X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定標(biāo)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定標(biāo)方法，包括：在雷達(dá)寬脈沖探測(cè)范圍和窄脈沖探測(cè)范圍內(nèi)分別選擇一測(cè)試點(diǎn)；在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，放置一金屬球；針對(duì)每個(gè)金屬球，利用其GPS信息與雷達(dá)經(jīng)緯度和高度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)雷達(dá)觀測(cè)仰角、方位角和所在庫(kù)數(shù)；設(shè)置定標(biāo)觀測(cè)模式，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，定標(biāo)觀測(cè)模式包括雷達(dá)觀測(cè)方位的水平變化范圍、和雷達(dá)觀測(cè)仰角的變化范圍和步進(jìn)角度，觀測(cè)數(shù)據(jù)包括雷達(dá)反射率因子觀測(cè)值和差分反射率因子觀測(cè)值；以及將雷達(dá)反射率因子觀測(cè)值和差分反射率因子觀測(cè)值分別與反射率因子理論值和差分反射率因子理論值相比較，以二者之間的差值作為雷達(dá)的測(cè)量誤差，使用該測(cè)量誤差修正雷達(dá)在相應(yīng)探測(cè)范圍內(nèi)的探測(cè)結(jié)果。
【專利說(shuō)明】
X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定標(biāo)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及天氣雷達(dá)，更具體地，涉及一種X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定 標(biāo)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天氣雷達(dá)在現(xiàn)代氣象綜合觀測(cè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng) 有很好的監(jiān)測(cè)能力，為短臨天氣預(yù)報(bào)提供了直觀的資料。隨著雙極化技術(shù)的應(yīng)用，固態(tài)發(fā)射 機(jī)技術(shù)的成熟，天氣雷達(dá)的性能不斷改進(jìn)。雙極化天氣雷達(dá)不僅能夠得到雷達(dá)反射率因子 (Z)、徑向速度(V)、速度譜寬(W)，還可以得到差分反射率(Z DR)、零滯后互相關(guān)系數(shù)(P0)、差 分傳播相移（Φ?Ρ)、單位差分傳播相移(KDP)和線性退極化比（L DR)五個(gè)探測(cè)變量。探測(cè)變量 的增加為定量估測(cè)降水、降水粒子識(shí)別等資料應(yīng)用提供更多的信息和判斷依據(jù)，但同時(shí)要 求這些探測(cè)變量有較高的準(zhǔn)確性。
[0003] 隨著雷達(dá)氣象學(xué)研究的發(fā)展，出現(xiàn)了不同的雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)。對(duì)回波強(qiáng)度的定標(biāo)技 術(shù)主要包括:比較利用頻移反射器得到發(fā)生頻率偏移后對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波;利用球載或機(jī)載 的標(biāo)準(zhǔn)物體產(chǎn)生的雷達(dá)回波進(jìn)行定標(biāo)，由于標(biāo)準(zhǔn)物的不穩(wěn)定性會(huì)引起觀測(cè)誤差;在垂直方 向上，利用雨滴譜儀得到的雨滴譜分布計(jì)算出回波強(qiáng)度值，與雷達(dá)觀測(cè)值相比較進(jìn)行標(biāo)定， 觀測(cè)數(shù)據(jù)的格點(diǎn)匹配可能會(huì)引起誤差。差分反射率的定標(biāo)方法主要包括:信號(hào)源法適合標(biāo) 校接收有源通道;太陽(yáng)法只能標(biāo)定雷達(dá)接收通路產(chǎn)生的Z DR系統(tǒng)誤差而并未包括雷達(dá)發(fā)射通 路引入的ZDR系統(tǒng)誤差，而且該方法只能在每天有限的時(shí)段內(nèi)實(shí)施;小雨滴法能夠標(biāo)校整部 雷達(dá)的系統(tǒng)偏差，局限性在于標(biāo)定過(guò)程必須在雨強(qiáng)很小的層狀云降水條件下完成，難以滿 足業(yè)務(wù)運(yùn)行的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定標(biāo)方法，包括:在雷達(dá)寬 脈沖探測(cè)范圍和窄脈沖探測(cè)范圍內(nèi)分別選擇一測(cè)試點(diǎn)；在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，放置一金屬球;針 對(duì)每個(gè)金屬球，利用其GPS信息與雷達(dá)經(jīng)煒度和高度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)雷達(dá)觀測(cè)仰角、方位角和 所在庫(kù)數(shù);設(shè)置定標(biāo)觀測(cè)模式，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，定標(biāo)觀測(cè)模式包括雷達(dá)觀測(cè)方位的水平變化 范圍、和雷達(dá)觀測(cè)仰角的變化范圍和步進(jìn)角度，觀測(cè)數(shù)據(jù)包括雷達(dá)反射率因子觀測(cè)值和差 分反射率因子觀測(cè)值；以及將雷達(dá)反射率因子觀測(cè)值和差分反射率因子觀測(cè)值分別與反射 率因子理論值和差分反射率因子理論值相比較，以二者之間的差值作為雷達(dá)的測(cè)量誤差， 使用該測(cè)量誤差修正雷達(dá)在相應(yīng)探測(cè)范圍內(nèi)的探測(cè)結(jié)果。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在將參考結(jié)合附圖的以下描述，其中：
[0006] 圖1示出了使用該定標(biāo)方法對(duì)X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)進(jìn)行定標(biāo)的示意圖。
[0007] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的定標(biāo)觀測(cè)模式示意圖。
[0008] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 根據(jù)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它方面、優(yōu)勢(shì) 和突出特征對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)。
[0010] 在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)"包括"和"含有"及其派生詞意為包括而非限制；術(shù)語(yǔ)"或"是包 含性的，意為和/或。
[0011] 在本說(shuō)明書(shū)中，下述用于描述本發(fā)明原理的各種實(shí)施例只是說(shuō)明，不應(yīng)該以任何 方式解釋為限制發(fā)明的范圍。參照附圖的下述描述用于幫助全面理解由權(quán)利要求及其等同 物限定的本發(fā)明的示例性實(shí)施例。下述描述包括多種具體細(xì)節(jié)來(lái)幫助理解，但這些細(xì)節(jié)應(yīng) 認(rèn)為僅僅是示例性的。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在不背離本發(fā)明的范圍和精神 的情況下，可以對(duì)本文中描述的實(shí)施例進(jìn)行多種改變和修改。此外，為了清楚和簡(jiǎn)潔起見(jiàn)， 省略了公知功能和結(jié)構(gòu)的描述。此外，貫穿附圖，相同參考數(shù)字用于相似功能和操作。
[0012] 發(fā)明人注意到，采用金屬球作為標(biāo)準(zhǔn)物體對(duì)雷達(dá)進(jìn)行定標(biāo)有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于雷 達(dá)波長(zhǎng)，選擇金屬球半徑使得后向散射位于幾何光學(xué)散射區(qū)域，則雷達(dá)后向散射面積僅取 決于金屬球半徑;金屬球的Zdr值接近于零，由金屬球圓率引起的Zdr值小于0. ldB;利用金屬 球可以同時(shí)完成回波強(qiáng)度和差分反射率的定標(biāo)。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定標(biāo)方法。 圖1示出了使用該定標(biāo)方法對(duì)X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)1進(jìn)行定標(biāo)的示意圖。
[0014] 如圖1所示，在X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)1的寬脈沖探測(cè)范圍和窄脈沖探測(cè)范圍 內(nèi)分別選擇一個(gè)測(cè)試點(diǎn)。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，如雷達(dá)1的脈沖寬度為40ys，則可以以 到雷達(dá)1的距離6km為寬脈沖探測(cè)范圍和窄脈沖探測(cè)范圍之間的邊界，并選取3km和7km位置 作為兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)。在晴好、靜風(fēng)(風(fēng)速最好小于lm/s)的天氣條件下，通過(guò)固定在絞車2上的 汽艇3,將金屬球4懸掛于空中測(cè)試點(diǎn)位置處。汽艇3上懸掛全球定位系統(tǒng)GPS裝置，可以實(shí)時(shí) 獲取金屬球的GPS信息，包括金屬球所在的經(jīng)煒度信息和高度信息。根據(jù)金屬球GPS信息與 雷達(dá)站點(diǎn)信息計(jì)算出金屬球所在仰角。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用金屬球的全球定位系統(tǒng)GPS信息與雷達(dá)的經(jīng)煒度和高 度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)的雷達(dá)觀測(cè)仰角、方位角和所在庫(kù)數(shù)包括：根據(jù)金屬球所在的經(jīng)煒度 (Lonl，Latl)和高度(hi)信息與雷達(dá)所在的經(jīng)煒度(Lon2，Lat2)和高度(h2)信息，計(jì)算出雷 達(dá)觀測(cè)仰角A1、方位角Az和金屬球所在距離庫(kù)數(shù)Num，計(jì)算公式為：
[0016] L = sin(Latl )*sin(Lat2)*cos(Lon2_Lonl )+cos(Latl )*cos(Lat2)
[0019] Az = arctan2(cos(Lat2)*sin(Lon2-Lonl),cos(Latl)*sin(Lat2)-sin(Latl)* cos(Lat2)*cos(Lon2_Lonl))
[0021] 其中，Re為地球半徑，取值為6371km，c為光速，τ為雷達(dá)脈沖寬度。
[0022] 然后，設(shè)置雷達(dá)的定標(biāo)觀測(cè)模式，取得觀測(cè)數(shù)據(jù)。所述定標(biāo)觀測(cè)模式包括雷達(dá)觀測(cè) 方位的水平變化范圍和步進(jìn)角度、以及雷達(dá)觀測(cè)仰角的變化范圍的步進(jìn)角度，所述觀測(cè)數(shù) 據(jù)包括雷達(dá)的反射率因子觀測(cè)值和差分反射率觀測(cè)值。
[0023] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的定標(biāo)觀測(cè)模式示意圖。所述定標(biāo)觀測(cè)模式是指方 位上以金屬球所在方位為中心角的變化范圍，該變化范圍的角度大于等于30°且小于等于 60°，并且仰角上以金屬球所在仰角為中心，11層仰角，步進(jìn)為小于等于0.2°。根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例，雷達(dá)每完成一次觀測(cè)，雷達(dá)實(shí)時(shí)控制程序就生成一個(gè)以時(shí)間、站點(diǎn)、文件形式等命 名的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，文件格式采用中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心下發(fā)的格式，該數(shù)據(jù)文件可 以存儲(chǔ)站址信息、雷達(dá)性能參數(shù)、本次探測(cè)的觀測(cè)參數(shù)、本次探測(cè)的回波數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。
[0024] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的示意圖。如圖3所示，獲取觀測(cè)數(shù) 據(jù)可以包括:選擇與金屬球方位角相差1.5°以內(nèi)、仰角相差0.4°以內(nèi)、距離庫(kù)數(shù)相差5個(gè)以 內(nèi)的雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)中反射率因子的最大值，即為金屬球?qū)?yīng)的觀測(cè)值，根據(jù)該值所在對(duì)應(yīng) 的距離庫(kù)數(shù)和層數(shù)得到差分反射率因子觀測(cè)值。
[0025] 然后，將雷達(dá)的反射率因子觀測(cè)值和差分反射率觀測(cè)值分別與反射率因子理論值 和差分反射率理論值相比較，以二者之間的差值作為雷達(dá)的測(cè)量誤差，根據(jù)該測(cè)量誤差值 對(duì)雷達(dá)進(jìn)行定標(biāo)。例如，如果以反射率因子理論值減去反射率因子觀測(cè)值所得差值作為反 射率因子測(cè)量誤差，則在實(shí)際測(cè)量中，將反射率因子觀測(cè)值與反射率因子測(cè)量誤差相加得 到反射率因子修正值。如果以差分反射率因子理論值減去差分反射率因子觀測(cè)值所得差值 作為差分反射率因子測(cè)量誤差，貝U在實(shí)際測(cè)量中，將差分反射率因子觀測(cè)值與差分反射率 因子測(cè)量誤差相加得到差分反射率因子修正值。
[0026]所述反射率因子理論值Ζ是：
[0028] 其中：
[0029] λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，θ、φ為雷達(dá)水平和垂直方向上的3dB波束寬度，h為雷達(dá)徑向分辨率， 即h = cT，c為光速，τ為雷達(dá)脈沖寬度，k為金屬球的介電常數(shù)，r為金屬球半徑，R為金屬球與 雷達(dá)間的距離，差分反射率因子的理論值為零。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在測(cè)試之前，可以利用信號(hào)源產(chǎn)生與雷達(dá)相同頻率且固定 能量的信號(hào)Pr，從雷達(dá)接收機(jī)測(cè)試端口貫入，經(jīng)過(guò)高頻放大和混頻器、中頻放大器和信號(hào)處 理機(jī)，在顯示器上顯示對(duì)應(yīng)的雷達(dá)反射率因子Z，信號(hào)強(qiáng)度每次遞增5dB，記錄相應(yīng)的Z值，統(tǒng) 計(jì)并分析Pr與Z的對(duì)應(yīng)關(guān)系，檢查是否為線性關(guān)系，以判斷雷達(dá)接收機(jī)是否正常工作。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在測(cè)試之前，利用頻譜儀測(cè)試?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的脈沖持續(xù)時(shí)間， 脈沖形狀，發(fā)射機(jī)峰值功率隨時(shí)間的變化，檢驗(yàn)其工作的穩(wěn)定性。
[0032] 本發(fā)明解決了 X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)由于自身因素引起探測(cè)變量誤差的難 題，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射率因子和差分反射率同時(shí)定標(biāo)，可以提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高定量估測(cè)降 水的精度和降水粒子類型識(shí)別的準(zhǔn)確性。本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于雙極化天氣雷達(dá)的定標(biāo)， 特別是固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的定標(biāo)。
[0033] 盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的特定示例性實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù) 人員應(yīng)該理解，在不背離所附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的多種改變。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該限于上述實(shí)施例， 而是應(yīng)該不僅由所附權(quán)利要求來(lái)進(jìn)行確定，還由所附權(quán)利要求的等同物來(lái)進(jìn)行限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種X波段固態(tài)雙極化天氣雷達(dá)的金屬球定標(biāo)方法，包括： 在雷達(dá)寬脈沖探測(cè)范圍和窄脈沖探測(cè)范圍內(nèi)分別選擇一個(gè)測(cè)試點(diǎn)； 在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，放置一個(gè)金屬球； 針對(duì)每個(gè)金屬球，利用金屬球的全球定位系統(tǒng)GPS信息與雷達(dá)的經(jīng)煒度和高度信息計(jì) 算對(duì)應(yīng)的雷達(dá)觀測(cè)仰角、方位角和所在庫(kù)數(shù)； 設(shè)置定標(biāo)觀測(cè)模式，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，所述定標(biāo)觀測(cè)模式包括雷達(dá)觀測(cè)方位的水平變化 范圍、以及雷達(dá)觀測(cè)仰角的變化范圍和步進(jìn)角度，所述觀測(cè)數(shù)據(jù)包括雷達(dá)的反射率因子觀 測(cè)值和差分反射率因子觀測(cè)值；以及 將雷達(dá)反射率因子觀測(cè)值和差分反射率因子觀測(cè)值分別與反射率因子理論值和差分 反射率因子理論值相比較，以二者之間的差值作為雷達(dá)的測(cè)量誤差，使用該測(cè)量誤差修正 雷達(dá)在相應(yīng)探測(cè)范圍內(nèi)的探測(cè)結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括:在測(cè)試之前，利用信號(hào)源產(chǎn)生與雷 達(dá)相同頻率且固定能量的信號(hào)Pr，從雷達(dá)接收機(jī)測(cè)試端口貫入，經(jīng)過(guò)高頻放大和混頻器、中 頻放大器和信號(hào)處理機(jī)，在顯示器上顯示對(duì)應(yīng)的雷達(dá)反射率因子Z，信號(hào)強(qiáng)度每次遞增5dB， 記錄相應(yīng)的Z值，統(tǒng)計(jì)并分析Pr與Z的對(duì)應(yīng)關(guān)系，檢查是否為線性關(guān)系，以判斷雷達(dá)接收機(jī)是 否正常工作。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括:在測(cè)試之前，利用頻譜儀測(cè)試?yán)走_(dá) 發(fā)射機(jī)的脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖形狀，發(fā)射機(jī)峰值功率隨時(shí)間的變化，檢驗(yàn)其工作的穩(wěn)定性。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：對(duì)于采用脈沖壓縮技術(shù)的固態(tài)雙極化雷 達(dá)，分別在3km、7km位置選取兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用金屬球的全球定位系統(tǒng)GPS信息與雷 達(dá)的經(jīng)煒度和高度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)的雷達(dá)觀測(cè)仰角、方位角和所在庫(kù)數(shù)包括： 根據(jù)金屬球所在的經(jīng)煒度和高度信息與雷達(dá)所在的經(jīng)煒度和高度信息計(jì)算出雷達(dá)觀 測(cè)仰角、方位角及金屬球所在距離庫(kù)數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述定標(biāo)觀測(cè)模式是指： 方位上以金屬球所在方位為中心角的變化范圍，該變化范圍的角度大于等于30°且小 于等于60°;以及 仰角上以金屬球所在仰角為中心，11層仰角，步進(jìn)為小于等于〇. 2°。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)包括： 提取與金屬球方位角相差1.5°以內(nèi)、仰角相差0.4°以內(nèi)、距離庫(kù)數(shù)相差5個(gè)以內(nèi)的雷達(dá) 觀測(cè)數(shù)據(jù)中反射率因子的最大值，即為金屬球?qū)?yīng)的觀測(cè)值，根據(jù)該值所在對(duì)應(yīng)的距離庫(kù) 數(shù)和層數(shù)得到差分反射率因子觀測(cè)值8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 所述反射率因子理論值Z是：其中： λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，θ、φ分別為雷達(dá)水平和垂直方向上的3dB波束寬度，h為雷達(dá)徑向分辨率， 即h = cT，c為光速，τ為雷達(dá)脈沖寬度，k為金屬球的介電常數(shù)，r為金屬球半徑，R為金屬球與 雷達(dá)間的距離， 差分反射率因子的理論值為零。
【文檔編號(hào)】G01S7/40GK105866751SQ201610165887
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】陳洪濱, 李兆明, 段樹(shù), 畢永恒, 陸建兵, 李東洋, 吳海軍, 賴悅
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司