CN106772296B - 气象雷达回波强度标校装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气象雷达回波强度标校装置及方法，将标校装置设置在雷达馈源处，通过标校装置采样发射链路信号，对采样信号进行处理，获取发射频谱特征，对发射频谱特征进行数字存储；依据发射频谱特征配置标校源频率，使标校源频率与发射频谱特征中发射信号频率一致，并产生一个相对延时t的标校信号，使该标校信号的脉冲宽度为Xμs；在一个脉冲频率周期结束前Xμs时，使标校信号和探测回波信号一同进入接收链路，通过变频和信号处理，得到PPI和RHI末端距离库中标校信号值。该标校装置及方法能够对回波强度进行实时标校，提高数据采集的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及气象雷达信号标定装置及标校方法，尤其涉及气象雷达回波强度标校装置及标定方法。
背景技术
气象雷达作为气象观测的一种重要探测装置，其回波强度Z对局部突发性灾害性的天气预报、预警发挥着重要作用；同样回波强度的稳定性对精确降水预报也至关重要的，尤其是在双偏振雷达中，对Zdr影响更大。现有的气象雷达对回波强度进行标校采用的是统一标校的方式，所有的气象雷达都会内置一个固定标校源，在雷达完成一个体扫后统一进行一次标校，进而对气象雷达获得的一组数据进行修正。这种方式在实际使用中有较大的误差，首先，标准源并不一定适应实际的情况；其次，气象雷达在完成一个体扫的过程中有太多的不确定因素会影响数据准确性，如震动等，这就造成了体扫过程中误差的不确定性，在这种情况下只进行一次统一修正会产生较大的误差；再者，气象雷达的喇叭馈源、方位俯仰旋转关节、波导传输网络、接收机、发射机等链路并不在一起，现有的固定标校源不覆盖发射和接收的所有链路，不能实现全链路标校，进而影响探测精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在现有气象雷达的基础上增加一个独立的标校装置，该标校装置能够对回波强度进行实时标校，提高数据采集的准确度。
为了解决上述技术问题，本发明的气象雷达回波强度标校装置，包括接收模块、信号处理模块、时序控制模块和标校源，所述接收模块连接信号处理模块，信号处理模块连接时序控制模块，时序控制模块连接标校源。
上述技术方案中，所述接收模块包括RF放大器，RF放大器连接滤波器，滤波器连接混频器，混频器连接IF放大器，IF放大器连接IF滤波器，还包括100MHz晶振，100MHZ晶振连接本振，本振连接混频器。
上述技术方案中所述信号处理模块及标校源包括AD采样模块，所述AD采样模块连接FPGA，所述FPGA连接100MHz晶振和标校源。
上述技术方案中，还包括通信模块，所述通信模块分别连接信号处理模块、时序控制模块和控制终端。
气象雷达回波强度标校方法，采样发射链路信号，对采样信号进行处理，获取发射频谱特征，对发射频谱特征进行数字存储；依据发射频谱特征配置标校源频率，使标校源频率与发射频谱特征中发射信号频率一致，并产生一个相对延时t的标校信号，使该标校信号的脉冲宽度为Xμs；在一个脉冲频率周期结束前Xμs时，使标校信号和探测回波信号一同进入接收链路，通过变频和信号处理，得到PPI和RHI末端距离库中标校信号值。
上述气象雷达回波强度标校方法，所述采样发射链路信号在馈源中心处进行采样，所述标校信号进入接收链路也是在馈源中心处进入接收链路。
上述气象雷达回波强度标校方法，所述的X为10。
上述变频和信号处理为变频、多普勒雷达信号理论和谱估计的处理。
本发明的气象雷达回波强度标校装置可以实现对雷达信号的采集，且除供电外与天气雷达没有硬件上的关联，本发明的气象雷达回波强度标校方法可以实现对天气雷达全链路、实时标校，提高雷达探测精度。
附图说明
图1为标校装置结构示意图；
图2为接收模块结构示意图；
图3为接收模块一种设计方案；
图4为信号处理及标校源结构示意图；
图5为信号处理及标校源一种设计方案；
图6为标校信号动作时序图。
具体实施方式
本发明提出了一种气象雷达回波标效方法，实现全链路实时标校。即在天线仰角0°平面上，抛物面边缘处放置一个标校装置，如图1，该标校装置包括接收模块1、信号处理模块2、时序控制模块3和标校源4、无线通信模块5，所述接收模块1连接信号处理模块2，信号处理模块2连接时序控制模块3和无线通信模块5，所述时序控制模块3连接标校源4和无线通信模块5。
其中的接收模块1，接收S或C或X波段气象雷达辐射信号，即采样发射链路信号，经过AD采样处理，送到信号处理模块2，得到发射频谱特征，信号处理模块2对采样的发射频谱进行数字存储，即DRFM，并根据接收指令，配置触发延时时间，并产生10us脉宽的标校信号，且于气象雷达PRF严格同步，该信号只在PRF结尾前10us开启。
这时标校信号经过气象雷达天线口，与回波信号一同进入接收链路，通过变频和信号处理，得到该PPI和RHI末端距离库中标效信号值。
现有的天气雷达设备没有更多的通信接口，本发明借用通用频道上无线数传方式，进行标校模块进行通信和监控，也就是利用无线通信模块5来实现控制终端对标校装置的通信和监控。
参见图2和3，接收模块1要实现气象雷达信号的放大、滤波、变频等功能。RF放大器接收天线信号，传送至滤波器，滤波器送至混频器，100MHz晶振通过本振将信号传送至混频器，混频器将信号传送至IF放大器，IF放大器将信号送至IF滤波器，IF滤波器将处理后的信号送出。其中的一种实施方式为RFin接口信号传送至低噪声放大器PA-105，低噪声放大器PA-105信号传送至带通滤波器BPF2900，带通滤波器BPF2900信号传送至混频器5551，锁相本振2840plo信号传送至混频器5551，混频器5551信号传送至带通滤波器BPF60MHz，带通滤波器BPF60MHz信号传送至中频放大器PSA4-5043，中频放大器PSA4-5043信号传送至信号处理模块2。
参见图4和5，信号处理及标校源的结构及工作原理，中频信号送到16位或14位AD采样模块，进行数字处理。由接收模块1送来的中频信号，经高速AD采样处理，再进行FPGA处理，FPGA为信号处理模块2即可得到发射链路的发射信号频谱特征，包含发射信号频率、发射功率、脉冲宽度等信息，同时将该采样的发射信号频谱特征信号频谱进行阵列存储，即DRFM数字存储技术。其中的一种实施方式为IFin接口信号传送至16位AD采样模块，AD采样模块信号传送至数字存储阵列，数字存储阵列信号传送至DA转换器和信号处理模块，DA转换器和锁相本振2840plo信号传送至上行变频器，上行变频器信号传送至BPF2900，BPF2900信号传送至RFout接口，通信模块信号传送至信号处理模块，信号处理模块信号传送至数字存储阵列，信号处理模块信号设定PRF10us后传送至DA转换器。
参见图6，FPGA根据通信指令，通过上变频配置标效源频率，与发射信号频率一致，并产生一个相对延时t的脉冲信号，也就是标校信号，脉宽10μs。
由于标校信号源的强度与采样到的发射链路信号强度幅度相关联的，因此，标效信号幅度的变化，就是反映了发射链路和接收链路特性的变化，因而，可以在同一方位角上直接修正各距离库的回波强度，从而实现了天气雷达信号的强度的动态标定。
在实际使用时，只需将标校装置设置在馈源中心，一般为雷达天线仰角0°平面上，抛物面边缘处；如天气雷达是双偏振雷达则每个馈源中心均设置一个标校装置，从而实现信号的采样和发送。
本设计具有如下特征：首次将数字存储技术即DRFM应用到气象雷达领域中，即在气象雷达正常工作情况下，通过采样雷达发射脉冲信号，进行数字存储，经过一定延迟并PRF截至前，发送已存储的频谱信号，即标校信号，因而具有实时性和相干性；由于在天线端口进行采样发射信号和发送标校信号，即包含了从发射机输出端口、波导传输网络、方位俯仰旋转关节以及喇叭馈源等所有发射链路特性；同样发送标校信号经过喇叭馈源、方位俯仰旋转关节、波导传输网络以及接收机等所有接收通道特性，因而具有发射、接收全链路标校特性，提高雷达探测精度；校准因子可以在气象产品中进行修正，因而具有独立完整性，使用两个模块，可以对双偏振雷达进行Zdr校准；除了供电以外，与雷达没有任何牵连，操作简便，因而具有较强的操作、实用性，有着广阔的使用前景。
Claims (7)
1.气象雷达回波强度标校装置，其特征在于：包括接收模块、信号处理模块、时序控制模块和标校源，所述接收模块连接信号处理模块，信号处理模块连接时序控制模块，时序控制模块连接标校源，所述接收模块包括RF放大器，RF放大器连接滤波器，滤波器连接混频器，混频器连接IF放大器，IF放大器连接IF滤波器，还包括100MHz晶振，100MHZ晶振连接本振，本振连接混频器，所述信号处理模块及标校源包括AD采样模块，所述AD采样模块连接FPGA，所述FPGA连接100MHz晶振和标校源，所述接收模块，接收S或C或X波段气象雷达辐射信号，经过AD采样处理，送到信号处理模块；所述信号处理模块对采样的发射频谱进行数字存储；配置触发延时时间，并产生标校信号，标校信号经过气象雷达天线口，与回波信号一同进入接收链路；所述RF放大器接收天线信号，传送至滤波器，滤波器送至混频器，100MHz晶振通过本振将信号传送至混频器，混频器将信号传送至IF放大器，IF放大器将信号送至IF滤波器，IF滤波器将处理后的信号送出至信号处理模块，经高速AD采样处理，再进行FPGA处理，进行阵列存储。
2.如权利要求1所述的气象雷达回波强度标校装置，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块分别连接信号处理模块、时序控制模块和控制终端。
3.气象雷达回波强度标校方法，其特征在于：采样发射链路信号，对采样信号进行处理，获取发射频谱特征，对发射频谱特征进行数字存储；依据发射频谱特征配置标校源频率，使标校源频率与发射频谱特征中发射信号频率一致，并产生一个相对延时t的标校信号，使该标校信号的脉冲宽度为Xμs；在一个脉冲频率周期结束前Xμs时，使标校信号和探测回波信号一同进入接收链路，通过变频和信号处理，得到PPI和RHI末端距离库中标校信号值。
4.如权利要求3所述气象雷达回波强度标校方法，其特征在于：所述采样发射链路信号在馈源中心处进行采样，所述标校信号进入接收链路也是在馈源中心处进入接收链路。
5.如权利要求4所述气象雷达回波强度标校方法，其特征在于：所述的X为10。
6.如权利要求5所述气象雷达回波强度标校方法，其特征在于：所述变频和信号处理为变频、多普勒雷达信号理论和谱估计的处理。
7.如权利要求6所述气象雷达回波强度标校方法，其特征在于：采用如权利要求1或2所述的气象雷达回波强度标校装置对信号进行采样及处理。
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