技术领域
[0001] 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系统。
相关背景技术
[0002] 天气雷达综合标定仪既可用于对被标定雷达系统辐射参数的测试，以及综合标定仪基准参数的测试，又可用于对雷达系统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。
具体实施方式
[0139] 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。
[0140] 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。
[0141] 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系统。
[0142] 实施例1
[0143] 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：
[0144] S1，利用宽带双偏振接收天线接收天气雷达的射频信号；
[0145] 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；
[0146] 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；
[0147] 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Ih、H通道正交分量Qh、功率 、H幅 度 A h 、V 幅 度 Av 、H 相位 Φ h 、V 相 位Φ v 及H V 相 位差 ΔΦ，δφa＝φha-φva；
[0148] 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；
[0149] 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；
[0150] 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；
[0151] 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；
[0152] S8，获取金属球高速旋转产生的多普勒频率；
[0153] 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；
[0154] 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；
[0155] 其中，对应预设距离库的雷达回波强度的表达式为：
[0156]
[0157] 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，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；
[0158] 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。
[0159] 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：
[0160] 通过接收射频信号的幅度计算模拟目标功率 其中：La为接收通道损耗；
[0161] 在雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
[0162] 在雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
[0163] 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；
[0164] 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：θ＝Δtωθ。
[0165] 实施例2
[0166] 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：
[0167] S11，极化扫描天线移动至与天气雷达呈预设角度45°；
[0168] 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；
[0169] 其中，接收通道幅度校准系数为： δφb＝φhb-φvb；
[0170] 雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
[0171] 雷达相位校准参数为：
[0172] S13，天气雷达根据幅度校准系数和相位补偿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；
[0173] 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；
[0174] 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；
[0175] 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，产生系列幅比真值，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；
[0176] 幅比真值的表达式为：
[0177] Av＝Z0tgα，Ah＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；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°；终止扫描角度为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；
[0178] 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；
[0179] 差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
[0180] 其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
[0181] 线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
[0182] 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，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，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；
[0183] 差分相移常数Kdp真值为：
[0184] 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。
[0185] 实施例3
[0186] 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：
[0187] 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；
[0188] 其中，速度测量精度的表达式为：
[0189] 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；
[0190] 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：
[0191] 其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
[0192] 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；
[0193] 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；
[0194] S18，根据预设群发目标速度分布生成群发模拟目标信号；
[0195] 其中，群发模拟目标信号的表达式为：
[0196]
[0197] 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；
[0198] 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；
[0199] 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；
[0200] S21，根据距离参数对天气雷达的距离精度进行标定；
[0201] 其中，距离精度的表达式为：
[0202] 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：
[0203] 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： 综合产生全距离量程模拟目标；
[0204] 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。
[0205] 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。
[0206] 如图4所示，按照本发明一个实施例的天气雷达综合标定系统，包括：
[0207] 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；
[0208] 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；
[0209] 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；
[0210] 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Ih、H通道正交分量Qh、功率 、H幅 度 A h 、V 幅 度 Av 、H 相位 Φ h 、V 相 位Φ v 及H V 相 位差 ΔΦ，δφa＝φha-φva；
[0211] 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；
[0212] 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；
[0213] 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；
[0214] 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；
[0215] 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；
[0216] 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；
[0217] 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；
[0218] 其中，对应预设距离库的雷达回波强度的表达式为：
[0219]
[0220] 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，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；
[0221] 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：
[0222]
[0223] 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；
[0224] 通过接收射频信号的幅度计算模拟目标功率： 其中：La为接收通道损耗；
[0225] 在雷达发射功率Pt未知时能够测量雷达发射功率：
[0226] 在雷达天线增益Gt未知时，能够测量天线增益：
[0227] 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；
[0228] 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：θ＝Δtωθ。
[0229] 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系统，还包括：
[0230] 极化扫描天线110，可移动至与天气雷达呈预设角度；
[0231] 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；
[0232] 其中，接收通道幅度校准系数为： δφb＝φhb-φvb；
[0233] 雷达双偏振幅比校准系数为：K＝Ka*Kb；
[0234] 雷达相位校准参数为：
[0235] 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补偿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；
[0236] 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；
[0237] 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；
[0238] 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，产生系列幅比真值，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；
[0239] 幅比真值的表达式为：
[0240] Av＝Z0tgα，Ah＝Z0ctgα，Ka＝tg2α；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°；终止扫描角度为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；
[0241] 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；
[0242] 差分反射率因子Zdr＝10log10(Zhh/Zvv)；Zhh＝Z0ctgα；Zvv＝Z0tgα；
[0243] 其中，Z0为基准强度，α为极化扫描角；
[0244] 线性退极化因子Ldr＝10log(Zvh/Zhh)；
[0245] 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，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，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；
[0246] 差分相移常数Kdp真值为：
[0247] 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。
[0248] 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系统，还包括：
[0249] 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；
[0250] 其中，速度测量精度的表达式为：
[0251] 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；
[0252] 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：
[0253] 其中：λ为雷达工作波长，fd为模拟目标多普勒频率；
[0254] 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；
[0255] 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；
[0256] 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；
[0257] 其中，群发模拟目标信号的表达式为：
[0258]
[0259] 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；
[0260] 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；
[0261] 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；
[0262] 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；
[0263] 其中，距离精度的表达式为：
[0264] 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：
[0265] 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： 综合产生全距离量程模拟目标；
[0266] 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。
[0267] 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。
[0268] 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。
