CN110907904A - 一种太阳法方位波束宽度修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳法方位波束宽度修正方法，属于雷达天线测试的技术领域，该方法包括以下步骤：将雷达天线对准太阳中心位置，控制雷达天线从太阳中心位置进行扫描，以采集IQ数据；对采集的IQ数据进行分析计算并绘制太阳法方向图；根据太阳法方向图获取太阳法波束宽度；分析了太阳法方位波束宽度随太阳高度角变化的规律以及原因；依据太阳高度角对波束宽度进行修正以获取修正值，得到天线波束宽度值；对比修正值与天线出厂值，计算订正精度；改进算法后，波束宽度测试结果更加稳定，大大提高了波束宽度的测试精度，能更好地应用于业务雷达的天线参数的标校分析，其操作简单、精准而使国内雷达厂家、用户大大减少测试成本、提升雷达测试精度。

Description

一种太阳法方位波束宽度修正方法

技术领域

本发明属于雷达天线测试的技术领域，具体而言，涉及一种太阳法方位波束宽度修正方法。

背景技术

天气雷达天线参数是衡量雷达探测精度和数据质量的重要指标。天线的方向图是表示天线辐射能量在空间的分布情况，测量天线辐射特性十分重要，可通过对天线方向图的测量推导出天线主瓣宽度、天线指向等指标。

目前国内大多采用远场条件下标校塔上安放信号源的来进行天线参数的测试，远场测试不仅费时费力，而且需要在远场放置标准增益天线和信号源，容易受到地面和周围环境的反射影响，不便于对天线参数进行长期实时监测。太阳作为一个天然的噪声源，其辐射频谱宽，极化特性已知，雷达接收机能够接收到太阳噪声，因此可利用太阳作为信号源对雷达天线参数进行测试。

天气雷达由于业务需要，架设位置均要求处于制高点且周边一两百公里无遮挡，使天气雷达天线指标的定期不定期测试带来了极大不便。纵然架设铁塔测试，也因设备笨重、电源不便、操作不便、测试精度差等不足而无法普及，所以目前该项指标测试虽然重要，但由于无法实施而不做强行测试要求，而少数测试也会利用传统太阳法定性测试，只要“大致”满足即可，精度和准确度较低。

射电源(Radio Source)是指能向外辐射电磁波的恒星、行星及星云等天体,对于地球来说，太阳是能流密度较大的射电源，具有较宽的频谱域且极化特性已知；太阳噪声即是太阳对外辐射的射电电磁波。因此，在天气雷达研究领域，可以将太阳作为雷达的一个天然信号源，且绝对满足远场条件，在雷达天线测试及标定方面具有较高的应用价值和广泛的应用前景。

现有技术中，在不同太阳高度角下的计算结果不稳定，在实际试验结果中，太阳高度角范围为20°～50°时，波束宽度实测值与理论值的误差范围为0.06°～0.26°，误差较大，对此，在本申请中基于太阳法测试天线方向图的方法，提出了一种太阳法方位波束宽度修正方法，与业界提出的修正方法相比，提高了波束宽度测量精度。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种太阳法方位波束宽度修正方法以达到改进方位波束宽度修正算法，以实现波束宽度测试结果更加稳定，且测试精度较高的目的，能够应用于业务雷达天线定标测试。

本发明所采用的技术方案为：一种太阳法方位波束宽度修正方法，该方法包括以下步骤：

(1)将雷达天线对准太阳中心位置，控制雷达天线从太阳中心位置(-3°～+3°)分别进行方位和俯仰扫描，同时采集IQ数据；

(2)对采集的IQ数据进行处理和分析，根据提取的信息绘制太阳法方向图；

(3)根据太阳法方向图计算获取太阳法波束宽度；

(4)首先分析太阳法方位波束宽度随太阳高度角变化的规律，找到方位波束宽度变化的原因，根据太阳高度角对波束宽度进行修正以获取修正值，且太阳高度角为雷达天线对准太阳中心位置时的天线仰角；

(5)对比修正值与天线出厂值，计算订正精度。

进一步地，所述步骤(1)中采集IQ数据的条件为：在太阳高度角为20°～50°范围时，雷达天线对准太阳中心位置，控制雷达天线从太阳中心位置-3°～3°分别进行方位和俯仰扫描，以采集满足要求的IQ数据。

进一步地，所述步骤(2)中对采集的IQ数据进行分析计算以获取方位角度信息、俯仰角度信息、方位角度所对应的太阳噪声功率值以及俯仰角度所对应的太阳噪声功率值，以用于后期建立和绘制太阳法方向图。

进一步地，所述步骤(3)具体包括：

1)在太阳法方向图中对采集到的噪声峰值功率Np以下4dB为切断功率点Pc，再去掉切断功率点Pc以下的数据；

2)对剩余数据进行抛物线平滑拟合；

3)对平滑拟合之后的数据进行插值处理，找到噪声峰值功率Np减少3dB后两个值之间的夹角，即为使用太阳法计算得到的波束宽度，以获取太阳法方位波束宽度的测试值。

进一步地，所述步骤2)中抛物线平滑拟合为：

比较邻近两个点采集的太阳噪声功率值；

若太阳噪声功率值超出±3dB范围，则中心点值采用与中心点相邻的两点值的平均值代替，通过拟合抛物线Ax²+Bx+c＝0平滑数据。

进一步地，所述步骤(4)中具体包括：

a.根据天线扫描的空间几何关系得到方位波束宽度测试值与真实值的关系，

θ₁＝θ₂·cosβ (1)

其中，θ₁表示波束宽度的真实值，θ₂表示波束宽度的测试值；

b.根据太阳光学角径的波束宽度修正公式：

式中θ₀为波束宽度的真实值，θ_A为修正值，θ_S为太阳光学角径；将(1)式带入(2)式，得太阳法方位波束宽度修正公式：

式中θ_real为波束宽度的修正值；

c.将太阳法方位波束宽度的测试值带入式(3)中，以获取波束宽度的修正值

通过该太阳法方位波束宽度修正公式进行修正，能够大大提高太阳法方位波束宽度的计算精度，能更好地应用于业务雷达的天线参数的标校分析。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所公开的太阳法方位波束宽度修正方法，将太阳作为检测信号源对天气雷达天线参数测试，并通过采集太阳噪声功率、绘制太阳法方向图、获取太阳法波束宽度以及依据太阳高度角对波束宽度进行订正，并对比分析了方位波束宽度算法改进前后对波束宽度的测量精度，结果表明，改进算法后，波束宽度测试结果更加稳定，且测试精度较高。

2.采用本发明所公开的太阳法方位波束宽度修正方法，能够大大提高太阳法方位波束宽度的计算精度，使用该方法订正后的修正值与天线波束宽度出厂值的误差最高能达到0.008°，大大提高了波束宽度的测试精度，能更好地应用于业务雷达的天线参数的标校分析，其操作简单、精准而使国内雷达厂家、用户大大减少测试成本、提升雷达测试精度。

附图说明

图1是本发明所提供的太阳法方位波束宽度修正方法的工作流程图；

图2是本发明所提供的太阳法方位波束宽度修正方法中太阳法方向图绘制及测量过程示意图；

图3是本发明所提供的太阳法方位波束宽度修正方法在实施例中的太阳法方向图；

图4为太阳光学角径示意图；

图5为天线扫描的空间几何关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

技术术语解释

(1)太阳光学角径：如图4所示，在地球上观察到的太阳是有一定角径大小的，我们把它称为太阳光学角径。太阳作为离地球最近的恒星，近日点约1.47×108公里，远日点约为1.52×108公里，平均距离约为1.5×108公里。地球公转轨道半径为149597870公里，地球平均赤道半径为6378公里，太阳的平均赤道半径为696295公里。

太阳与地球的角径可用下面的计算公式得到：

θ_s＝2arctan(d/D) (1)

式中：d为太阳赤道半径；D为地球与太阳之间的距离。经计算得出，太阳光学角径约θ_S为0.53°，太阳光学角径可用于太阳法波束宽度的修正。

研究表明：只有当太阳的角径相对于雷达波束宽度满足θ_A/θ_S>5时，太阳法所测得的功率方向图才保持天线功率方向图的原来值。对于X波段天气雷达来说，波束宽度与太阳角径不满足上述条件，因此用太阳法实际所测得的方向图和天线功率方向图的半功率波束宽度并不一致，太阳法测得的波束宽度将被加宽，计算所得的波束宽度必须进行修正之后才能得到天线真实的波束宽度。

基于上述，如图1所示，在本实施例中具体提供了一种太阳法方位波束宽度修正方法，以使波束宽度测试结果更加稳定，且测试精度较高，该方法包括以下步骤：

(1)如图2所示，在太阳高度角为20°～50°范围时,将雷达天线对准太阳中心位置，控制雷达天线从太阳中心位置-3°～3°分别进行方位和俯仰扫描，同时以采集IQ数据。

(2)对采集的IQ数据进行分析计算，以获取方位角度信息、俯仰角度信息、方位角度所对应的太阳噪声功率值以及俯仰角度所对应的太阳噪声功率值，利用上述信息绘制太阳法方向图。

(3)如图3所示，根据太阳法方向图获取太阳法波束宽度，具体包括：

1)在太阳法方向图中找到峰值功率Np，对采集到的噪声峰值功率Np以下4dB为切断功率点Pc，再去掉切断功率点Pc以下的数据；

2)对剩余数据进行抛物线平滑拟合；具体为：比较邻近两个点采集的太阳噪声功率值；若太阳噪声功率值超出±3dB范围，则中心点值采用与中心点相邻的两点值的平均值代替，通过拟合抛物线Ax²+Bx+c＝0平滑数据；

3)对平滑拟合之后的数据进行插值处理，找到噪声峰值功率Np减少3dB后两个值之间的夹角，即是使用太阳法计算得到的波束宽度，也为太阳法方位波束宽度的测试值。

(4)目前业界提出一种依据太阳高度角订正太阳法方位波束宽度的算法，具体算法如下：

但是在实际应用中发现，随着太阳高度角的增高，使用该算法得到的波束宽度值与真实天线波束宽度值误差逐渐变大。

在本步骤中，根据太阳高度角对波束宽度进行修正以获取修正值，且太阳高度角为雷达天线对准太阳中心位置时的天线仰角；具体包括：

a.根据天线扫描的空间几何关系得到方位波束宽度测试值与真实值的关系，具体过程如下：

如图5所示，其中θ₁表示太阳法方位波束宽度的真实值，θ₂表示太阳法方位波束宽度的测试值，即步骤(3)中从太阳法方向图中计算得到的波束宽度，R₁为天线真实扫描半径，R₂为R₁到水平面的投影，L₁、L₂分别表示两段弧长。

由半径、弧长和圆心角的关系可知：

R₁与R₂的关系为：

R₂＝R₁·cosβ (5)

L₁＝L₂ (6)

由(1)、(2)、(4)式可得：

θ₁·R₁＝θ₂·R₂ (7)

由式(3)、(5)可得：

θ₁＝θ₂·cosβ (8)

其中，θ₁表示波束宽度的真实值，θ₂表示波束宽度的测试值；

b.根据太阳光学角径的波束宽度修正公式：

式中θ₀为实验得到的太阳法俯仰波束宽度，此处由于并未考虑到太阳高度角，也将其视为波束宽度的真实值；θ_A为波束宽度的修正值；θ_S为太阳光学角径；将(8)式带入(9)式，得太阳法方位波束宽度修正公式：

式中θ_real为波束宽度的修正值；将太阳法方位波束宽度的测试值带入式(10)中，以获取波束宽度的修正值。

(5)对比修正值与天线出厂值，计算订正精度，将太阳法方位波束宽度的测试值带入式(10)中，即可实现对波束宽度的订正并计算修正值，该修正值与天线出厂值的差即是订正精度。

基于本实施例所提供的太阳法方位波束宽度修正方法，试验数据举例如下：

在2019年5月10日8时～10时，太阳高度角范围为20°～50°，天气晴朗条件下，对一部X波段天气雷达进行了太阳法实验，得到不同仰角下的太阳法方位波束宽度值。该雷达天线相关参数如表所示：

表1全固态X波段双偏振天气雷达天线参数

从实验数据中，取不同仰角下十组数据，依据式(1)和式(10)所述波束宽度修正算法，对方位波束宽度进行修正，实验结果分别如表2和表3所示：

表2式(1)方位波束宽度修正算法实验结果

从表2实验结果来看，方位波束宽度的均方根误差为0.08，实际测出的方位波束宽度在不同仰角下变化较大，且随着仰角的增大，波束宽度修正值逐渐变小，方位波束宽度修正值与波束宽度出厂值的误差范围为0.03°～0.23°。

表3式(10)方位波束宽度修正算法改进后实验结果

改进波束宽度修正算法后，方位波束宽度与波束宽度出厂值误差范围为0.01～0.02°，方位计算的波束宽度的均方根误差为0.005。

表4波束宽度修正算法实验误差对比

从表4中可知，本实施例中所提出的太阳法方位波束宽度修正算法实验结果相较于传统算法的实验结果更稳定，且测试精度较高。

综合比较，本实施例提出的算法更适用于太阳法方位波束宽度的修正。对太阳法方位波束宽度修正算法进行验证，通过多次实验结果发现，改进太阳法方位波束宽度修正算法后，方位波束宽度修正值与天线波束宽度出厂值十分接近，测试精度明显优于业界提出的波束宽度修正算法。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种太阳法方位波束宽度修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将雷达天线对准太阳中心位置，控制雷达天线从太阳中心位置进行扫描，以采集IQ数据；

(2)对采集的IQ数据进行处理分析，并绘制太阳法方向图；

(3)根据太阳法方向图计算得到太阳法波束宽度；

(4)根据太阳高度角对波束宽度进行修正以获取修正值，且太阳高度角为雷达天线对准太阳中心位置时的天线仰角；

(5)对比修正值与天线出厂值，计算订正精度。

2.根据权利要求1所述的太阳法方位波束宽度修正方法，其特征在于，所述步骤(1)中采集IQ数据的条件为：在太阳高度角为20°～50°范围时，雷达天线对准太阳中心位置，控制雷达天线从太阳中心位置-3°～3°分别进行方位和俯仰扫描。

3.根据权利要求1所述的太阳法方位波束宽度修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中对采集的IQ数据进行处理和数据以获取方位角度信息、俯仰角度信息、方位角度所对应的太阳噪声功率值以及俯仰角度所对应的太阳噪声功率值。

4.根据权利要求1所述的太阳法方位波束宽度修正方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：

1)在太阳法方向图中对采集到的噪声峰值功率Np以下4dB为切断功率点Pc，再去掉切断功率点Pc以下的数据；

2)对剩余数据进行抛物线平滑拟合；

3)对平滑拟合之后的数据进行插值处理，找到噪声峰值功率Np减少3dB后两个值之间的夹角，即是使用太阳法计算得到的波束宽度。

5.根据权利要求4所述的太阳法方位波束宽度修正方法，其特征在于，所述步骤2)中抛物线平滑拟合为：

比较邻近两个点采集的太阳噪声功率值；

若太阳噪声功率值超出±3dB范围，则中心点值采用与中心点相邻的两点值的平均值代替，通过拟合抛物线Ax²+Bx+c＝0平滑数据。

6.根据权利要求1所述的太阳法方位波束宽度修正方法，其特征在于，所述步骤(4)中具体包括：

a.根据天线扫描的空间几何关系得到方位波束宽度测试值与真实值的关系，

θ₁＝θ₂·cosβ (1)

其中，θ₁表示波束宽度的真实值，θ₂表示波束宽度的测试值；

b.根据太阳光学角径的波束宽度修正公式：

式中θ₀为波束宽度的真实值，θ_A为修正值，θ_S为太阳光学角径；将(1)式带入(2)式，得太阳法方位波束宽度修正公式：

式中θ_real为波束宽度的修正值；

c.将太阳法方位波束宽度的测试值带入式(3)中，以获取波束宽度的修正值。

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