CN109597080B - 用于云雷达的极化定标方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了用于云雷达的极化定标方法、装置及系统。该方法的一具体实施方式包括：获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合，其中，第一信号为有源定标器发射的不同波段信号；获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合，其中，第二信号为云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号；根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正目标极化定标算法中的定标参数。该实施方式通过获取云雷达的有源极化定标数据和无源极化定标数据，来实现云雷达的极化定标。即将有源极化定标与无源极化定标相结合。这样可以有助于提高定标结果的准确度。
Description
技术领域
本申请实施例涉及天气雷达通信技术领域，尤其涉及用于云雷达的极化定标方法、装置及系统。
背景技术
雷达标定自雷达气象学初期开始，一直以来备受关注。天气雷达在正常工作一段时间后，它的某些参数可能会发生改变。因此，极化定标通常是天气雷达信号处理的重要环节。其主要目的是校正系统误差，复原成像结果中目标的极化散射特性。即一般只有通过极化定标处理，才能从天气雷达图像中提取目标的准确的极化信息。也就是说，通过对天气雷达进行极化定标，可以保证天气雷达定量测量参数的准确性，增强组网天气雷达定性获取指标的可比性。
现有的极化定标方法主要可以包括基于点目标、分布目标及混合目标的三类定标算法。基于点目标的定标算法种类较多。其中Whitt算法是实用性较好的算法。这种算法不需要对雷达系统失真矩阵作任何假设。且对定标器的限制条件也相对较少。此外，在定标目标的选择上有很大的灵活性。
发明内容
本申请实施例提供了用于云雷达的极化定标方法、装置及系统。
第一方面，本申请实施例提供了一种用于云雷达的极化定标方法，包括：获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合，其中，第一信号为有源定标器发射的不同波段信号；获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合，其中，第二信号为云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号；根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正目标极化定标算法中的定标参数。
在一些实施例中，有源定标器包括标准信号源和至少一个发射天线，用于分别在不同极化状态下发射各波段信号，其中，对于不同波段信号，标准信号源输出信号的频率及功率不同。
在一些实施例中，接收数据包括云雷达的水平极化接收天线和垂直极化接收天线的接收数据；以及不同极化状态包括水平极化状态、垂直极化状态和相对于水平方向倾斜45°极化状态。
在一些实施例中，有源定标器包括两个发射天线，一个发射天线处于水平极化状态，另一个发射天线处于垂直极化状态，且两个发射天线中的至少一个发射天线的安装角度可调节。
在一些实施例中，获取针对第一信号的接收数据之前，该方法还包括：调整水平极化接收天线与垂直极化接收天线间的隔离度；其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围。
在一些实施例中，获取针对第二信号的全极化回波数据之前，该方法还包括：通过两个极化发射天线，向处于不同旋转角度的二面角反射器发射同一波段信号，以形成不同旋转角度下的该波段回波信号。
在一些实施例中，不同旋转角度包括二面角反射器相对于云雷达的视线旋转0°、45°和90°；以及全极化回波数据包括：云雷达的HH通道回波数据、VH通道回波数据、HV通道回波数据和VV通道回波数据，其中，云雷达的交叉极化天线间的隔离度不小于预设值。
在一些实施例中，云雷达与有源定标器之间的距离不小于第一距离值，且云雷达与二面角反射器之间的距离不小于第二距离值。
第二方面，本申请实施例提供了一种用于云雷达的极化定标装置，包括：第一获取单元，用于获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合，其中，第一信号为有源定标器发射的不同波段信号；第二获取单元，用于获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合，其中，第二信号为云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号；校正单元，用于根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正目标极化定标算法中的定标参数。
第三方面，本申请实施例提供了一种用于云雷达的极化定标系统，包括：有源定标器，用于向云雷达发射不同波段的第一信号；二面角反射器，用于对云雷达发射的不同波段信号进行反射，形成不同波段的第二信号；云雷达，用于获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合；获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合；根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正目标极化定标算法中的定标参数。
本申请实施例提供的用于云雷达的极化定标方法、装置及系统，通过获取云雷达对第一信号的接收数据，可以生成第一定标数据集合，即有源极化定标数据。并且通过获取云雷达对第二信号的全极化回波数据，可以生成第二定标数据集合，即无源极化定标数据。其中，第一信号可以为有源定标器发射的不同波段信号；而第二信号可以为云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号。从而根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，可以对目标极化定标算法进行分析，实现该算法中定标参数的校正。也就是说，将有源极化定标与无源极化定标相结合，这样可以有助于提高定标结果的准确度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请的一个实施例可以应用于其中的示例性系统架构图；
图2为本申请提供的极化定标方法的一个实施例的流程图；
图3为本申请提供的有源极化定标的一个场景示意图；
图4A和图4B分别为本申请提供的发射天线的两种极化状态示意图；
图5为本申请提供的无源极化定标的一个场景示意图；
图6为本申请提供的二面角反射器的一个实施例的结构示意图；
图7为本申请提供的极化定标装置的一个实施例的结构示意图；
图8为本申请提供的极化定标系统的一个实施例的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了可以应用本申请实施例的用于云雷达的极化定标方法或装置的示例性系统架构100。
如图1所示，系统架构100可以包括终端101、102，网络103，云雷达104，有源定标器105和二面角反射器106。网络103可以用以在终端101、102与云雷达104之间提供通信链路的介质。网络103可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
用户可以使用终端101、102通过网络103与云雷达104进行交互，以接收或发送消息等。例如用户可以通过终端101、102向云雷达104发送访问请求。终端101、102上可以安装有各种客户端应用，例如云雷达极化定标类应用、浏览器、购物类应用和即时通讯工具等。
这里的终端101、102可以是硬件，也可以是软件。当终端101、102为硬件时，可以是具有显示屏的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑和台式计算机等等。当终端101、102为软件时，可以安装在上述所列举的电子设备中。其可以实现成多个软件或软件模块(例如用来提供分布式服务)，也可以实现成单个软件或软件模块。在此不做具体限定。
云雷达104可以是能够实现测云功能的各种的雷达。例如可以是工作波长为1.25厘米或0.86厘米的测云雷达等。例如，云雷达104可以对有源定标器105发射的不同波段信号进行接收，从而得到与之对应的接收数据。进而可以生成第一定标数据集合。另外，云雷达104还可以对二面角反射器106形成的不同波段回波信号进行接收，从而得到与之对应的全极化回波数据。进而可以生成第二定标数据集合。这样，云雷达104可以根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对极化定标算法进行分析。从而实现该算法中定标参数的校正。
有源定标器105可以是能够发射不同波段信号的各种电子设备。而二面角反射器106可以是能够实现对接收的信号进行反射形成回波信号的装置。
需要说明的是，本申请实施例所提供的用于云雷达的极化定标方法一般由终端101、102或云雷达104执行。相应地，用于云雷达的极化定标装置一般也可以设置于终端101、102或云雷达104中。
应该理解，图1中的终端、网络、云雷达、有源定标器和二面角反射器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端、网络、云雷达、有源定标器和二面角反射器。
请参见图2，其示出了本申请提供的用于云雷达的极化定标方法的一个实施例的流程200。该极化定标方法可以包括以下步骤：
步骤201，获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合。
在本实施例中，极化定标方法的执行主体(例如图1中所示的云雷达104)可以通过其上的接收天线，来对第一信号进行接收。其中，第一信号通常可以为有源定标器(例如图1所示的有源定标器105)发射的不同波段信号。这样，可以获取针对第一信号的接收数据，进而生成第一定标数据集合。也就是说，对于不同波段的第一信号，执行主体可以获取到与之对应的接收数据。并且可以将该接收数据作为第一定标数据，存储至第一定标数据集合中。
可以理解的是，第一定标数据集合可以是预先生成的，也可以是在获取到接收数据时生成的。第一定标数据集合的存储位置在本申请中并不限制。例如可以存储在执行主体本地，有利于提高存储效率。又例如可以存储在终端(例如图1所示的终端101、102)和/或与执行主体通信连接的其他电子设备(如服务器)中。这样，有利于减少云雷达的存储空间的占用，有助于提高运行效率。
在本实施例中，有源定标器发射的不同波段的第一信号，通常是执行主体可以接收并识别的信号。由于本申请中的云雷达可以为多频段，因此为了实现云雷达的极化定标，这里的不同波段的第一信号主要是云雷达工作运行时所涉及到的波段信号。
步骤202，获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合。
在本实施例中，执行主体可以通过其上的接收天线，来对第二信号进行接收。其中，第二信号可以为云雷达向二面角反射器(例如图1中所示的二面角反射器106)发射不同波段信号而形成的回波信号。这样，可以获取针对第二信号的全极化回波数据，进而生成第二定标数据集合。也就是说，对于不同波段的第二信号(回波信号)，执行主体可以获取到与之对应的全极化回波数据。并且可以将该全极化回波数据作为第二定标数据，存储至第二定标数据集合。可以理解的是，第二定标数据集合的生成时间及存储位置在本申请中同样不限制。
在本实施例中，不同波段的第二信号一般也是执行主体可以接收并识别的信号。即主要是云雷达工作运行时所涉及到的波段信号。也就是说，第二信号的波段通常与第一信号的波段相同。
步骤203，根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正目标极化定标算法中的定标参数。
在本实施例中，根据步骤201中生成的第一定标数据集合，以及步骤202中生成的第二定标数据集合，执行主体可以对目标极化定标算法进行分析。从而可以校正目标极化定标算法(即极化散射矩阵)中的定标参数。这样，执行主体可以利用校正后的定标参数，来进行天气的实时探测，从而得到更为准确的测量结果。
作为示例，首先，执行主体可以根据第一定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，从而得到一组校正后的定标参数。之后，执行主体可以根据第二定标数据集合，再对目标极化定标算法进行分析，从而得到另一组校正后的定标参数。接着，执行主体可以对得到的两组校正后的定标参数进行分析，从而确定最终校正后的定标参数。例如，若两组校正后的定标参数的误差不大于预设误差值(如0.2)，则可以将任一组校正后的定标参数或两者定标参数的平均值，作为最终校正后的定标参数。又例如，若两组校正后的定标参数的误差大于预设误差值，则可以对两者定标参数进行加权处理，从而作为最终校正后的定标参数。
这里的目标极化定标算法可以是对云雷达进行极化定标而使用的各种算法。而定标参数可以是算法中需要确定的参数，如误差、串扰等。例如常见的whitt点目标极化定标算法，可以表示为：
M＝AejφRTST+N；
其中：M表示雷达测量得到的地物目标极化散射矩阵；A表示雷达总的绝对幅度增益因子；φ表示总相移；ejφ为相移的频域表示；R表示雷达接收失真矩阵；T表示雷达发射失真矩阵；S表示地物目标理论的归一化极化散射矩阵；N表示噪声增益矩阵，通常情况下可以忽略。
从上述公式可以看出，选取一些极化散射矩阵(S)已知的目标。经由云雷达测量得到其实际散射矩阵(M)后，解除极化失真矩阵(R和T)。然后，将所求得的失真矩阵应用到极化散射矩阵(S)未知的成像区域，从而可以完成定标任务。
本实施例提供的用于云雷达的极化定标方法，通过获取云雷达对第一信号的接收数据，可以生成第一定标数据集合，即有源极化定标数据。并且通过获取云雷达对第二信号的全极化回波数据，可以生成第二定标数据集合，即无源极化定标数据。其中，第一信号可以为有源定标器发射的不同波段信号；而第二信号可以为云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号。从而根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，可以对目标极化定标算法进行分析，实现该算法中定标参数的校正。也就是说，将有源极化定标与无源极化定标相结合，这样可以有助于提高定标结果的准确度。
在本实施例的一些可选地实现方式中，有源定标器可以包括标准信号源和至少一个发射天线。这样，通过标准信号源可以输出不同波段的连续波信号。且通过至少一个发射天线可以将各波段连续信号，分别在不同极化状态下发射出去。需要说明的是，为了实现不同波段信号，标准信号源输出信号的频率和功率不同。这样可以满足不同的定标测试需求。
在这里，不同极化状态主要是指至少一个发射天线的安装设置状态。作为示例，为了简化定标算法，发射天线的不同极化状态可以包括水平极化状态、垂直极化状态和相对于水平方向倾斜45°极化状态。并且云雷达可以包括一对正交的接收天线，例如水平极化接收天线和垂直极化接收天线。即对于某一波段的第一信号，云雷达的接收数据可以包括水平极化接收天线的接收数据和垂直极化接收天线的接收数据。
作为示例，请参见图3，其示出了本申请实施例中的有源极化定标的一个场景示意图。这里的有源定标器可以包括两个正交的发射天线。其中，一个发射天线处于水平极化状态；另一个发射天线处于垂直极化状态。并且两个发射天线中的至少一个发射天线的安装角度可调节。这样可以实现两个发射天线之间交叉角度的调整，以及相对于水平方向倾斜45°极化状态的实现。以某一波段信号为例，对第一定标数据的采集过程进行详细描述：
步骤1：云雷达平台调平。使用激光测距仪获取架设的某一波段有源定标器的天线的大致距离、方位、仰角信息，以便调整好云雷达天线。
步骤2：将标准信号源和一对发射天线放置于500米的高楼上。如图3所示，用射频微波同轴测试电缆进行连接，用于发射信号。其中一个发射天线处于水平极化状态(即如图4A所示，喇叭天线中探针的方向与水平面平行)；另一个发射天线为垂直极化状态(即如图4B所示，喇叭天线中探针的方向与水平面垂直)。
步骤3：将一个发射天线(如水平极化状态的发射天线)用底座固定并架设于三脚云台上。调整该发射天线的水平和俯仰视角。使其视线方向均为俯视位于一定距离处的云雷达的接收天线。
步骤4：初始化标准信号源，设置参数，使其输出某一波段连续波信号。设置对应该波段的输出信号的工作频率，并且设置对应该波段信号源的辐射功率。之后通过水平极化天线辐射出去。
一般而言，云雷达的接收机系统的各个接收通道(即接收天线)的增益互不相同。目标后向散射的同向极化分量远大于交叉极化分量。这里的同向极化主要是指接收天线与发射天线的极化状态相同，如水平极化接收天线接收水平极化发射天线所发射的信号。而交叉极化主要指接收天线与发射天线的极化状态不同(存在交叉情况)，如垂直极化接收天线接收水平极化发射天线发射的信号。因此，为了使交叉极化分量信号电平能够保持在模数转换器的最佳转换范围内，就必须相应提高交叉极化通道增益。接收通道之间的这个增益差别通常在信号处理中需要消除掉，以确保前述极化定标算法成立。
其中，PdBm表示单位转换后的功率；Pmw表示单位转换前的功率。例如，当发射功率为300kw，由此公式计算约等于84.77dBm。而定向耦合器的耦合度一般为40dBm左右。耦合器端口输出信号约为45dB(dBm的差值为dB)。系统内定标接收系统动态曲线中，低端拐点与高端拐点所对应的输入测试信号功率值的差值，定为接收机系统动态范围。一般云雷达的最小可测功率为-108dBm左右，接收机的动态范围一般在85dB至95dB，则接收机前端输入的信号最大值应在-13dBm左右。如果小于-23dBm，则无法保障动态最低范围的测试需求。如果大于-10dBm，则无法满足小信号动态范围测试要求。为此，需要根据不同频段发射信号进行标准信号源输出功率动态范围调整。
例如，可以根据需要定标测试的云雷达设备系统，来设置标准信号源输出信号的频率。如S波段测试时，信号源的频率可以设置为2至4GHz。如C波段测试时，信号源频率的设置范围可以为4至8GHz。如X波段测试时，信号源频率的设置范围可以为8至12.5GHz。如Ku波段测试时，信号源频率的设置范围可以为12.5至18GHz。如K波段测试时，信号源频率的设置范围可以为18至26.5GHz。如Ka波段测试时，信号源频率的设置范围可以为26.5至40GHz。
此外，还可以根据需要定标测试的云雷达设备系统，来设置标准信号源输出信号的功率。如X波段输出信号的功率可以设置为-40dBm左右。如果接收信号采集异常，可以进一步调整信号源的输出功率，其设置范围为[-80dBm,-35dBm]。如Ku波段输出信号的功率可以设置为-35dBm左右。如果接收信号采集异常，可以进一步调整信号源的输出功率，其设置范围为[-80dBm,-30dBm]。如Ka波段输出信号的功率可以设置为-40dBm左右。如果接收信号采集异常，可以进一步调整信号源的输出功率，其设置范围为[-80dBm,-32dBm]。
步骤5：将云雷达的接收机开机(但发射机不开)。采用体扫来寻找目标(即有源定标器的发射天线)。根据有源极化定标现场测验经验，方位范围一般为176.6°至186.6°，俯仰范围一般为7.5°至9.5°，方位速度可以为每秒0.5°，俯仰步进0.5°。根据图1所示设置的定标测试场景，发射天线俯角可以为8°至9°，接收天线仰角可以为8.5°。发射天线方位指向正北偏东5°左右，接收天线方位指向在93.5°。即接收天线指北后为181.49°，此时可以使用与云雷达信号处理器相配的用户终端程序(如WRSP5View软件)，来实时显示回波信息，以手动机械调节方位为93.5°(方位指北后实际GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)方位为181.49°，相隔88°)。其中，俯仰角为8.5°时，接收功率最大，为52.5dBm。现场测试中发现，发射天线方位角度在对准时(接收功率最大的位置)。若方位左偏5°，则接收功率降低0.2dB左右。若方位右偏5°，则接收功率降低0.1dB左右。
步骤6：获取目标后，令与步骤4中设置的某一波段对应频段的接收机，来接收水平和垂直两个极化通道的数据，分别得到SHH和SVH数据。其中，SHH为水平极化接收天线对水平极化发射天线所发射的信号的接收数据；而SVH为垂直极化接收天线对水平极化发射天线所发射的信号的接收数据。也就是说，H表示水平极化方向；V表示垂直极化方向。
需要说明的是，通常情况下，正交偏振波信号较弱，故要求云雷达系统有较高的灵敏度。因此，在获取接收数据之前，需要调整水平极化接收天线与垂直极化接收天线之间的隔离度。从而使步骤6中SHH的信号幅度与SVH的信号幅度的比值位于第一预设范围。这里的第一预设范围可以根据实际情况进行设置，如可以为5至10(即两者功率的绝对值至少相差13dB)。若比值位于第一预设范围内，则可以说明正常。若比值小于3，则为异常。
具体地，在不考虑交叉极化和大气衰减等因素的影响的情况下，差分反射率因子ZDR表示为：
其中，PH表示水平极化回波功率；PV表示垂直极化回波功率。
若令由交叉极化引入的差分反射率因子误差表示为σZDR，且设天线交叉极化电平为-30dB，则受到交叉极化影响的差分反射率因子表示为：
由此可见，差分反射率因子误差为：
对于气象目标，差分反射率因子ZDR大小一般在-1dB至5dB之间。通过计算，当ZDR＝5dB，交叉极化电平在-30dB、-20dB时，引起的误差分别为-0.0121dB、-0.1232dB，相对误差分别为-0.243％、2.462％。根据云雷达系统性能指标要求，故上述交叉极化接收天线间的功率的绝对值相差下限可以为13dB。
步骤7：令标准信号源输出同一波段的连续波信号。其中，信号参数(如频率、功率等同步骤4)保持不变。此时，将发射信号切换到通过垂直极化状态的发射天线辐射出去。这时，将云雷达开机，且让其与该波段对应的接收机，来接收水平和垂直两个极化通道的数据。可以分别获取到SHV和SVV数据。
需要说明的是，这里的SVV的信号幅度与SHV的信号幅度的比值同样可以位于第一预设范围。例如可以为5至10(即两者功率的绝对值至少相差13dB)。若比值位于第一预设范围内，则可以说明正常。若比值小于3，则为异常。
步骤8：令标准信号源输出同一波段的连续波信号。其中，信号参数同步骤4和步骤7保持不变。此时，将高楼上水平极化状态的发射天线(相对于水平方线)倾斜45°，从而将发射信号通过其辐射出去。同样，将云雷达开机，且让与该波段对应的接收机，来接收水平和垂直两个极化通道的数据。可以分别获取到和/>数据。
需要说明的是，这里的的信号幅度与/>的信号幅度的比值可以位于第二预设范围。这里的第二预设范围同样可以根据实际情况进行设置，如0.5至2(即功率绝对值的差值不大于6dB，即两者功率的绝对值相差不足6dB)。若比值位于第二预设范围内，则可以说明正常。若比值小于0.5或大于2，则为异常。
在这里，有源极化定标归一化散射矩阵可以表示为：
其中，α为有源定标器的发射天线相对于云雷达视线的旋转角度。因此，当α＝0°、α＝45°以及α＝90°时，散射矩阵分别为：
和/>
另外，有源定标点目标的雷达散射截面积RCS可以表示为：
其中，Ge表示放大器增益；Ga表示天线增益；λ表示波长；π表示圆周率。
步骤9：以上为有源极化定标中，针对某一波段发射信号，采集与之对应的第一定标数据的完整过程。并且为了确保数据的准确性和可重复性，在发射天线的每一个极化状态下，云雷达系统可以采集多次(如至少十次)数据。对以上步骤6至步骤8获取到的各波段信号的SHH、SVH、SHV、SVV、和/>数据进行保存，从而生成第一定标数据集合。
需要说明的是，上述采集过程均是在云雷达系统的内定标过程完成后进行的。若获取的数据的比值差异不在上述要求范围内，可以适当调整云雷达的接收天线与有源定标器的发射天线之间的相应位置。主要可以调整收发天线的方位和俯仰角度。另外，尽可能根据设备放置的相对位置，轻微缓慢调整发射天线的水平和垂直度数，以保证云雷达能够准确地接收到不同角度的发射信号。此外，为了达到更好的定标效果，云雷达与有源定标器之间的水平距离可以不小于第一距离值(如400米)。如图3所示，云雷达301与有源定标器302之间的水平距离为600米左右。
在一些应用场景中，上述垂直极化状态的发射天线可以由水平极化状态的发射天线旋转90°来替代。或者水平极化状态的发射天线可以通过旋转垂直极化状态的发射天线来得到。
在本实施例的有源极化定标中，采用有源定标器作为定标目标。其在无噪声情况下，对于上述极化定标算法中的R和T矩阵的解通常是准确的。且在方位向、距离向上都有很宽的波束宽度。调整放大器、天线增益可以使RCS很大。定标工作在交叉极化情况下比较容易实现，保证正交极化天线彼此间有较低的交叉耦合。而且可以实现不同波段信号的灵活切换，以满足不同云雷达的定标需求。此外，采用一对发射天线的形式，通过控制便可以方便有效地实现不同定标目标的散射矩阵。这样可以减少通过旋转天线来实现不同的散射矩阵而产生的极化误差。同时，设备体积小，搬运灵活，易于实现。
可选地，为了实现无源极化定标中不同定标目标的散射矩阵，云雷达可以通过两个极化发射天线，向处于不同旋转角度的二面角反射器发射同一波段信号。这样经过反射，可以形成不同旋转角度下的该波段回波信号。相当于不同定标目标分别向云雷达发射同一波段信号。
在这里，为了简化定标过程，提高处理效率，上述不同旋转角度可以包括二面角反射器相对于云雷达的视线旋转0°、45°和90°。同时，为了提高数据的采集效率，上述全极化回波数据可以包括云雷达的HH通道回波数据、VH通道回波数据、HV通道回波数据和VV通道回波数据。
作为示例，继续参见图5，其示出了本申请实施例中的无源极化定标的一个场景示意图。以某一波段信号为例，对第二定标数据的采集过程进行详细描述：
步骤10：根据测试场景要求，在一定距离处用支撑杆架起作为定标器的二面角反射器。调整云雷达的极化发射天线，朝架设的二面角反射器方向照射。
需要说明的是，云雷达除了能提供体扫描模式外，还应该提供平面位置扫描(PPI，Plan Position Indicator)与距离高度扫描(RHI，Range Height Indicator)两种扫描模式。并且还可以支持俯仰角扫描的实现。通常规定雷达的监测空间范围为：方位角0°至360°、仰角-2°至+90°。根据理论计算，为了保证所得降水粒子回波垂直分布剖面信息的数据满足一定的精度(如：ZDR＜0.2dB)的要求，必须进行多达16至64对数据的采样。那么在一个对应的方位角里，需要采集要求数量的数据，处理时间就要求很快。当云雷达触发脉冲频率为500Hz，采样16对数据，则采样时间为64毫秒。加上计算机的数据处理时间，总共需要100毫秒左右。而天线转一周的时间一般需要20至30秒，显然选择体扫描是不适用的。PPI扫描模式下，方位扫描范围为0°至360°连续扫描，速度为每秒0°至36°。RHI扫描模式下，选定方位后，仰角扫描范围为-2°至+30°往返扫描，速度为每秒0°至12°。由此可知，RHI扫描模式比较适合。因此，本实施例在无源极化定标中采用RHI扫描模式。
步骤11：如图6所示，将二面角反射器水平放置于支撑杆的顶端。其中，H表示水平极化方向；V表示垂直极化方向。此时将云雷达开机，且让双极化发射天线向二面角反射器发射某一波段信号。同时让接收机接收回波，从而可以获取到该波段信号的全极化回波数据SHH1、SVH1、SHV1、SVV1。
若二面角反射器围绕雷达视线旋转一定的角度，假设为α，则点目标的散射矩阵将会发生一定的改变，其旋转变换矩阵因子可以表示为：
其中，T为旋转变换矩阵因子。则由旋转角度后所引起散射矩阵的变化模型可以表示如下：
Sα＝TST-1；
其中，Sα表示含有角度旋转畸变的散射矩阵；S表示二面角反射器的理论散射矩阵。
根据上述两公式，在已知旋转角度的情况下，可以求出点目标旋转一定角度之后的散射矩阵。即旋转α角度之后的二面角反射器的散射矩阵为：
由此可知，水平放置(0°)的二面角反射器的理论(归一化处理)散射矩阵为：
此外，旋转角度的大小往往也会对幅度和相位产生影响，但影响的方式不一样。一般情况下，幅度误差的变化趋势为开口向下的抛物线形式。而相位误差变化为线性递减函数形式。
步骤12：将二面角反射器垂直放置于支撑杆的顶端。将云雷达开机，且让双极化发射天线向二面角反射器发射某一波段信号(发射信号参数与步骤11相同)。同时让接收机接收回波，从而可以获取到该波段信号的全极化回波数据SHH2、SVH2、SHV2、SVV2。
垂直放置(90°)的二面角反射器的理论(归一化处理)散射矩阵为：
由归一化理论散射矩阵可知，此种姿态下的二面角反射器具有以下散射特性：水平极化(HH极化)和垂直极化(VV极化)的相位是相等的；同极化的后向散射截面相等(即HH＝VV)；交叉极化分量为零(HV＝VH＝0)。
实际中(除去内定标数据差异后)，二面角反射器的同极化响应在偏离水平和垂直极化±45°的线性极化处出现两个最小值。而交叉极化在同样的位置一般会出现两个最大值。同极化之间的差异相对较小。同极化和交叉极化信号幅度的差异在两倍以上，功率差异在6dB以上才有可能进行极化标定。同极化和交叉极化响应之间之所以出现大的差异，是由于入射波被角反射器多反射一次，使得SHH和SVV产生180°相移导致的，从而出现极化响应差异。
步骤13：将二面角反射器倾斜45°放置于支撑杆的顶端。将云雷达开机，且让双极化发射天线向二面角反射器发射某一波段信号(发射信号参数与步骤11、12相同)。同时让接收机接收回波，从而可以获取到该波段信号的全极化回波数据SHH3、SVH3、SHV3、SVV3。
可以理解的是，从二面角反射器散射的电磁波将会在反射器的每个面都会反射一次，使得最终返回的电磁波方向与其入射时的方向平行。在实际应用中，还需考虑二面角反射器的外观尺寸大小等因素。故二面角反射器的散射矩阵具体可以表示为：
其中，k表示散射参数；如图6所示，a、b表示二面角反射器的尺寸；α表示二面角反射器相对于雷达视线的偏转角度。
倾斜放置(45°)的二面角反射器的理论(归一化处理)散射矩阵为：
步骤14：以上为无源极化定标中，针对某一波段发射信号，采集与之对应的第二定标数据的完整过程。并且为了确保数据的准确性和可重复性，在每一个状态(更换二面角反射器朝向)下，云雷达系统可以采集多次(如至少十次)数据。对以上步骤11至步骤13获取到的各波段信号的SHH1、SVH1、SHV1、SVV1、SHH2、SVH2、SHV2、SVV2、SHH3、SVH3、SHV3、SVV3等数据进行保存，从而生成第二定标数据集合。
通过以上描述可知，无源极化定标的问题通常可以理解为从测量矩阵中得到地物实际的散射矩阵的过程。为了实现这一目标，我们需要首先对复数因子和定标矩阵的值进行估计。如果确定了这两个变量，将其代入极化定标算法的定标模型中，便可根据观测的散射矩阵来恢复地物的实际散射矩阵。根据极化定标问题的基本算法，且理论散射矩阵已知的情况下，只需要利用二面角反射器作为点目标来推导散射矩阵。
此外，研究表明最有效的无源极化校准(定标)方法是目标旋量校准算法。该算法中用到三个定标体即0°、45°、90°二面角反射器。将三个定标体的测量值和理论值分别在Pauli基上进行分解。然后便可建立测量值和理论值分解系数以及系统误差矩阵的方程，求解方程就可得到系统误差矩阵。该算法没有简化误差模型，且通用性好。
可以理解的是，在第二定标数据的采集过程中，同样也希望水平和垂直两通道的隔离度越大越好，但是不可能做到无穷大。因此在这里，云雷达的交叉极化天线间的隔离度可以不小于预设值。其中，交叉极化天线通常指水平极化发射天线与垂直极化发射天线、水平极化接收天线与垂直极化接收天线。这里的预设值可以根据实际情况设置。例如当隔离度为20dB时，发射水平偏振波会有百分之一的发射功率漏射入垂直通道。现假设计算的回波功率PdBm＝-83.2dBm，根据公式计算得Pmw＝4.7863×10-9mw，其百分之一的功率经换算后为-103.2dBm。而一般云雷达的灵敏度为-108dBm，因此会引起测量误差。故一般要求隔离度保证在25dB以上。
需要说明的是，在除去云雷达系统的内定标数据误差后(也即内定标过程顺利完成后)，若获取的数据不能达到上述不同极化间差异要求，可以适当调整云雷达的天线相对二面角反射器的位置。主要可以调整云雷达的收发天线的方位和俯仰角度，以确保尽可能准确地水平和垂直收发信号，但不可大幅度调整。同时，为了达到更好的定标效果，云雷达与二面角反射器之间的水平距离可以不小于第二距离值。如图5所示，云雷达501与二面角反射器502之间的水平距离为500米左右。此外，在无源极化定标过程中，不仅可以利用理论计算值与定标结果进行比较，也可以采用其他验证定标结果的方法。例如可以利用对数曲线观测定标结果的方法。
进一步地，在上述两种极化定标过程中，各指标通常是可以达到的。若不能达到，可能存在以下两方面的问题：一是，内定标数据差异较大，不能正常标定收发通道数据。二是，外定标过程存在问题。对于有源定标，云雷达周边环境遮挡影响较大，或有源定标的发射天线姿态存在较大差异，或定标的发射天线与云雷达的接收天线之间的水平/垂直方向存在较大差异。对于无源定标，二面角反射器和云雷达之间的相对关系存在问题，或地面反射信号较大。
下面参见图7，作为对上述各图所示方法的实现，本申请还提供了一种用于云雷达的极化定标装置的一个实施例。该装置实施例与上述各实施例所示的方法实施例相对应。该装置具体可以应用于各种电子设备中。
如图7所示，本实施例的极化定标装置700可以包括：第一获取单元701，用于获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合，其中，第一信号为有源定标器发射的不同波段信号；第二获取单元702，用于获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合，其中，第二信号为云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号；校正单元703，用于根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正目标极化定标算法中的定标参数。
在一些实施例中，有源定标器可以包括标准信号源和至少一个发射天线，用于分别在不同极化状态下发射各波段信号，其中，对于不同波段信号，标准信号源输出信号的频率及功率可以不同。
可选地，接收数据可以包括云雷达的水平极化接收天线和垂直极化接收天线的接收数据；以及不同极化状态可以包括水平极化状态、垂直极化状态和相对于水平方向倾斜45°极化状态。
进一步地，有源定标器可以包括两个发射天线，一个发射天线处于水平极化状态，另一个发射天线处于垂直极化状态，且两个发射天线中的至少一个发射天线的安装角度可调节。
在一些应用场景中，该装置700还可以包括调整单元(图7中未示出)，用于：调整水平极化接收天线与垂直极化接收天线间的隔离度；其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围。
可选地，该装置700还可以包括发射单元(图7中未示出)，用于：通过两个极化发射天线，向处于不同旋转角度的二面角反射器发射同一波段信号，以形成不同旋转角度下的该波段回波信号。
在一些实施例中，不同旋转角度可以包括二面角反射器相对于云雷达的视线旋转0°、45°和90°；以及全极化回波数据可以包括：云雷达的HH通道回波数据、VH通道回波数据、HV通道回波数据和VV通道回波数据，其中，云雷达的交叉极化天线间的隔离度不小于预设值。
进一步地，云雷达与有源定标器之间的距离可以不小于第一距离值，且云雷达与二面角反射器之间的距离可以不小于第二距离值。
可以理解的是，该装置700中记载的诸单元与参考图2描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作、特征以及产生的有益效果同样适用于该装置700及其中包含的单元，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种用于云雷达的极化定标系统。该系统可以包括：有源定标器、云雷达和二面角反射器。如图8所示，其示出了该系统的一个实施例的工作时序图。
在步骤801中，有源定标器通过发射天线可以向云雷达发送不同波段的第一信号。例如，有源定标器首先可以通过处于水平极化状态的发射天线，向云雷达发射S波段信号。
在步骤802中，云雷达可以通过接收天线，对有源定标器发射的第一信号进行接收。从而可以获取针对第一信号的接收数据，并生成第一定标数据集合。例如，对于水平极化发射天线发射的S波段信号，云雷达可以获取到与该信号对应的水平极化接收天线的信号数据SHH以及垂直极化接收天线的信号数据SVH。
在步骤803中，云雷达还可以通过自身的极化发射天线，向二面角反射器发射不同波段信号。例如，云雷达可以通过水平极化发射天线和垂直极化发射天线，同时向二面角反射器发射S波段信号。
在步骤804中，二面角反射器可以对云雷达发射的不同波段信号进行反射，从而形成不同波段的第二信号(即回波信号)。即将云雷达发射的信号经过反射，重新发射给云雷达。例如，二面角反射器可以对水平极化发射天线发射的S波段信号进行反射，形成与其平行的S波段回波信号，发射给云雷达。并且可以对垂直极化发射天线发射的S波段信号进行反射，形成与其平行的S波段回波信号，发射给云雷达。
在步骤805中，云雷达同样可以通过接收天线，对二面角反射器形成的第二信号进行接收。从而可以获取针对第二信号的全极化回波数据，并生成第二定标数据集合。例如，对于水平极化发射天线发射的S波段信号所形成的回波信号，云雷达可以获取到与其对应的水平极化接收天线的信号数据SHH以及垂直极化接收天线的信号数据SVH。同时，对于垂直极化发射天线发射的S波段信号所形成的回波信号，云雷达可以获取到与其对应的水平极化接收天线的信号数据SHV以及垂直极化接收天线的信号数据SVV。
在步骤806中，云雷达可以根据第一定标数据集合和第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析。从而可以校正该目标极化定标算法中的定标参数。可以参见图2实施例中的相关描述，此处不再赘述。
本实施例提供的极化定标系统，可以适用于多频段的云雷达。也就是说，对于处于不同频段的云雷达，该系统都能够满足要求，且可以按要求完成相应的极化定标任务。并且不同频段之间切换灵活，并能够保持相对稳定，互不影响。而且可以全天候开展极化定标工作，操作过程一般不受天气影响，可行性高。此外，该系统采用多发多收结构，系统搭建便捷，且设备造价相对较低，操作简单。从而有助于节省大量的人力物力资源。对定标周围环境要求不苛刻，可以实现360度全方位场景的测试。
可以理解的是，附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。例如，第一获取单元还可以被描述为“获取针对第一信号的接收数据的单元”。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种用于云雷达的极化定标方法，其特征在于，包括：
获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合，其中，所述第一信号为有源定标器发射的不同波段信号；
获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合，其中，所述第二信号为所述云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号；
根据所述第一定标数据集合和所述第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正所述目标极化定标算法中的定标参数；
所述有源定标器包括标准信号源和至少一个发射天线，用于分别在不同极化状态下发射各波段信号，其中，对于不同波段信号，所述标准信号源输出信号的频率及功率不同；
所述接收数据包括所述云雷达的水平极化接收天线和垂直极化接收天线的接收数据；以及
所述不同极化状态包括水平极化状态、垂直极化状态和相对于水平方向倾斜45°极化状态；
所述获取针对第一信号的接收数据之前，所述方法还包括：
调整所述水平极化接收天线与所述垂直极化接收天线间的隔离度；
其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及
对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有源定标器包括两个发射天线，一个发射天线处于水平极化状态，另一个发射天线处于垂直极化状态，且所述两个发射天线中的至少一个发射天线的安装角度可调节。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取针对第二信号的全极化回波数据之前，所述方法还包括：
通过两个极化发射天线，向处于不同旋转角度的二面角反射器发射同一波段信号，以形成不同旋转角度下的该波段回波信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述不同旋转角度包括所述二面角反射器相对于所述云雷达的视线旋转0°、45°和90°；以及
所述全极化回波数据包括：所述云雷达的HH通道回波数据、VH通道回波数据、HV通道回波数据和VV通道回波数据，其中，所述云雷达的交叉极化天线间的隔离度不小于预设值。
5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述云雷达与所述有源定标器之间的距离不小于第一距离值，且所述云雷达与所述二面角反射器之间的距离不小于第二距离值。
6.一种用于云雷达的极化定标装置，其特征在于，包括：
第一获取单元，用于获取针对第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合，其中，所述第一信号为有源定标器发射的不同波段信号；
第二获取单元，用于获取针对第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合，其中，所述第二信号为所述云雷达向二面角反射器发射不同波段信号而形成的回波信号；
校正单元，用于根据所述第一定标数据集合和所述第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正所述目标极化定标算法中的定标参数；
有源定标器，所述有源定标器包括标准信号源和至少一个发射天线，用于分别在不同极化状态下发射各波段信号，其中，对于不同波段信号，所述标准信号源输出信号的频率及功率不同；
所述第一获取单元还用于，调整水平极化接收天线与垂直极化接收天线间的隔离度；
其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及
对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围；
所述极化定标装置还包括调整单元，所述调整单元用于，调整所述水平极化接收天线与垂直极化接收天线间的隔离度；
其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及
对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围。
7.一种用于云雷达的极化定标系统，其特征在于，包括：
有源定标器，用于向所述云雷达发射不同波段的第一信号；
二面角反射器，用于对所述云雷达发射的不同波段信号进行反射，形成不同波段的第二信号；
所述云雷达，用于获取针对所述第一信号的接收数据，生成第一定标数据集合；获取针对所述第二信号的全极化回波数据，生成第二定标数据集合；根据所述第一定标数据集合和所述第二定标数据集合，对目标极化定标算法进行分析，校正所述目标极化定标算法中的定标参数；
所述有源定标器包括标准信号源和至少一个发射天线，用于分别在不同极化状态下发射各波段信号，其中，对于不同波段信号，所述标准信号源输出信号的频率及功率不同；
所述云雷达还用于，调整水平极化接收天线与垂直极化接收天线间的隔离度；
其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及
对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围；
所述云雷达还用于，调整所述水平极化接收天线与垂直极化接收天线间的隔离度；
其中，对于处于水平和垂直极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第一预设范围；以及
对于处于倾斜45°极化状态的发射天线所发射的信号，两者所接收的信号的幅度的比值位于第二预设范围。
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| "SIR-C polarimetric calibration by using polarization selective dihedrals and a polarimetric active radar calibrator";Masaharu Fujita等;《IEEE》;19971231;第1941-1943页 * |
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