CN105866751B - X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法，包括：在雷达宽脉冲探测范围和窄脉冲探测范围内分别选择一测试点；在每个测试点处，放置一金属球；针对每个金属球，利用其GPS信息与雷达经纬度和高度信息计算对应雷达观测仰角、方位角和所在库数；设置定标观测模式，获取观测数据，定标观测模式包括雷达观测方位的水平变化范围、和雷达观测仰角的变化范围和步进角度，观测数据包括雷达反射率因子观测值和差分反射率观测值；以雷达反射率因子观测值与雷达反射率因子理论值之间的差值或差分反射率观测值与差分反射率理论值之间的差值作为雷达的测量误差，使用该测量误差修正雷达在相应探测范围内的探测结果。

Description

X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法
技术领域
本发明涉及天气雷达，更具体地，涉及一种X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法。
背景技术
天气雷达在现代气象综合观测系统中起着非常重要的作用，对中小尺度天气系统有很好的监测能力，为短临天气预报提供了直观的资料。随着双极化技术的应用，固态发射机技术的成熟，天气雷达的性能不断改进。双极化天气雷达不仅能够得到雷达反射率因子(Z)、径向速度(V)、速度谱宽(W)，还可以得到差分反射率(ZDR)、零滞后互相关系数(ρ0)、差分传播相移(ΦDP)、单位差分传播相移(KDP)和线性退极化比(LDR)五个探测变量。探测变量的增加为定量估测降水、降水粒子识别等资料应用提供更多的信息和判断依据，但同时要求这些探测变量有较高的准确性。
随着雷达气象学研究的发展，出现了不同的雷达定标技术。对回波强度的定标技术主要包括：比较利用频移反射器得到发生频率偏移后对应的雷达回波；利用球载或机载的标准物体产生的雷达回波进行定标，由于标准物的不稳定性会引起观测误差；在垂直方向上，利用雨滴谱仪得到的雨滴谱分布计算出回波强度值，与雷达观测值相比较进行标定，观测数据的格点匹配可能会引起误差。差分反射率的定标方法主要包括：信号源法适合标校接收有源通道；太阳法只能标定雷达接收通路产生的ZDR系统误差而并未包括雷达发射通路引入的ZDR系统误差，而且该方法只能在每天有限的时段内实施；小雨滴法能够标校整部雷达的系统偏差，局限性在于标定过程必须在雨强很小的层状云降水条件下完成，难以满足业务运行的要求。
发明内容
本发明提供了一种X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法，包括：在雷达宽脉冲探测范围和窄脉冲探测范围内分别选择一测试点；在每个测试点处，放置一金属球；针对每个金属球，利用其GPS信息与雷达经纬度和高度信息计算对应雷达观测仰角、方位角和所在库数；设置定标观测模式，获取观测数据，定标观测模式包括雷达观测方位的水平变化范围、和雷达观测仰角的变化范围和步进角度，观测数据包括雷达反射率因子观测值和差分反射率观测值；以雷达反射率因子观测值与雷达反射率因子理论值之间的差值或差分反射率观测值与差分反射率理论值之间的差值作为雷达的测量误差，使用该测量误差修正雷达在相应探测范围内的探测结果。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示出了使用该定标方法对X波段固态双极化天气雷达进行定标的示意图。
图2示出了根据本发明实施例的定标观测模式示意图。
图3示出了根据本发明的实施例获取观测数据的示意图。
具体实施方式
根据结合附图对本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。
在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。
在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同参考数字用于相似功能和操作。
发明人注意到，采用金属球作为标准物体对雷达进行定标有如下优点：相对于雷达波长，选择金属球半径使得后向散射位于几何光学散射区域，则雷达后向散射面积仅取决于金属球半径；金属球的ZDR值接近于零，由金属球圆率引起的ZDR值小于0.1dB；利用金属球可以同时完成回波强度和差分反射率的定标。
根据本发明的实施例，提供了一种X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法。图1示出了使用该定标方法对X波段固态双极化天气雷达1进行定标的示意图。
如图1所示，在X波段固态双极化天气雷达1的宽脉冲探测范围和窄脉冲探测范围内分别选择一个测试点。例如，根据本发明的实施例，如雷达1的脉冲宽度为40μs，则可以以到雷达1的距离6km为宽脉冲探测范围和窄脉冲探测范围之间的边界，并选取3km和7km位置作为两个测试点。在晴好、静风(风速最好小于1m/s)的天气条件下，通过固定在绞车2上的汽艇3，将金属球4悬挂于空中测试点位置处。汽艇3上悬挂全球定位系统GPS装置，可以实时获取金属球的GPS信息，包括金属球所在的经纬度信息和高度信息。根据金属球GPS信息与雷达站点信息计算出金属球所在仰角。
根据本发明的实施例，利用金属球的全球定位系统GPS信息与雷达的经纬度和高度信息计算对应的雷达观测仰角、方位角和所在库数包括：根据金属球所在的经纬度(Lon1，Lat1)和高度(h1)信息与雷达所在的经纬度(Lon2，Lat2)和高度(h2)信息，计算出雷达观测仰角Al、方位角Az和金属球所在距离库数Num，计算公式为：
L＝sin(Lat1)*sin(Lat2)*cos(Lon2-Lon1)+cos(Lat1)*cos(Lat2)
Az＝arctan2(cos(Lat2)*sin(Lon2-Lon1)，cos(Lat1)*sin(Lat2)-sin(Lat1)*cos(Lat2)*cos(Lon2-Lon1))
其中，Re为地球半径，取值为6371km，c为光速，τ为雷达脉冲宽度。
然后，设置雷达的定标观测模式，取得观测数据。所述定标观测模式包括雷达观测方位的水平变化范围和步进角度、以及雷达观测仰角的变化范围的步进角度，所述观测数据包括雷达的反射率因子观测值和差分反射率观测值。
图2示出了根据本发明实施例的定标观测模式示意图。所述定标观测模式是指方位上以金属球所在方位为中心角的变化范围，该变化范围的角度大于等于30°且小于等于60°，并且仰角上以金属球所在仰角为中心，11层仰角，步进为小于等于0.2°。根据本发明的实施例，雷达每完成一次观测，雷达实时控制程序就生成一个以时间、站点、文件形式等命名的二进制数据文件，文件格式采用中国气象局气象探测中心下发的格式，该数据文件可以存储站址信息、雷达性能参数、本次探测的观测参数、本次探测的回波数据等数据。
图3示出了根据本发明的实施例获取观测数据的示意图。如图3所示，获取观测数据可以包括：选择与金属球方位角相差1.5°以内、仰角相差0.4°以内、距离库数相差5个以内的雷达观测数据中反射率因子的最大值，即为金属球对应的观测值，根据该值所在对应的距离库数和层数得到差分反射率观测值。
然后，以雷达反射率因子观测值与雷达反射率因子理论值之间的差值或差分反射率观测值与差分反射率理论值之间的差值作为雷达的测量误差，根据该测量误差值对雷达进行定标。例如，如果以反射率因子理论值减去反射率因子观测值所得差值作为反射率因子测量误差，则在实际测量中，将反射率因子观测值与反射率因子测量误差相加得到反射率因子修正值。如果以差分反射率理论值减去差分反射率观测值所得差值作为差分反射率测量误差，则在实际测量中，将差分反射率观测值与差分反射率测量误差相加得到差分反射率修正值。
所述反射率因子理论值Z是：
其中：
λ为雷达波长，θ、为雷达水平和垂直方向上的3dB波束宽度，h为雷达径向分辨率，即h＝cτ，c为光速，τ为雷达脉冲宽度，k为金属球的介电常数，r为金属球半径，R为金属球与雷达间的距离，差分反射率的理论值为零。
根据本发明的实施例，在测试之前，可以利用信号源产生与雷达相同频率且固定能量的信号Pr，从雷达接收机测试端口贯入，经过高频放大和混频器、中频放大器和信号处理机，在显示器上显示对应的雷达反射率因子Z，信号强度每次递增5dB，记录相应的Z值，统计并分析Pr与Z的对应关系，检查是否为线性关系，以判断雷达接收机是否正常工作。
根据本发明的实施例，在测试之前，利用频谱仪测试雷达发射机的脉冲持续时间，脉冲形状，发射机峰值功率随时间的变化，检验其工作的稳定性。
本发明解决了X波段固态双极化天气雷达由于自身因素引起探测变量误差的难题，实现对反射率因子和差分反射率同时定标，可以提高观测数据的质量，提高定量估测降水的精度和降水粒子类型识别的准确性。本发明可广泛地应用于双极化天气雷达的定标，特别是固态双极化天气雷达的定标。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (8)

1.一种X波段固态双极化天气雷达的金属球定标方法，包括：
在雷达宽脉冲探测范围和窄脉冲探测范围内分别选择一个测试点；
在每个测试点处，放置一个金属球；
针对每个金属球，利用金属球的全球定位系统GPS信息与雷达的经纬度和高度信息计算对应的雷达观测仰角、方位角和所在库数；
设置定标观测模式，获取观测数据，所述定标观测模式包括雷达观测方位的水平变化范围、以及雷达观测仰角的变化范围和步进角度，所述观测数据包括雷达的反射率因子观测值和差分反射率观测值；以及
以雷达反射率因子观测值与雷达反射率因子理论值之间的差值或差分反射率观测值与差分反射率理论值之间的差值作为雷达的测量误差，使用该测量误差修正雷达在相应探测范围内的探测结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在测试之前，利用信号源产生与雷达相同频率且固定能量的信号Pr，从雷达接收机测试端口贯入，经过高频放大和混频器、中频放大器和信号处理机，在显示器上显示对应的雷达反射率因子Z，信号强度每次递增5dB，记录相应的Z值，统计并分析Pr与Z的对应关系，检查是否为线性关系，以判断雷达接收机是否正常工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在测试之前，利用频谱仪测试雷达发射机的脉冲持续时间，脉冲形状，发射机峰值功率随时间的变化，检验其工作的稳定性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于采用脉冲压缩技术的固态双极化雷达，分别在3km、7km位置选取两个测试点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用金属球的全球定位系统GPS信息与雷达的经纬度和高度信息计算对应的雷达观测仰角、方位角和所在库数包括：
根据金属球所在的经纬度和高度信息与雷达所在的经纬度和高度信息计算出雷达观测仰角、方位角及金属球所在距离库数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定标观测模式是指：
方位上以金属球所在方位为中心角的变化范围，该变化范围的角度大于等于30°且小于等于60°；以及
仰角上以金属球所在仰角为中心，11层仰角，步进为小于等于0.2°。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取观测数据包括：
提取与金属球方位角相差1.5°以内、仰角相差0.4°以内、距离库数相差5个以内的雷达观测数据中反射率因子的最大值，即为金属球对应的观测值，根据该值所在对应的距离库数和层数得到差分反射率观测值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述反射率因子理论值Z是：
其中：
λ为雷达波长，θ、分别为雷达水平和垂直方向上的3dB波束宽度，h为雷达径向分辨率，即h＝cτ，c为光速，τ为雷达脉冲宽度，k为金属球的介电常数，r为金属球半径，R为金属球与雷达间的距离，
差分反射率的理论值为零。
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