CN103576702B - 一种毫米波气象雷达天线角度标校方法 - Google Patents
一种毫米波气象雷达天线角度标校方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种毫米波气象雷达天线角度标校方法，其具体步骤为：第一步，搭建毫米波气象雷达天线角度标校平台，包括：工业控制计算机（1）、太阳理论位置确定模块（2）、太阳位置测量模块（3）、天线角度处理模块（4）、天线控制器（5）、信号处理器（6）；第二步，太阳理论位置确定模块（2）确定太阳理论位置；第三步，太阳位置测量模块（3）控制太阳位置测量顺序，采集时间、天线角度和大气噪声数据；第四步，天线角度处理模块（4）处理采集的数据，确定和标校天线角度误差；至此，实现了毫米波气象雷达天线角度标校。本方法能够方便快速地完成毫米波气象雷达天线角度标校，根据需要随时标校，保证了观测数据的准确度和高质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达天线角度标校方法，特别是一种毫米波气象雷达天线角度标校方法。
背景技术
毫米波气象雷达主要用于云、雾、弱降水等目标的探测，利用小粒子对电磁波的散射作用，连续测量站点上空气象目标的回波信号，获取高时空分辨率的气象目标信息，具有对立体空间气象目标进行精确定位观测的能力。可应用于大气科学研究、人工影响天气、云自动化观测、机场气象保障、军事气象保障等方面和领域。
毫米波气象雷达对气象目标进行精确定位观测的一个必要条件就是天线电轴指向的真实角度和与其对应的方位、俯仰显示数据之间需要严格保持一致。在实际工作中，对每部毫米波气象雷达都要进行天线角度标校，传统的方法是利用标校塔和信号源对天线电轴指向角度进行测量，对测量出的方位角和俯仰角误差进行修正。这种方法需要建设标校塔，或者是到具备条件的天线标校场进行标校，这样使得天线角度的标校受到限制，无法根据需要随时进行标校，在天线角度产生误差时不能及时修正，影响了观测数据的准确度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种毫米波气象雷达天线角度标校方法，解决原有毫米波气象雷达依靠标校塔不能随时进行天线角度标校从而影响观测数据准确度的问题。
一种毫米波气象雷达天线角度标校方法，其具体步骤为：
第一步搭建天线角度标校平台
天线角度标校平台，包括：工业控制计算机、太阳理论位置确定模块、太阳位置测量模块、天线角度处理模块、天线控制器、信号处理器，其中工业控制计算机包括：PCI总线、共享内存和串行通信接口。
太阳理论位置确定模块与工业控制计算机通过PCI总线连接，太阳位置测量模块与工业控制计算机通过PCI总线连接，天线角度处理模块与工业控制计算机通过PCI总线连接，天线控制器与工业控制计算机通过串行通信接口连接，信号处理器与工业控制计算机通过PCI总线连接。
太阳理论位置确定模块、太阳位置测量模块和天线角度处理模块运行时加载到工业控制计算机的共享内存中；太阳理论位置确定模块用于确定太阳理论位置的俯仰角、方位角；太阳位置测量模块用于控制太阳位置测量的执行顺序，采集和保存时间、雷达天线位置和大气噪声数据；天线角度处理模块用于对采集的数据进行处理，提取出指示太阳位置的天线角度数据，确定天线角度误差，进行天线角度标校；天线控制器用于控制天线按照太阳位置测量模块设置的扫描参数转动，按照天线角度标校模块设置的参数和指令进行定位和标校；信号处理器用于按照太阳位置测量模块设置的雷达工作参数对大气噪声采样信号进行信号处理。
第二步太阳理论位置确定模块确定太阳理论位置
太阳理论位置确定模块设置当前日期、时间和雷达天线所在的经度、纬度参数，结合当前日期、时间和雷达天线所在的经度、纬度参数，依据地球与太阳的天体运动规律和公历得到太阳赤纬、时差和时角，进而得到此时太阳在地球表面的理论位置，即与地平面的夹角俯仰角和与地理北极的夹角方位角。
太阳赤纬的公式为：
（1）
其中称为日角，，其中为积日，即日期在年内的顺序号，为：，其中为当前年份，为取整函数。
太阳时差的公式为：
（2）
太阳时角的公式为：
（3）
其中为当前时间的小时，为当前时间的分钟，为当前时间秒，为地球上某一点与其所在时区中心的经度差，的公式为：
当经度大于等于0，且所在时区等于-13时：
（4）
当经度大于等于0，且所在时区不等于-13时：
（5）
当经度小于0，且所在时区等于-13时：
（6）
当经度小于0，且所在时区不等于-13时：
（7）
太阳俯仰角的公式为：
（8）
太阳方位角的公式为：
（9）
第三步太阳位置测量模块执行太阳位置测量顺序
太阳位置测量模块设置天线控制器的运行参数。测量太阳位置时天线使用立体扫描模式，以太阳理论位置为中心点，对此点的方位角减去2°得到方位上的起始值，对此点的方位角加2°得到方位上的终止值，对此点的俯仰角减2°得到俯仰上的起始值，对此点的俯仰角加2°得到俯仰上的终止值，所得方位和俯仰角度范围内的区域作为扫描范围，在方位和俯仰上按角度从小到大的顺序扫描，设置方位扫描速度为每秒0.1°，俯仰步进角为0.2°。天线控制器的运行参数设置完成后保存在工业控制计算机上。
太阳位置测量模块先将方位、俯仰上的起始值作为定位模式参数通过串行通信接口发送给天线控制器，天线控制器将天线定位到扫描范围的起始位置，接着太阳位置测量模块将用于太阳位置测量的雷达工作参数通过PCI总线传送给信号处理器，将天线立体扫描参数通过串行通信接口发送给天线控制器，天线控制器收到天线立体扫描参数后开始立体扫描，同时信号处理器对大气噪声采样信号进行信号处理，太阳位置测量模块连续采集天线控制器输出的天线方位角、俯仰角数据和信号处理器输出的大气噪声处理信号，与采集时刻的时间信息打包形成一组测量数据，保存到工业控制计算机上。同时，太阳位置测量模块检查每组数据中天线的方位角和俯仰角，判断方位角和俯仰角是否又回到起始位置，如果没有回到起始位置，则太阳位置测量模块继续采集和保存测量数据；如果又回到起始位置，则太阳位置测量模块停止数据采集，通过串行通信接口向天线控制器发送停止扫描指令，天线控制器控制天线停止转动，太阳位置测量顺序执行过程结束。
第四步天线角度处理模块标校天线角度
天线角度处理模块读取保存在工业控制计算机上的采集数据，对大气噪声数据进行排序，搜索出大气噪声最大的那一组数据，即为太阳噪声数据。当测量过程中太阳位置又发生了变化时，利用太阳噪声数据的记录时间再确定一次太阳理论位置，按重新确定的太阳俯仰角和方位角，与这一时刻采集到的天线俯仰角和方位角进行比较，得到天线角度的俯仰误差和方位误差，计算公式如下：
（10）
（11）
如果误差绝对值小于0.005°，认为天线角度误差在允许范围内。否则，用作为天线定位模式的俯仰角参数，作为天线定位模式的方位角参数，如果小于零，则将加上360度，天线角度处理模块通过串行通信接口向天线控制器发送定位模式参数，天线控制器将天线定位到俯仰角为、方位角为的位置上，然后天线角度处理模块通过串行通信接口向天线控制器发送校零指令，天线控制器进行天线角度标校，以当前位置作为雷达天线俯仰角和方位角的零点。
至此，实现了毫米波气象雷达的天线角度标校。
本发明采用工业控制计算机、太阳位置确定、测量、处理模块和太阳位置测量执行装置，对太阳理论位置确定精确，标校控制功能全面，数据采集精密完整，能够方便快速地完成天线角度标校，保证了观测数据的准确度，实现了毫米波气象雷达精确定位观测和获取高质量数据的要求。
附图说明
图1一种毫米波气象雷达天线角度标校方法所述毫米波气象雷达天线角度标校平台组成示意图。
1.工业控制计算机2.太阳理论位置确定模块3.太阳位置测量模块4.天线角度处理模块5.天线控制器6.信号处理器7.PCI总线8.共享内存9.串行通信接口。
具体实施方式
一种毫米波气象雷达天线角度标校方法，其具体步骤为：
第一步搭建天线角度标校平台
天线角度标校平台，包括：工业控制计算机1、太阳理论位置确定模块2、太阳位置测量模块3、天线角度处理模块4、天线控制器5、信号处理器6，其中工业控制计算机1包括：PCI总线7、共享内存8和串行通信接口9。
太阳理论位置确定模块2与工业控制计算机1通过PCI总线7连接，太阳位置测量模块3与工业控制计算机1通过PCI总线7连接，天线角度处理模块4与工业控制计算机1通过PCI总线7连接，天线控制器5与工业控制计算机1通过串行通信接口9连接，信号处理器6与工业控制计算机1通过PCI总线7连接。
太阳理论位置确定模块2、太阳位置测量模块3和天线角度处理模块4运行时加载到工业控制计算机1的共享内存8中；太阳理论位置确定模块2用于确定太阳理论位置的俯仰角、方位角；太阳位置测量模块3用于控制太阳位置测量的执行顺序，采集和保存时间、雷达天线位置和大气噪声数据；天线角度处理模块4用于对采集的数据进行处理，提取出指示太阳位置的天线角度数据，确定天线角度误差，进行天线角度标校；天线控制器5用于控制天线按照太阳位置测量模块3设置的扫描参数转动，按照天线角度处理模块4设置的参数和指令进行定位和标校；信号处理器6用于按照太阳位置测量模块3设置的雷达工作参数对大气噪声采样信号进行信号处理。
第二步太阳理论位置确定模块2确定太阳理论位置
太阳理论位置确定模块2设置当前日期、时间和雷达天线所在的经度、纬度参数，结合当前日期、时间和雷达天线所在的经度、纬度参数，依据地球与太阳的天体运动规律和公历得到太阳赤纬、时差和时角，进而得到此时太阳在地球表面的理论位置，即与地平面的夹角俯仰角和与地理北极的夹角方位角。
太阳赤纬的公式为：
（1）
其中称为日角，，其中为积日，即日期在年内的顺序号，为：，其中为当前年份，为取整函数。
太阳时差的公式为：
（2）
太阳时角的公式为：
（3）
其中为当前时间的小时，为当前时间的分钟，为当前时间秒，为地球上某一点与其所在时区中心的经度差，的公式为：
当经度大于等于0，且所在时区等于-13时：
（4）
当经度大于等于0，且所在时区不等于-13时：
（5）
当经度小于0，且所在时区等于-13时：
（6）
当经度小于0，且所在时区不等于-13时：
（7）
太阳俯仰角的公式为：
（8）
太阳方位角的公式为：
（9）
第三步太阳位置测量模块3执行太阳位置测量顺序
太阳位置测量模块2设置天线控制器5的运行参数。测量太阳位置时天线使用立体扫描模式，以太阳理论位置为中心点，对此点的方位角减去2°得到方位上的起始值，对此点的方位角加2°得到方位上的终止值，对此点的俯仰角减2°得到俯仰上的起始值，对此点的俯仰角加2°得到俯仰上的终止值，所得方位和俯仰角度范围内的区域作为扫描范围，在方位和俯仰上按角度从小到大的顺序扫描，设置方位扫描速度为每秒0.1°，俯仰步进角为0.2°。天线控制器5的运行参数设置完成后保存在工业控制计算机1上。
太阳位置测量模块3先将方位、俯仰上的起始值作为定位模式参数通过串行通信接口9发送给天线控制器5，天线控制器5将天线定位到扫描范围的起始位置，接着太阳位置测量模块3将用于太阳位置测量的雷达工作参数通过PCI总线7传送给信号处理器6，将天线立体扫描参数通过串行通信接口9发送给天线控制器5，天线控制器5收到天线立体扫描参数后开始立体扫描，同时信号处理器6对大气噪声采样信号进行信号处理，太阳位置测量模块3连续采集天线控制器5输出的天线方位角、俯仰角数据和信号处理器6输出的大气噪声处理信号，与采集时刻的时间信息打包形成一组测量数据，保存到工业控制计算机1上。同时，太阳位置测量模块3检查每组数据中天线的方位角和俯仰角，判断方位角和俯仰角是否又回到起始位置，如果没有回到起始位置，则太阳位置测量模块3继续采集和保存测量数据；如果又回到起始位置，则太阳位置测量模块3停止数据采集，通过串行通信接口9向天线控制器5发送停止扫描指令，天线控制器5控制天线停止转动，太阳位置测量顺序执行过程结束。
第四步天线角度处理模块4标校天线角度
天线角度处理模块4读取保存在工业控制计算机1上的采集数据，对大气噪声数据进行排序，搜索出大气噪声最大的那一组数据，即为太阳噪声数据。当测量过程中太阳位置又发生了变化时，利用太阳噪声数据的记录时间再确定一次太阳理论位置，按重新确定的太阳俯仰角和方位角，与这一时刻采集到的天线俯仰角和方位角进行比较，得到天线角度的俯仰误差和方位误差，计算公式如下：
（10）
（11）
如果误差绝对值小于0.005°，认为天线角度误差在允许范围内。否则，用作为天线定位模式的俯仰角参数，作为天线定位模式的方位角参数，如果小于零，则将加上360度，天线角度处理模块4通过串行通信接口9向天线控制器5发送定位模式参数，天线控制器5将天线定位到俯仰角为、方位角为的位置上，然后天线角度处理模块4通过串行通信接口9向天线控制器5发送校零指令，天线控制器5进行天线角度标校，以当前位置作为雷达天线俯仰角和方位角的零点。
至此，实现了毫米波气象雷达的天线角度标校。
Claims (1)
1.一种毫米波气象雷达天线角度标校方法，其特征在于具体步骤为：
第一步搭建天线角度标校平台
天线角度标校平台，包括：工业控制计算机(1)、太阳理论位置确定模块(2)、太阳位置测量模块(3)、天线角度处理模块(4)、天线控制器(5)、信号处理器(6)，其中工业控制计算机(1)包括：PCI总线(7)、共享内存(8)和串行通信接口(9)；
太阳理论位置确定模块(2)与工业控制计算机(1)通过PCI总线(7)连接，太阳位置测量模块(3)与工业控制计算机(1)通过PCI总线(7)连接，天线角度处理模块(4)与工业控制计算机(1)通过PCI总线(7)连接，天线控制器(5)与工业控制计算机(1)通过串行通信接口(9)连接，信号处理器(6)与工业控制计算机(1)通过PCI总线(7)连接；
太阳理论位置确定模块(2)、太阳位置测量模块(3)和天线角度处理模块(4)运行时加载到工业控制计算机(1)的共享内存(8)中；太阳理论位置确定模块(2)用于确定太阳理论位置的俯仰角、方位角；太阳位置测量模块(3)用于控制太阳位置测量的执行顺序，采集和保存时间、雷达天线位置和大气噪声数据；天线角度处理模块(4)用于对采集的数据进行处理，提取出指示太阳位置的天线角度数据，确定天线角度误差，进行天线角度标校；天线控制器(5)用于控制天线按照太阳位置测量模块(3)设置的扫描参数转动，按照天线角度处理模块(4)设置的参数和指令进行定位和标校；信号处理器(6)用于按照太阳位置测量模块(3)设置的雷达工作参数对大气噪声采样信号进行信号处理；
第二步太阳理论位置确定模块(2)确定太阳理论位置
太阳理论位置确定模块(2)设置当前日期、时间和雷达天线所在的经度θJD、纬度θWD参数，结合当前日期、时间和雷达天线所在的经度θJD、纬度θWD参数，依据地球与太阳的天体运动规律和公历得到太阳赤纬θCW、时差θSC和时角θT，进而得到此时太阳在地球表面的理论位置，即与地平面的夹角俯仰角θFY和与地理北极的夹角方位角θFW；
太阳赤纬θCW的公式为：
θCW＝0.3723+23.2567sinα+0.1149sin2α-0.1712sin3α-0.7580cosα+0.3656cos2α+0.0201cos3α(1)
其中α称为日角，α＝2π×(N-N0)/365.2422，其中N为积日，即日期在年内的顺序号，N0为：N0＝79.6764+0.2422×(year-1985)-floor((year-1985)/4)，其中year为当前年份，floor()为取整函数；
太阳时差θSC的公式为：
θSC＝0.0028-1.9857sinα+9.9059sin2α-7.0924cosα-0.6882cos2α(2)
太阳时角θT的公式为：
θT＝15×((hour+min/60+sec/3600+dlon/15)+θSC/60-12)(3)
其中hour为当前时间的小时，min为当前时间的分钟，sec为当前时间秒，dlon为地球上某一点与其所在时区TZ中心的经度差，dlon的公式为：
当经度θJD大于等于0，且所在时区TZ等于-13时：
dlon＝θJD-(floor((θJD×10-75)/150)+1)×15(4)
当经度θJD大于等于0，且所在时区TZ不等于-13时：
dlon＝θJD-TZ×15(5)
当经度θJD小于0，且所在时区TZ等于-13时：
dlon＝(floor((θJD×10-75)/150)+1)×15-θJD(6)
当经度θJD小于0，且所在时区TZ不等于-13时：
dlon＝TZ×15-θJD(7)
太阳俯仰角θFY的公式为：
θFY＝arcsin(sinθWD×sinθCW+cosθWD×cosθCW×cosθT)(8)
太阳方位角θFW的公式为：
θFW＝arccos((sinθFY×sinθWD-sinθCW)/(cosθFY×cosθWD))(9)
第三步太阳位置测量模块(3)执行太阳位置测量顺序
太阳位置测量模块(3)设置天线控制器(5)的运行参数；测量太阳位置时天线使用立体扫描模式，以太阳理论位置为中心点，对此点的方位角减去2°得到方位上的起始值，对此点的方位角加2°得到方位上的终止值，对此点的俯仰角减2°得到俯仰上的起始值，对此点的俯仰角加2°得到俯仰上的终止值，所得方位和俯仰角度范围内的区域作为扫描范围，在方位和俯仰上按角度从小到大的顺序扫描，设置方位扫描速度为每秒0.1°，俯仰步进角为0.2°；天线控制器(5)的运行参数设置完成后保存在工业控制计算机(1)上；
太阳位置测量模块(3)先将方位、俯仰上的起始值作为定位模式参数通过串行通信接口(9)发送给天线控制器(5)，天线控制器(5)将天线定位到扫描范围的起始位置，接着太阳位置测量模块(3)将用于太阳位置测量的雷达工作参数通过PCI总线(7)传送给信号处理器(6)，将天线立体扫描参数通过串行通信接口(9)发送给天线控制器(5)，天线控制器(5)收到天线立体扫描参数后开始立体扫描，同时信号处理器(6)对大气噪声采样信号进行信号处理，太阳位置测量模块(3)连续采集天线控制器(5)输出的天线方位角、俯仰角数据和信号处理器(6)输出的大气噪声处理信号，与采集时刻的时间信息打包形成一组测量数据，保存到工业控制计算机(1)上；同时，太阳位置测量模块(3)检查每组数据中天线的方位角和俯仰角，判断方位角和俯仰角是否又回到起始位置，如果没有回到起始位置，则太阳位置测量模块(3)继续采集和保存测量数据；如果又回到起始位置，则太阳位置测量模块(3)停止数据采集，通过串行通信接口(9)向天线控制器(5)发送停止扫描指令，天线控制器(5)控制天线停止转动，太阳位置测量顺序执行过程结束；
第四步天线角度处理模块(4)标校天线角度
天线角度处理模块(4)读取保存在工业控制计算机(1)上的采集数据，对大气噪声数据进行排序，搜索出大气噪声最大的那一组数据，即为太阳噪声数据；当测量过程中太阳位置又发生了变化时，利用太阳噪声数据的记录时间再确定一次太阳理论位置，按重新确定的太阳俯仰角θ'FY和方位角θ'FW，与这一时刻采集到的天线俯仰角θaFY和方位角θaFW进行比较，得到天线角度的俯仰误差δFY和方位误差δFW，计算公式如下：
δFY＝θaFY-θ'FY(10)
δFW＝θaFW-θ'FW(11)
如果误差绝对值小于0.005°，认为天线角度误差在允许范围内；否则，用δFY作为天线定位模式的俯仰角参数，δFW作为天线定位模式的方位角参数，如果δFW小于零，则将δFW加上360度，天线角度处理模块(4)通过串行通信接口(9)向天线控制器(5)发送定位模式参数，天线控制器(5)将天线定位到俯仰角为δFY、方位角为δFW的位置上，然后天线角度处理模块(4)通过串行通信接口(9)向天线控制器(5)发送校零指令，天线控制器(5)进行天线角度标校，以当前位置作为雷达天线俯仰角和方位角的零点；
至此，实现了毫米波气象雷达的天线角度标校。
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| TR01 | Transfer of patent right |