延迟时间：T＝Tri-t0+ti，ti＝0～t0，模拟目标按照跨周期产生，模拟目标真值为：
Figure FDA0002962165000000063
综合产生全距离量程模拟目标；
其中，所述预设模拟目标速度为-200m/s～+200m/s；所述延迟时间为0～3ms，对应距离范围为0～450km。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天气雷达综合标定方法，其特征在于，所述预处理包括对所述射频信号进行放大、混频、滤波和模数转换，得到所述射频数字信号以及对应同一所述射频数字信号的所述H、V通道数字信号。
5.一种天气雷达综合标定***，其特征在于，包括：
宽带双偏振接收天线，被设置为用于接收所述天气雷达的射频信号；
信号处理模块，被设置为用于对所述射频信号进行预处理，得到射频数字信号以及对应同一所述射频数字信号的H、V通道数字信号；
数据处理模块，被设置为用于根据所述射频数字信号测量所述射频信号的状态信息，并同时根据所述H、V通道数字信号计算出天气雷达发射支路的幅度校准参数Ka和相位差校准参数δφa；
其中，所述状态信息包括脉冲宽度τ、脉冲周期T、H通道同相分量Iha、V通道同相分量Iva、H通道正交分量Qha、V通道正交分量Qva、功率、H幅度Aha、V幅度Ava、H相位φha、V相位φva及HV相位差δφa，
Figure FDA0002962165000000071
Figure FDA0002962165000000072
δφa＝φha-φva；
下变频处理模块，被设置为用于根据所述状态信息对所述射频数字信号进行下变频处理，得到数字基带信号；
基带调制模块，被设置为用于对所述数字基带信号进行延迟、多普勒频率调制、幅度调制，得到数字基带调制信号；
模数转换器，被设置为用于对所述数字基带调制信号进行数模转换，得到模拟目标中频信号；
中频处理模块，被设置为用于根据雷达回波强度对所述模拟目标中频信号进行幅度控制，得到模拟目标信号；
获取单元，被设置为用于获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；所述获取单元为所述天气雷达的接收端；
输出单元，被设置为用于输出所述模拟目标信号，并控制所述模拟目标信号的频率与所述多普勒频率相等，得到模拟目标输出信号，所述输出单元为所述天气雷达的输出端；
强度标定模块，被设置为用于根据对应预设距离库的雷达回波强度计算所述天气雷达量程内所述距离库的所有所述模拟目标输出信号的功率，并对所有所述模拟目标输出信号进行强度标定；
其中，对应所述预设距离库的所述雷达回波强度的表达式为：
Figure FDA0002962165000000073
σ为金属球投影面积，λ为雷达工作波长，θ为雷达方位波束宽度，
Figure FDA0002962165000000074
为雷达俯仰波束宽度，r为标定点到雷达距离，c为光速，τ为雷达发射脉冲宽度；
所述天气雷达量程内所述距离库的所有所述模拟目标输出信号的功率的计算公式为：
Figure FDA0002962165000000081
Pt为雷达发射功率，Gt为雷达天线增益，Ae为所述接收天线面积，设置为与所述金属球的投影面积σ相同，通过所述雷达发射功率Pt和雷达天线增益Gt可计算模拟目标功率；
通过接收所述射频信号的幅度计算所述模拟目标功率：
Figure FDA0002962165000000082
其中：La为接收通道损耗；
在所述雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
Figure FDA0002962165000000083
在所述雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
Figure FDA0002962165000000084
所述天气雷达采用圆抛物面天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度相等，因此：Gt＝42.5-20logθ；
根据方位波束宽度θ计算天线增益，雷达天线波束宽度通过接收雷达发射信号进行测量，根据雷达扫描一帧对应最大值间隔时间Tz测量雷达方位角扫描速度ωθ，根据接收雷达发射信号幅度变化，测量最大值0.707倍对应扫描时间Δt，计算波束宽度：
Figure FDA0002962165000000085
θ＝Δtωθ。
6.根据权利要求5所述的天气雷达综合标定***，其特征在于，还包括：
极化扫描天线，可移动至与所述天气雷达呈预设角度；
幅比相位差计算模块，被设置为用于接收所述极化扫描天线发出的与同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号相等的极化模拟目标发射信号，并计算幅比和相位差，得到雷达接收通道幅度校准系数和相位校准参数，所述幅比相位差计算模块设置在所述天气雷达上；
其中，接收通道幅度校准系数为：
Figure FDA0002962165000000091
δφb＝φhb-φvb；
雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
雷达相位校准参数为：
Figure FDA0002962165000000092
δφb为所述极化模拟目标发射信号的HV相位差，φhb为所述极化模拟目标发射信号的H相位、φvb为所述极化模拟目标发射信号的V相位，Ahb为所述极化模拟目标发射信号的H幅度、Avb为所述极化模拟目标发射信号的V幅度；
幅相一致性校准模块，被设置为用于根据所述幅度校准系数和所述相位校准参数对同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号进行幅相一致性校准，得到幅比真值，所述幅相一致性校准模块设置在所述天气雷达上；
极化扫描控制模块，被设置为用于根据预设间隔扫描角控制所述极化扫描天线进行极化扫描，并向所述天气雷达发送所述幅比真值和相位控制后的同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号；
非线性校准模块，被设置为用于接收所述幅比真值并对同一所述模拟目标输出信号的H、V通道信号进行非线性校准，并对不同扫描角的雷达极化测量参数进行标定，所述非线性校准模块设置在所述天气雷达上；
其中，HV非线性校准用于建立HV校准参数表，对雷达幅比进行非线性校准，通过调整所述极化扫描天线的极化扫描角α，产生系列幅度校准参数，读取雷达幅比测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数；
所述幅度校准参数的表达式为：
Figure FDA0002962165000000093
Ava＝Z0tgα，Aha＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；极化扫描角α的取值范围为5°～88°，幅比真值为0.008；所述预设间隔扫描角为1°；终止极化扫描角为88°，幅比真值为820；所述雷达极化测量参数包括差分反射率因子、双程差分传播相位变化值、双程差分传播相位常数、双线偏振雷达退极化因子和相位噪声中的至少一种；
极化扫描用于雷达接收通道幅相一致性校准及非线性校准，极化扫描模拟目标信号可设输出HV信号相位差为0～360°，幅比取决于极化扫描角度，由此产生幅比真值和相位差真值，进行雷达端幅相一致性校准同时，提供雷达端差分反射率Zdr、差分相移φdp、差分相移常数Kdp、线性退极化因子Ldr参数真值；
差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
其中，线性退极化因子是水平发射垂直接收与水平接收比值的对数，即Zvh是雷达端水平发射、雷达接收通道垂直接收的信号幅度，测量极化散射，接收雷达水平极化发射信号，将扫描角置0°，缓缓在0°～45°范围扫描，Ldr真值为：Ldr0＝10log(Zvh0/Zhh0)；Zvh0＝Z0tgα；Zhh0＝Z0ctgα；差分相移φdp＝φhh-φvv，φhh为模拟目标水平发射通道相位设置参数，φvv为模拟目标垂直发射通道相位设置参数，差分相移标定为双通道馈电，φdp真值由模拟目标相位控制字确定并提供；
差分相移常数Kdp真值为：
Figure FDA0002962165000000101
其中，距离库r1差分相移φdpr1，距离库r2差分相移φdpr2，由模拟目标从距离库r1开始，差分相移按步进δφ递增，直到φdpr2。
7.根据权利要求6所述的天气雷达综合标定***，其特征在于，还包括：
速度控制模块，被设置为用于根据预设模拟目标输出速度对所述天气雷达的速度测量精度进行标定，得到模拟目标输出速度真值；
其中，所述速度测量精度的表达式为：
Figure FDA0002962165000000111
Vi为雷达第i次速度测量值，Vi0为第i次测量时的所述预设模拟目标输出速度，N为测量样本数；
所述预设模拟目标输出速度通过设定模拟目标多普勒调制频率实现，所述速度真值的表达式为：
Figure FDA0002962165000000112
其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
速度退模糊标定模块，被设置为用于根据所述模拟目标输出速度真值对所述天气雷达的速度退模糊进行标定，并判断是否产生野值；
天气雷达探测脉冲重复频率通常为300Hz～1Khz，对应S波段雷达不模糊速度约18m/s～30m/s，对应C波段雷达不模糊速度约9m/s～15m/s，对应X波段雷达不模糊速度约4.5m/s～7.5m/s，气象目标速度范围约为0～50m/s，通过设定多普勒频率在0～±15Khz步进，模拟目标速度真值范围约0～±200m/s，可对雷达退速度模糊性能进行标定；
群发模块，被设置为用于根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
其中，所述群发模拟目标信号的表达式为：
Figure FDA0002962165000000113
ui(t)为第i路模拟目标信号幅度，ω0＝2πf0，f0为雷达工作频率，ωdi＝2πfdi，fdi为第i路信号多普勒频率，N为单次群发多普勒频率数量；
速度分辨率标定模块，被设置为用于根据对应于目标天气雷达的所述群发模拟目标输出速度真值对所述天气雷达的谱宽及精度进行标定；
距离参数计算模块，被设置为用于根据预设的延迟时间得到对应所述模拟目标输出信号的距离参数，所述距离参数计算模块设置在所述天气雷达上；
距离精度标定模块，被设置为用于根据所述距离参数对所述天气雷达的距离精度进行标定；
其中，距离精度的表达式为：
Figure FDA0002962165000000121
ri为雷达第i次距离测量值，ri0为第i次测量时的距离真值，N为测量样本数，距离真值的表达式为：
Figure FDA0002962165000000122
c为光速，T为模拟目标相对于雷达发射信号的延迟时间，模拟目标延迟时间取决于架设点与雷达距离，模拟目标距离真值建立在架设点距离基础上，架设点与雷达距离r0，对应雷达回波延迟时间t0，产生架设点以远模拟目标延迟时间：T＝t0+ti，ti为产生模拟目标的延迟时间，ti＝0～Tri-t0；产生架设点以内模拟目标延迟时间：T＝Tri-t0+ti，ti＝0～t0，模拟目标按照跨周期产生，模拟目标真值为：
Figure FDA0002962165000000123
综合产生全距离量程模拟目标；
其中，所述预设模拟目标速度为-200m/s～+200m/s；所述延迟时间为0～3ms，对应距离范围为0～450km。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的天气雷达综合标定***，其特征在于，所述信号处理模块包括放大单元、混频单元、滤波单元和模数转换单元。
CN201910599555.5A 2019-07-04 2019-07-04 一种天气雷达综合标定方法及*** Active CN110146864B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910599555.5A CN110146864B (zh) 2019-07-04 2019-07-04 一种天气雷达综合标定方法及***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910599555.5A CN110146864B (zh) 2019-07-04 2019-07-04 一种天气雷达综合标定方法及***

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110146864A CN110146864A (zh) 2019-08-20
CN110146864B true CN110146864B (zh) 2021-07-02

Family

ID=67596955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910599555.5A Active CN110146864B (zh) 2019-07-04 2019-07-04 一种天气雷达综合标定方法及***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110146864B (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111239741A (zh) * 2020-01-21 2020-06-05 航天新气象科技有限公司 相控阵天气雷达偏振控制方法及相控阵天气雷达***
CN111337891B (zh) * 2020-03-23 2023-05-12 中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院士官学校 活动目标侦察校射雷达故障诊断仪及诊断方法
CN112014812B (zh) * 2020-09-01 2024-07-02 航天新气象科技有限公司 一种相控阵风廓线雷达标定***及方法
CN112859023B (zh) * 2021-03-10 2023-11-03 华云敏视达雷达(北京)有限公司 一种相控阵天气雷达的标定***
CN113109771B (zh) * 2021-03-18 2023-06-06 中国气象局气象探测中心 用于标定仪的校准装置及天气雷达回波强度真值标定方法
CN113064173A (zh) * 2021-05-11 2021-07-02 中国气象局气象探测中心 一种球形双偏振相控阵天气雷达
CN113437518B (zh) * 2021-06-29 2022-08-05 中国西安卫星测控中心 一种基于抛物面统一测控天线的扫描捕获方法
CN113655455B (zh) * 2021-10-15 2022-04-08 成都信息工程大学 一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法
CN115061105B (zh) * 2022-06-30 2023-07-14 广东纳睿雷达科技股份有限公司 一种双偏振雷达快速标定方法、装置及存储介质
CN115356696B (zh) * 2022-07-30 2023-07-04 中国气象局气象探测中心 天气雷达信号处理***算法标校方法和装置
CN116868079B (zh) * 2022-11-10 2024-02-27 长沙天恒测控技术有限公司 零相位校准方法、计算机设备和存储介质
CN115469313B (zh) * 2022-11-15 2023-03-24 成都远望探测技术有限公司 用于海上船载气象雷达的波束控制方法
CN116879857B (zh) * 2023-09-07 2023-11-17 成都远望科技有限责任公司 一种远场目标和雷达中心波束对准方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7528767B2 (en) * 2007-03-13 2009-05-05 Baron Services, Inc. Variable ratio power divider for a dual polarization radar system with automatic built-in test equipment and calibration
CN104459649A (zh) * 2014-11-26 2015-03-25 北京无线电测量研究所 一种全固态毫米波云雷达标定探测***及方法
CN106970365B (zh) * 2017-05-12 2019-08-02 西安华腾微波有限责任公司 一种天气雷达机外有源标定设备及标定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110146864A (zh) 2019-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110146864B (zh) 一种天气雷达综合标定方法及***
US8004458B2 (en) Means for dual polarization radar with automatic built-in test equipment and calibration
CN101923157B (zh) 一种星载双通道角跟踪校准***
US7592948B2 (en) System and method for dual polarization radar with automatic built-in test equipment and calibration
Pfeffer et al. FMCW MIMO radar system for frequency-division multiple TX-beamforming
US10107895B2 (en) Amplitude calibration of a stepped-chirp signal for a synthetic aperture radar
US7920089B2 (en) Variable ratio power divider for a dual polarization radar system with automatic built-in test equipment and calibration
CN110609276B (zh) 一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达***
US8325084B2 (en) System for calibration of dual polarization radar with built-in test couplers
IL188409A (en) METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING ACCURATE ASIMOT ESTIMATES AND TARGET ELEVATOR ANGLES FOR A TURNED ROTARY SHOWER ARRANGEMENT
CN110531333B (zh) 一种宽带雷达孔径渡越效应自适应补偿方法
Li et al. Software-defined calibration for FMCW phased-array radar
CN113009436B (zh) 一种空间角位置参数校准方法
CA2711460C (en) An improved system and method for dual polarization radar with automatic built-in test equipment and calibration
CN113655455B (zh) 一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法
CN112859023B (zh) 一种相控阵天气雷达的标定***
CN113608183A (zh) 一种高超声速宽频带射频目标模拟***
CN117849734A (zh) 相位偏移的校准方法、装置、电子设备及存储介质
US20060139620A1 (en) Method and apparatus for coherently processing signals from incoherent sources including laser signals
CN111090094B (zh) 脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法、***及存储介质
CN109471110B (zh) 一种车用毫米波雷达多目标信号模拟方法及装置
CN112230209B (zh) 一种远距离双站rcs测量装置及方法
CN112748411A (zh) 一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及***
CN112859021A (zh) 相控阵雷达全链路动态范围和灵敏度的测试方法及***
CN116502476B (zh) 一种基于非线性频率扫描响应的sar***设计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant