CN104360329A - 一种全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，包括：雷达监控终端控制校正分机发出模目信号，产品终端计算实际脉压得益Gp；雷达监控终端控制校正分机发出多个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号，经信号处理机处理后分别生成回波信号强度值和谱处理信号强度值经网络发送至产品终端，记录为强度定标测试记录表，并通过最小二乘法将该表拟合生成强度曲线yDVIP和谱处理强度曲线yFFT；在雷达正常工作时，产品终端反算出回波功率Pr；将得到的回波功率Pr的值代入改进的雷达气象方程中，得出雷达反射率因子dBZ的值。本发明制定了全数字阵列天气雷达强度定标的特有的实施步骤、测试过程，贴合工程实际、简单实用、定标精度高。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天气雷达技术领域，尤其是一种全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法。
背景技术
在人们探测自己赖以生存的地球大气的各种方式中，天气雷达占有十分重要的地位，相对于其它探测手段，天气雷达具有高的时空分辨率，能够及时准确的对灾害性天气进行探测，特别是在中小尺度灾害性天气监测和短时天气预报等方面是十分有效的观测工具。
我国目前已经布网的新一代天气雷达大大提高了对灾害性天气的监测和预警能力，能够定量探测降雨回波强度、径向速度、速度谱宽等信息，以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气，特别是中尺度灾害性天气监测预警等方面极为有效的工具。但是由于对流天气现象的变化是很快的，对流单体的发展时间尺度有些时候就几分钟到十几分钟，尤其对于风暴等强对流单体，几分钟单体情况就可能发生很大的变化。目前多普勒气象雷达还有待提高实现对小尺度，时间持续短变化快而造成较大危害的天气现象进行有效观测，其主要原因是雷达探测周期长、雷达探测时间分辨率低。
我国目前有关的相控阵天气雷达的研究尚处于起步阶段。由于相控阵雷达的扫描体制和和信号处理的方法不同于常规雷达，传统的气象雷达定标方法对其已不再适用，急需研制出针对相控阵天气雷达进行强度定标的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定标精度高、简单实用、贴合工程实际、易于推广的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）雷达监控终端控制校正分机发出模目信号，模目信号经校正网络、数字阵列模块到信号处理机处理后发送至产品终端，产品终端计算实际脉压得益Gp；
（2）雷达监控终端控制校正分机发出多个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号，经校正网络、数字阵列模块到信号处理机处理后分别生成回波信号强度值和谱处理信号强度值经网络发送至产品终端，产品终端将各个回波功率值及其相对应的信号强度值、谱处理信号强度值记录为强度定标测试记录表，并通过最小二乘法将该表拟合生成强度曲线yDVIP和谱处理强度曲线yFFT；
（3）在雷达正常工作时，雷达天线接收回波信号，经馈线网络送给数字阵列模块转化为数字I/Q数据后，送信号处理机处理，生成回波信号强度值、谱处理信号强度值至产品终端，产品终端根据生成回波信号强度值和强度曲线yDVIP反算出回波功率Pr,产品终端根据谱处理信号强度值、谱处理强度曲线yFFT反算出回波功率Pr；
（4）将得到的回波功率Pr的值代入改进的雷达气象方程中，得出雷达反射率因子dBZ的值。
所述实际脉压得益Gp的计算公式为：Gp=Snb-Snf，其中，Snf 为脉压前信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩前的信噪比；Snb为脉压后信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩后且经FFT变换前、IIR滤波前的信噪比。
所述强度曲线yDVIP的线性关系式为：yDVIP = a1* + b1，所述谱处理强度曲线yFFT的线性关系式为：yFFT=a2*+ b2；依据最小二乘法确定上述两个线性关系式的系数a1、b1、a2和b2，求解公式为：
其中，xi代表输入强度定标测试记录表中的多个回波功率值，yi代表与输入的多个回波功率值对应的实测强度值，n为回波功率值的个数。
所述改进的雷达气象方程为：
式中，λ为雷达工作波长，为垂直波束宽度相扫修正，Pt为发射机输出峰值功率，为发射脉冲宽度，为水平波束宽度，为法线方向垂直波束宽度，Gp为实际脉压得益，为发射天线增益，为接收天线增益，L∑为系统损耗，R 为雷达到目标的距离，Lat为双程大气损耗。
所述雷达监控终端控制校正分机内的数控衰减器发出至少两个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号。
由上述技术方案可知，本发明针对全新体制的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标问题，先实际脉压得益Gp，再根据多个实测值通过最小二乘法将实测值拟合生成强度曲线yDVIP和谱处理强度曲线yFFT，最后反算出回波功率Pr和雷达反射率因子dBZ。本发明根据实际工程实践经验，改进了传统的雷达方程，设计了特定参数的获取方式和方法，并且制定了全数字阵列天气雷达强度定标的特有的实施步骤、测试过程，该方法贴合工程实际、简单实用、易于推广且定标精度高。
附图说明
图1（a）为脉压前信噪比示意图。
图1（b）为脉压后信噪比示意图。
图2为强度定标界面示意图。
图3 为雷达参数设置终端界面示意图。
图4为全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统的系统电路框图。
图5为信号处理机的电路框图。
具体实施方式
天气雷达作为现代气象重要探测手段之一，探测结果的精确性对于气象预报、大气研究都具有重要的意义。为了提高雷达的探测精度气象雷达都必须进行定标，而通过工程技术手段控制实际的回波强度与雷达气象方程计算的理论值之间误差的过程就是雷达系统的定标。
传统的气象雷达定标过程是用机内信号源（或机外）注入功率为-90dBm至-30dBm的信号Pr，在距离r为5到200km范围，检验回波强度的测量值。通过技术方法控制信号处理实际得到的反射率因子与通过Probert-Jones 1962给出的雷达气象方程计算得到的理论回波反射率之间的误差对雷达进行定标。
当雷达波束投射到云、降水粒子上时，云、降水粒子就产生散射现象。其中向后方散射的一部分散射波重新回到雷达天线处，并在雷达显示器上显示出各种图像，这就是所谓的雷达回波。而雷达回波的强度不仅取决于雷达系统各参数的特性，而且和被观测的云、降水粒子的性质有关，还与雷达和被观测目标之间的距离以及其间的大气状况有关。要想依据测定的回波强度去推断与、降水粒子的物理性质,必须排除这些中间无关因素的影响。常规的气象雷达通过引用Probert-Jones在1961年推导出的雷达气象方程，建立了雷达回波强度与气象观测目标之间的对应关系：
其中，为回波功率，为发射功率，h为有效照射深度，G为增益，水平波束宽度，垂直波束宽度，代表波长，R观测距离，m为复折射指数。
全数字阵列相控阵天气雷达高的数据时间分辨率和更精细的空间分辨率，同时其对降水估测也更为准确，与传统雷达相比其还可以承担多种任务，比如实现航路监测与追踪等。全数字阵列天气雷达无疑是未来气象雷达发展的重要方向，但是它在气象观测领域的研制与应用在我国尚处于起步阶段，许多问题还有待进一步研究，本发明主要解决我国第一部全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标问题，对于全数字阵列相控阵天气雷达Probert-Jones提出的雷达气象方程有如下相关量发生了变化：
波束宽度，其波束宽度不再是定值，而是随着偏离天线法向方向角度的变化而变化；
雷达增益，和波束宽度相同，其天线增益也不是固定不变的，也是随着偏离天线法向方向的角度而变化；
脉冲压缩的影响，为了提高雷达的作用距离同时又保证其分辨率，相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术，其得意如何在雷达气象方程中体现，也需要考虑。
考虑到上述的几个问题，相控阵天气雷达作为一种全新体制的天气雷达，其定标方法也需要重新确立。
如图4所示，全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，包括用于发射波束、接收波束以及对回波数据进行处理的信号处理机1，信号处理机1通过网络分别与监控终端、产品终端双向通讯，信号处理机1通过第一光纤与第一高速大容量波分复用光纤通信机相连，第一高速大容量波分复用光纤通信机通过第二光纤与第二高速大容量波分复用光纤通信机相连，汇流环套设在第二光纤上，第二高速大容量波分复用光纤通信机分别与校正分机2、全数字阵列模块3双向通讯，全数字阵列模块3通过校正网络4与天线阵列5相连，频率源6分别向全数字阵列模块3、信号处理机1提供时钟信号，伺服驱动电机的输出端分别与汇流环、天线阵列5相连。数据处理终端由监控终端和产品终端两部分组成，完成以下主要功能：雷达控制、数据采集、雷达数据处理、产品生成、产品存档和回显、系统监控，系统具有对外网络通信的能力，能够实现多波束显示。
如图4所示，所述校正网络4由主馈线42和128个双定向耦合器41组成，主馈线42采用波导，校正网络4作为一个整体与组成天线阵列5的128根天线51之间通过法兰连接。所述天线阵列5所传输的波束信号以波导窄边开倾斜缝的行波阵的形式传输，天线阵列5采用裂缝波导线阵。发射信号时，全数字收发组件31将激励信号移相、上变频、放大馈送到波导阵输入端，裂缝波导线阵将射频信号辐射到空间形成所需要的发射波束，接收时，裂缝波导线阵将接收到目标回波信号送入其后的全数字收发组件31，全数字收发组件31输出的数字信号送入数字波束形成单元11形成所需的接收波束。所述校正分机2由数控衰减器和校正收发组件组成，数控衰减器与校正收发组件之间双向通讯，数控衰减器与校正网络4相连，校正收发组件与信号处理机1双向通讯。
如图5所示，所述信号处理机1由数字波束形成单元11和多普勒气象信号处理器12组成，所述多普勒气象信号处理器12由脉冲压缩单元、FFT变换单元、频域滤波单元、IIR滤波单元、DVIP单元和数据格式化单元组成，数字波束形成单元11与第一光纤双向通讯，数字波束形成单元11分两路输出，一路直接与监控终端相连，另一路与脉冲压缩单元的输入端相连，脉冲压缩单元的输出端分别与FFT变换单元、IIR滤波单元的输入端相连，FFT变换单元与频域滤波单元串联，IIR滤波单元与DVIP单元串联，频域滤波单元、DVIP单元的输出端均与数据格式化单元的输入端相连，数据格式化单元的输出端与产品终端的输入端相连。
如图5所示，首先DAM的数字接收机送出的I/Q信号进行DBF数字波束形成，DBF后的数据分两路，一路为原始数据直接送给监控终端进行存储，另一路先进行脉冲压缩，对经过脉压的信号分别进行两种处理，第一种为快速傅里叶变换FFT，将时域信号转换为频域信号，对频域信号进行谱滤波，然后对谱进行谱处理得出谱的强度、速度和谱宽；第二种为直接对时域信号进行IIR滤波，然后进行DVIP视频积分处理，直接求出信号的强度；这两种处理的结果经数据格式化经网线送给产品终端。
一种全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，包括：（1）雷达监控终端控制校正分机发出模目信号，模目信号经校正网络、数字阵列模块到信号处理机处理后发送至产品终端，产品终端计算实际脉压得益Gp；（2）雷达监控终端控制校正分机发出多个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号，经校正网络、数字阵列模块到信号处理机处理后分别生成回波信号强度值和谱处理信号强度值经网络发送至产品终端，产品终端将各个回波功率值及其相对应的信号强度值、谱处理信号强度值记录为强度定标测试记录表，并通过最小二乘法将该表拟合生成强度曲线yDVIP和谱处理强度曲线yFFT；（3）在雷达正常工作时，雷达天线接收回波信号，经馈线网络送给数字阵列模块转化为数字I/Q数据后，送信号处理机处理，生成回波信号强度值、谱处理信号强度值至产品终端，产品终端根据生成回波信号强度值和强度曲线yDVIP反算出回波功率Pr,产品终端根据谱处理信号强度值、谱处理强度曲线yFFT反算出回波功率Pr；（4）将得到的回波功率Pr的值代入改进的雷达气象方程中，得出雷达反射率因子dBZ的值。
所述实际脉压得益Gp的计算公式为：Gp=Snb-Snf，其中，Snf 为脉压前信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩前的信噪比，如图1（a）所示；Snb为脉压后信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩后且经FFT变换前、IIR滤波前的信噪比，如图1（b）所示。
所述雷达监控终端控制校正分机内的数控衰减器发出至少两个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号，比如通过监控终端设置控制校正分机产生功率为-24.3dBm的线性调频信号，如图2所示，显示的DVIP实测值和谱处理强度实测值记录在强度定标测试记录表的对应的位置上，如表1所示：
改变校正分机的输出信号功率为-34.3dBm，记录DVIP实测值和谱处理强度实测值；重复进行实测，直至直到把表1的所有参数值测完。将表1获得的数据录入产品终端相应的表格中，如图3所示。
所述强度曲线yDVIP的线性关系式为：yDVIP = a1*+ b1，所述谱处理强度曲线yFFT的线性关系式为：yFFT=a2*+ b2；依据最小二乘法确定上述两个线性关系式的系数a1、b1、a2和b2，求解公式为：
其中，xi代表输入强度定标测试记录表中的多个回波功率值，yi代表与输入的多个回波功率值对应的实测强度值，n为回波功率值的个数。
所述改进的雷达气象方程为：
式中，λ为雷达工作波长，为垂直波束宽度相扫修正，Pt为发射机输出峰值功率，为发射脉冲宽度，为水平波束宽度，为法线方向垂直波束宽度，Gp为实际脉压得益，为发射天线增益，为接收天线增益，L∑为系统损耗，R 为雷达到目标的距离，Lat为双程大气损耗。
产品终端能够读取和显示信号处理机送入的DVIP值和FFT值，能够依据输入的数据，拟合出回波功率Pr分别与DVIP和FFT值之间的线性关系，最终，产品终端能够根据天线接收的回波强度信号得到反射率因子dBZ的值。
综上所述，本发明针对全新体制的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标问题，先实际脉压得益Gp，再根据多个实测值通过最小二乘法将实测值拟合生成强度曲线yDVIP和谱处理强度曲线yFFT，最后反算出回波功率Pr和雷达反射率因子dBZ。本发明根据实际工程实践经验，改进了传统的雷达气象方程，设计了特定参数的获取方式和方法，并且制定了全数字阵列天气雷达强度定标的特有的实施步骤、测试过程，该方法贴合工程实际、简单实用、易于推广且定标精度高。
Claims (5)
1.一种全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，其特征在于，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）雷达监控终端控制校正分机发出模目信号，模目信号经校正网络、数字阵列模块到信号处理机处理后发送至产品终端，产品终端计算实际脉压得益Gp；
（2）雷达监控终端控制校正分机发出多个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号，经校正网络、数字阵列模块到信号处理机处理后分别生成回波信号强度值和谱处理信号强度值经网络发送至产品终端，产品终端将各个回波功率值及其相对应的信号强度值、谱处理信号强度值记录为强度定标测试记录表，并通过最小二乘法将该表拟合生成强度曲线yDVIP和谱处理强度曲线yFFT；
（3）在雷达正常工作时，雷达天线接收回波信号，经馈线网络送给数字阵列模块转化为数字I/Q数据后，送信号处理机处理，生成回波信号强度值、谱处理信号强度值至产品终端，产品终端根据生成回波信号强度值和强度曲线yDVIP反算出回波功率Pr,产品终端根据谱处理信号强度值、谱处理强度曲线yFFT反算出回波功率Pr；
（4）将得到的回波功率Pr的值代入改进的雷达气象方程中，得出雷达反射率因子dBZ的值。
2.根据权利要求1所述的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，其特征在于：所述实际脉压得益Gp的计算公式为：Gp=Snb-Snf，其中，Snf 为脉压前信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩前的信噪比；Snb为脉压后信噪比，即数字I/Q信号经信号处理机脉冲压缩后且经FFT变换前、IIR滤波前的信噪比。
3.根据权利要求1所述的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，其特征在于：所述强度曲线yDVIP的线性关系式为：yDVIP = a1* + b1，所述谱处理强度曲线yFFT的线性关系式为：yFFT=a2*+ b2；依据最小二乘法确定上述两个线性关系式的系数a1、b1、a2和b2，求解公式为：
其中，xi代表输入强度定标测试记录表中的多个回波功率值，yi代表与输入的多个回波功率值对应的实测强度值，n为回波功率值的个数。
4.根据权利要求1所述的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，其特征在于：所述改进的雷达气象方程为：
式中，λ为雷达工作波长，为垂直波束宽度相扫修正，Pt为发射机输出峰值功率，为发射脉冲宽度，为水平波束宽度，为法线方向垂直波束宽度，Gp为实际脉压得益，为发射天线增益，为接收天线增益，L∑为系统损耗，R 为雷达到目标的距离，Lat为双程大气损耗。
5.根据权利要求1所述的全数字阵列相控阵天气雷达的强度定标方法，其特征在于：所述雷达监控终端控制校正分机内的数控衰减器发出至少两个回波功率值固定且依次逐步衰减的线性调频模目信号。
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