CN108196233B - 一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法，首先依据硬件原理框图和软件流程图完成系统工作基础搭建，然后在系统工作时对发射模块功率和接收通道增益进行实时测量标校，最后在每天零点时刻完成一次系统内部标校源标校，同时上报状态监测结果，实时监测系统状态。本发明首先采用一种简单、低成本的方案，解决了以往标校需要消耗大量资源的问题；其次，该方法可以实时在线标校，用于对系统故障实时监测，保证所获取数据的高可靠性；最后，该方法操作简便，实用性较强，可以应用在实际的毫米波测云雷达系统中。因此，本发明具有很强的实用性和极高的应用价值。

Description

一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法。
背景技术
毫米波测云雷达系统由于需要24小时无人值守连续工作，所以需要对系统状态实时监测，提高系统的可靠性和稳定性。同时，系统在测量过程中需要感知各分系统重要参数和状态，进行实时标校提高系统测量精度十分有必要。
对于毫米波测云雷达系统通常使用以下两种方法进行标校。方法一：测量系统重要参数需要专业人员携带专用测试仪器进行实测，该方法所得测量结果精度高，而且稳定可靠，但是不能实时测量，需要停机测量，适用于出所验收、现场验收、年度巡检和售后维护等方面的应用。方法二：在雷达系统内建立标校分系统，进行功率和接收通道增益实时测量；功率测量方面，将功率信号耦合至主波通道对其进行模拟下变频并通过增益反算读出功率值；增益测量方面，利用机内标校源产生一路确定幅度的标校信号，通过对其测量估计出接收通道的增益。方法一的缺点是不能实时标校，进行一次测量的成本较高，不能作为通用的方法使用；方法二的缺点是需要开销额外的硬件成本(如增加一路额外的接收通道)，或者会耗费时间资源(在重频周期内额外测量该值)，甚至会牺牲系统的性能指标。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法，该方法在现有硬件条件下，不增加额外成本支出，达到实时测量标校分系统参数的目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法，包括以下步骤：
步骤1：功率实时测量监测
频综产生的激励信号通过激励开关耦合至发射模块，发射模块对其进行功率放大得到发射功率信号；发射功率信号经过环行器馈送至天线，此时保护开关处于关闭状态，但同时会有部分信号耦合至接收模块，此部分信号为漏功率信号；
根据公式(1)对功率实时测量监测：
Pt＝P0-G+D2+D1 (1)
其中，Pt为发射功率值；P0为漏功率信号的功率值，可由接收模块检测得到；G为接收通道增益；D1为环行器由发射通道漏至接收通道的隔离度；D2为保护开关关闭时的隔离度；
步骤2：接收通道增益实时测量监测
当雷达系统处于接收状态时，发射模块不再产生发射功率信号，保护开关打开，当雷达探测区域没有目标回波，则只存在热噪声；热噪声的功率为10log(kTB)；
根据公式(1)对接收通道增益的实时测量：
G＝PN-10log(kTB)-F (2)
其中，k为玻尔兹曼常数；T为当前温度，开尔文；B为接收模块带宽；F为系统的噪声系数；G为接收通道增益；PN为接收模块最终输出的噪声功率值；
步骤3：内部标校源标校
在标校时，发射模块不工作，频综产生的激励信号通过激励标校开关直接耦合至低噪放，通过接收通道后被输出检测；其中输入低噪放的信号功率为P1，经过增益为G的接收通道后输出信号功率为P0，在标校时改变P1的功率来求得整个系统的线性动态范围，同时改变输入信号的中心频率对系统速度进行标校；
步骤4：系统状态自检监测
当上述自检监测结果出现故障时上报给主控软件，系统根据结果初步诊断系统故障部位，并将故障信息迅速反馈至专业人员，通知其及时处理。
具体的，所述初步诊断具体为：
当内部标校与接收通道增益正常，而功率实时测量不正常，则发射模块故障；
当接收通道增益正常，而功率实时测量与内部标校不正常，则内部标校源故障；
当接收通道增益、功率实时测量与内部标校均不正常，则接收通道故障。
优选地，在每天零点进行内部标校源标校。
本发明的有益效果
本发明公开了一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法。首先，采用一种简单、低成本的方案，解决了以往标校需要消耗大量资源的问题；其次，该方法可以实时在线标校，用于对系统故障实时监测，保证所获取数据的高可靠性；最后，该方法操作简便，实用性较强，可以应用在实际的毫米波测云雷达系统中。因此，本发明具有很强的实用性和极高的应用价值。
附图说明
图1为本发明的软件处理流程图。
图2为本发明的硬件原理框图。
图3为本发明的功率实时测量监测硬件原理框图。
图4为本发明的接收通道增益实时测量监测硬件原理框图。
图5为本发明的系统内部标校信号流原理框图。
图6为本发明的动态范围标校曲线原理图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据以上发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法，其软件处理流程如图1所示，对系统发射功率和接收通道增益进行实时标校测量，在每天零点时刻利用内部信号源对接收通道进行标校，标校结果可以用于参数计算与状态监测。硬件原理框图如图2所示，主要包括频综、激励标校开关、发射模块、环形器、保护开关、接收通道、天线等，所述标校方法包括以下步骤：
步骤1：功率实时测量监测
如图3所示为功率实时测量监测硬件原理框图，图中空心箭头线表示信号流向，频综产生的激励信号通过激励开关耦合至发射模块，发射模块对其进行功率放大得到发射功率信号；发射功率信号经过环行器馈送至天线，此时保护开关处于关闭状态，但同时会有部分信号耦合至接收模块，此部分信号为漏功率信号；由于保护开关处于关闭状态，需要考虑其隔离度；根据公式(1)对功率实时测量监测：
Pt＝P0-G+D2+D1 (1)
其中，Pt为发射功率值；P0为漏功率信号的功率值，可由接收模块检测得到；G为接收通道增益；D1为环行器由发射通道漏至接收通道的隔离度；D2为保护开关关闭时的隔离度。
步骤2：接收通道增益实时测量监测
如图4所示为接收通道增益实时测量监测硬件原理框图，在增益实时测量的状态下保护开关处于打开状态，所以保护开关不含关闭时的隔离度。当雷达系统处于接收状态时，发射模块不再产生发射功率信号，保护开关打开，当雷达探测区域没有目标回波，则只存在热噪声；热噪声的功率为10log(kTB)；
根据公式(1)对接收通道增益的实时测量：
G＝PN-10log(kTB)-F (2)
其中，k为玻尔兹曼常数；T为当前温度，开尔文；B为接收模块带宽；F为系统的噪声系数，表明噪声的恶化程度；G为接收通道增益；PN为接收模块最终输出的噪声功率值；
步骤3：内部标校源零点标校
如图5所示为系统内部标校信号流原理框图，在每天零点进行标校，不影响系统探测。在标校时，发射模块不工作，频综产生的激励信号通过激励标校开关直接耦合至低噪放，通过接收通道后被输出检测；其中输入低噪放的信号功率为P1，经过增益为G的接收通道后输出信号功率为P0，在标校时改变P1的功率来求得整个系统的线性动态范围，同时改变输入信号的中心频率对系统速度进行标校；其动态范围标校曲线原理如图6所示，横坐标为输入信号功率，纵坐标为输出信号功率，该图表示输出信号功率随输入信号功率线性变化的范围，其中上拐点的限制因素为最大不饱和点，下拐点的限制因素为接收模块灵敏度。
步骤4：系统状态自检监测
当上述自检监测结果出现故障时上报给主控软件，系统根据结果初步诊断系统故障部位，并将故障信息迅速反馈至专业人员，通知其及时处理。
具体的，所述初步诊断具体为：
当内部标校与接收通道增益正常，而功率实时测量不正常，则发射模块故障；
当接收通道增益正常，而功率实时测量与内部标校不正常，则内部标校源故障；
当接收通道增益、功率实时测量与内部标校均不正常，则接收通道故障。
下面结合一个典型实例给作为本发明的具体实施方式的一个优选实施例：
北京无线电测量研究所生产的垂直指向型毫米波测云仪(HMB-KPS)于2016年12月部署于国家气象局南郊观象台。本设备工作于Ka波段，采用全固态发射，雷达系统采用单发单收线极化的模式，对天顶气象目标进行实时探测。
本发明的基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法，首先依据硬件原理框图和软件流程图完成系统工作基础搭建，然后在系统工作时对发射模块功率和接收通道增益进行实时测量标校，最后在每天零点时刻完成一次系统内部标校源标校，同时上报状态监测结果，实时监测系统状态。本发明实现简便，利于在实际工程中移植，可以应用于毫米波测云雷达等气象探测设备中。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种基于毫米波测云雷达的实时在线标校方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：功率实时测量监测
频综产生的激励信号通过激励开关耦合至发射模块，发射模块对其进行功率放大得到发射功率信号；发射功率信号经过环行器馈送至天线，此时保护开关处于关闭状态，但同时会有部分信号耦合至接收模块，此部分信号为漏功率信号；
根据公式(1)对功率实时测量监测：
Pt＝P0-G+D2+D1 (1)
其中，Pt为发射功率值；P0为漏功率信号的功率值，可由接收模块检测得到；G为接收通道增益；D1为环行器由发射通道漏至接收通道的隔离度；D2为保护开关关闭时的隔离度；
步骤2：接收通道增益实时测量监测
当雷达系统处于接收状态时，发射模块不再产生发射功率信号，保护开关打开，当雷达探测区域没有目标回波，则只存在热噪声；热噪声的功率为10log(kTB)；
根据公式(1)对接收通道增益的实时测量：
G＝PN-10log(kTB)-F (2)
其中，k为玻尔兹曼常数；T为当前温度，开尔文；B为接收模块带宽；F为系统的噪声系数；G为接收通道增益；PN为接收模块最终输出的噪声功率值；
步骤3：内部标校源标校
在标校时，发射模块不工作，频综产生的激励信号通过激励标校开关直接耦合至低噪放，通过接收通道后被输出检测；其中输入低噪放的信号功率为P1，经过增益为G的接收通道后输出信号功率为P0，在标校时改变P1的功率来求得整个系统的线性动态范围，同时改变输入信号的中心频率对系统速度进行标校；
步骤4：系统状态自检监测
当上述自检监测结果出现故障时上报给主控软件，系统根据结果初步诊断系统故障部位，并将故障信息迅速反馈至专业人员，通知其及时处理。
2.根据权利要求1所述的标校方法，其特征在于，所述初步诊断具体为：
当内部标校与接收通道增益正常，而功率实时测量不正常，则发射模块故障；
当接收通道增益正常，而功率实时测量与内部标校不正常，则内部标校源故障；
当接收通道增益、功率实时测量与内部标校均不正常，则接收通道故障。
3.根据权利要求1所述的标校方法，其特征在于，在每天零点进行内部标校源标校。
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