一種雙偏振天氣雷達(dá)zdr在線標(biāo)定方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙偏振天氣雷達(dá)的ZDR (差分反射率因子）標(biāo)定，具體涉及一種在 線標(biāo)定方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙線偏振天氣雷達(dá)（以下簡稱：雙偏振雷達(dá)）同時或交替發(fā)射水平和垂直偏振電磁 波，獲取云雨粒子的大小、形狀、數(shù)量、相態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、混合態(tài))、空間取向等觀測信息。這 些觀測數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于短時臨近天氣預(yù)報、災(zāi)害性天氣預(yù)警、人工影響天氣、水文徑流預(yù)測 等多個領(lǐng)域。
[0003] 差分反射率因子（ZDR)是雙偏振雷達(dá)觀測的主要偏振量之一，是由水平和垂直通 道回波功率的差異計(jì)算而來，是小信號量。它不僅與云雨粒子的特征有關(guān)，還與雙通道差異 (天線、波導(dǎo)、接收機(jī)水平垂直差異)有關(guān)。由于受硬件加工精度、元器件參數(shù)漂移、熱噪聲起 伏等影響，雙偏振雷達(dá)的水平垂直通道參數(shù)不能完全一致，所以在觀測過程中需要經(jīng)常標(biāo) 定來修正ZDR的硬件偏差。
[0004] 發(fā)明專利CN201310202199. 1描述了采用雙通道全路徑收發(fā)標(biāo)校技術(shù)，減少雙通 道收發(fā)系統(tǒng)誤差，即修正ZDR硬件偏差。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是無法實(shí)時標(biāo)定天線、饋線(波導(dǎo)） 的水平垂直差異，同時存在標(biāo)校信號誤差的問題。因此，基于自然源信號的標(biāo)定方法被廣泛 應(yīng)用于天氣雷達(dá)。常用的標(biāo)定方法之一是用雷達(dá)觀測太陽信號，被稱為太陽法。太陽法已 被廣泛應(yīng)用于天氣雷達(dá)標(biāo)定，常規(guī)天氣雷達(dá)利用太陽法標(biāo)定天線指向誤差，雙偏振天氣雷 達(dá)還利用太陽法進(jìn)行ZDR標(biāo)定，訂正雙通道不一致引起的ZDR偏差。由于太陽輻射電磁波 是隨機(jī)/均勻極化(偏振)的，水平和垂直方向的輻射能量是相同的，ZDR理論/真實(shí)值為0。 所以，用雷達(dá)觀測太陽信號的理論值與測量值的差就是雷達(dá)雙通道的差異。
[0005] 傳統(tǒng)的太陽法標(biāo)定是離線式的，有以下幾個步驟：在特定時段，停止天氣回波觀測 (關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī))，運(yùn)行標(biāo)定/測試軟件，計(jì)算太陽的角度，控制雷達(dá)在太陽當(dāng)前角度附近 上下左右搜索，找到最大回波功率(主波束中心正對太陽）位置，計(jì)算ZDR平均偏差（同時計(jì) 算雷達(dá)角度偏差)，修改信號處理機(jī)參數(shù)，結(jié)束標(biāo)定。見(杜牧云等，2013 ;敏視達(dá)雷達(dá)測試軟 件用戶手冊，第十章 P54)文獻(xiàn)描述。離線式標(biāo)定方式的缺點(diǎn)： 1、中斷雷達(dá)正常觀測。標(biāo)定過程中不能觀測天氣回波，造成觀測數(shù)據(jù)的不連續(xù)。
[0006] 2、整個過程要人工控制。標(biāo)定時，人工關(guān)閉天氣回波觀測軟件，對計(jì)算機(jī)精確對 時，啟動標(biāo)定/測試軟件。
[0007] 3、標(biāo)定參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜的，需要經(jīng)過特定培訓(xùn)的人員來完成。
[0008] 4、太陽角度是不斷變化的，難以將雷達(dá)天線精確指向太陽中央，所以要求反復(fù)多 次進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種能夠進(jìn)行雙偏振天氣雷 達(dá)ZDR在線標(biāo)定的方法及裝置。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種雙偏振天氣雷達(dá)的ZDR在線標(biāo)定方法，該 方法包括以下步驟： (1) 接收雙偏振天氣雷達(dá)的信號處理機(jī)輸出的徑向數(shù)據(jù)； (2) 識別步驟（1)接收的徑向數(shù)據(jù)中的太陽回波信號； (3) 將步驟（2)中識別的太陽回波信號進(jìn)行二次曲面擬合，計(jì)算ZDR偏差，進(jìn)行ZDR標(biāo) 定。
[0011] 其中，步驟（2)中太陽回波信號具體識別方法如下： a、 徑向數(shù)據(jù)的角度判斷； b、 徑向數(shù)據(jù)的反射率因子有效庫數(shù)所占比例判斷； c、 徑向數(shù)據(jù)的差分反射率因子有效庫數(shù)所占比例判斷； d、 徑向數(shù)據(jù)的徑向速度有效庫數(shù)判斷； e、 徑向數(shù)據(jù)的反射率因子均值判斷； f、 徑向數(shù)據(jù)的反射率因子標(biāo)準(zhǔn)方差判斷； g、 當(dāng)接收的徑向數(shù)據(jù)經(jīng)a至f判斷均滿足條件，則判斷為太陽回波信號，形成一個樣 本。
[0012] a至f各步驟的具體判斷方法如下： a、徑向數(shù)據(jù)的方位角與太陽真實(shí)方位角差值小于閾值THRES_AZ，且徑向數(shù)據(jù)的仰角與 太陽真實(shí)仰角差值小于閾值THRES_EL，即判斷滿足條件；閾值THRES_AZ最佳取值為3. 0°， 閾值THRES_EL最佳取值為1. 0° ;同時徑向數(shù)據(jù)的仰角可通過天線水平傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行修 正。
[0013] b、計(jì)算徑向數(shù)據(jù)的反射率因子有效庫數(shù)占總庫數(shù)的比值，當(dāng)比值大于閾值THRES_ Z_BINS，即判斷滿足條件；閾值THRES_Z_BINS最佳取值為0. 8 ; c、 計(jì)算徑向數(shù)據(jù)的差分反射率因子有效庫數(shù)占總庫數(shù)的比值，當(dāng)比值大于閾值THRES_ ZDR_BINS，即判斷滿足條件；閾值THRES_ZDR_BINS最佳取值為0. 8 ; d、 計(jì)算徑向數(shù)據(jù)的徑向速度有效庫數(shù)占總庫數(shù)的比值，當(dāng)比值小于閾值THRES_V_ BINS，即判斷滿足條件；閾值THRES_V_BINS最佳取值為0. 2 ; e、 計(jì)算徑向數(shù)據(jù)的反射率因子均值，當(dāng)均值小于閾值THRES_Z_MEAN，即判斷滿足條件； 閾值THRES_Z_MEAN最佳取值為10.0 dB ; f、 計(jì)算徑向數(shù)據(jù)的反射率因子標(biāo)準(zhǔn)方差，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)方差小于閾值THRES_Z_STD，即判斷滿 足條件；閾值THRES_Z_STD最佳取值為1.0 dB。
[0014] 當(dāng)經(jīng)步驟（2)判斷后所得樣本數(shù)大于閾值THRES_SAMPLE_NUM時，再進(jìn)行所述步驟 (3 )的處理。其中，閾值THRES_SAMPLE_NUM最佳取值為50。
[0015] 步驟（3)中二次曲面擬合采用擬合橢圓拋物面的方法，X軸取太陽真實(shí)方位角與 樣本方位角的差值，Y軸取太陽真實(shí)仰角與樣本仰角的差值，Z軸取樣本的ZDR值，通過橢圓 拋物面方程，計(jì)算曲面頂點(diǎn)的ZDR值，即為所述ZDR偏差。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種采用上述方法的雙偏振天氣雷達(dá)ZDR在線標(biāo)定裝置，包括網(wǎng) 絡(luò)通訊模塊、GPS模塊、主控制板、水平傾角模塊和存儲器；主控制板通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊與 待標(biāo)定雙偏振天氣雷達(dá)的信號處理機(jī)相連；主控制板分別與GPS模塊、水平傾角模塊及存 儲器相連。
[0017] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明有效進(jìn)行實(shí)時在線標(biāo)定，無需人工干 預(yù)，自動完成，不需要中斷雷達(dá)的正常觀測，在標(biāo)定過程中能同時觀測天氣回波，保證了觀 測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。本發(fā)明適用于所有的雙偏振天氣雷達(dá)，能提高雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)精度，具有 廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明在線標(biāo)定方法的流程圖； 圖2為本發(fā)明在線標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為效果實(shí)施例中采用雙偏振天氣雷達(dá)觀測到的太陽回波； 圖4為效果實(shí)施例中擬合得到的曲面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020] 裝置實(shí)施例 如圖2所示，本發(fā)明雙偏振天氣雷達(dá)ZDR在線標(biāo)定裝置包括網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、主控制板、 GPS模塊、水平傾角模塊和存儲器。
[0021] 1、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用OAHE W5500以太網(wǎng)芯片，基于TCP/IP協(xié)議(通訊協(xié)議：徑向 數(shù)據(jù)時間頻率高、數(shù)據(jù)量大，接收采用UDP組播協(xié)議，傳輸率高，實(shí)時性好。修正偏差指令數(shù) 據(jù)量小，采用TCP協(xié)議，可靠性好)，與雙偏振天氣雷達(dá)的信號處理機(jī)通訊，實(shí)時接收信號處 理機(jī)輸出的徑向數(shù)據(jù)并傳送給主控制板；把主控制板生成的修正偏差指令發(fā)送給信號處理 機(jī)。
[0022] 2、GPS模塊采用HOLUX M-87超高精度的GPS模塊(GPS模塊定位精度〈=10米，輸 出頻率>IHZ)，與主控板通過RS-232 TTL端口通訊，通訊協(xié)議采用NMEAO183,為主控制板提 供高頻率的GPS時間、經(jīng)煒度信息。
[0023] 3、水平傾角模塊采用無錫慧聯(lián)LIS326雙軸傾角傳感器模塊(測量范圍>10度，精 度〈=〇. 1度，頻率響應(yīng)>l〇〇Hz)，與主控制板通過串口通訊，通訊協(xié)議采用NMEA0183,為主控 制板提供高頻率的天線XY軸水平傾角信息。
[0024] 4、存儲模塊采用Arduino Micro SD卡模塊和SanDisk SDHC卡（容量彡32G，讀寫 速度多ΙΟΜ/s)，與主控板通過SPI接口連接，用于存儲自動識別出來的太陽信號數(shù)據(jù)及其 對應(yīng)的GPS時間、天線方位讀數(shù)、天線俯仰讀數(shù)、水平傾角讀數(shù)等信息。
[0025] 5、主控制板：主控板采用ARMll四核，256M內(nèi)存，運(yùn)行Linux系統(tǒng)。方法核心代碼 由C++語言實(shí)現(xiàn)，包括太陽角度計(jì)算、徑向數(shù)據(jù)處理、太陽信號識別、二次曲面擬合、雙通道 偏差分析等。5個模塊在主控制板協(xié)調(diào)下，實(shí)時接收徑向數(shù)據(jù)，在線提取太陽回波，分析ZDR 偏差，發(fā)送修正偏差指令給雷達(dá)，配合完成整個實(shí)時在線標(biāo)定過程。
[0026] 方法實(shí)施例 本發(fā)明雙偏振天氣雷達(dá)ZDR在線標(biāo)定的具體方法如下： 1)通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊網(wǎng)絡(luò)接收信號處理機(jī)輸出的徑向數(shù)據(jù)。
[0027] 徑向數(shù)據(jù)是指雷達(dá)一個觀測方向的數(shù)據(jù)，包括方位角、仰角、時間及每個距離庫上 的反射率因子（Z)、徑向速度（V)、譜寬（SW)、差分反射率因子（ZDR)、相關(guān)系數(shù)（CO等等。雙 偏振天氣雷達(dá)主流的信號處理機(jī)支持實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸。
[0028] 2)自動識別太陽回波信號 2. 1)利用天線水平傾角數(shù)據(jù)，修正徑向數(shù)據(jù)的平臺偏差。
[0029] -般來說雷達(dá)天線安裝調(diào)校后都是水平的，但某些水平調(diào)校誤差、雷達(dá)高塔的自 然擺動或移動雷達(dá)支撐腳不實(shí)，都可能產(chǎn)生傾角偏差。這些偏差經(jīng)過水平傾角數(shù)據(jù)修正后 能使在線標(biāo)定結(jié)果更精確。
[0030] 2. 2)利用特征分析法識別太陽回波信號。
[0031] 雙偏振雷達(dá)觀測的太陽回波具有空間、形態(tài)、物理量分布