CN111781568A - 一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，包括如下步骤：建立极化散射矩阵失真模型；得到含误差的二面角、三面角观测矩阵；得到接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1；将模拟二面角、三面角中任一个点目标带入步骤S1建立的极化散射矩阵失真模型，可得到恢复后的幅度增益A1、绝对相位
Figure DDA0002539122720000011
对接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1求逆，联立观测矩阵，求出恢复矩阵；建立气象数据四通道回波真值，增加失真参数得到气象数据回波的观测值，将步骤S3中模拟定标体的失真矩阵应用到气象目标回波中，得到定标的恢复值，根据真实值、观测值、恢复值，评价定标质量。

Description

一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法
技术领域
本发明属于极化雷达信号处理领域，具体涉及一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法。
背景技术
极化气象雷达因能够有效提升降水的探测精度和气象粒子的识别能力而备受重视，它在多普勒气象雷达的基础上增加了极化功能，可发射水平极化波和垂直极化波以采集气象粒子的共极化回波和交叉通道回波。相比于传统多普勒气象雷达只能获得反射率因子(Z)、平均径向速(ARV)、速度谱宽(VSW)三个测量参数，双极化多普勒气象雷达还可以得到差分反射率(ZDR)、零延迟相关系数(CC)、差分相移(ΦDP)、差分相移率(KDP)、线性退极化比(LDR)等信息，并可基于这些参数开展降雨的定量估计、水凝物识别、雨滴谱反演等研究。双极化气象雷达能精准探测气象目标的极化散射特性。目标极化散射特性是气象分类识别和杂波抑制的前提。在实际中，双极化气象雷达由于发射和接收通道、水平天线(H)垂直天线(V)的隔离度有限，难免会引起通道间串扰。水平天线(H)和垂直天线(V)增益不同，会引起同极化通道不平衡和交叉极化通道不平衡问题。因此需要使用极化校准技术进行消除。早期的极化气象雷达定标采用金属球，测得水平反射因子和垂直反射因子来标定差分反射率。或者调整气象雷达指向，直接测雨滴的差分反射率与理论值0比较。甚者周期地对比气象雷达数据，找出方位向上的异常点，加以消除。
以上的极化气象雷达定标技术存在一些缺点，首先他们都没有考虑到通道间串扰和幅度不平衡问题，虽然这是极化SAR定标所考虑的，但是气象雷达定标同样适用。其次，仅对个别雷达参数定标，如反射率因子Z、差分反射率ZDR。由于对气象观测不仅评价ZDR，还需要更多的雷达探测参数。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的定标雷达参数少、雷达误差考虑不周的缺点，提供一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，包括如下步骤：
S1：建立极化散射矩阵失真模型；
S2：对模拟二面角、三面角添加接收失真矩阵R、发射失真矩阵T，幅度增益A和绝对相位
Figure BDA0002539122700000021
得到含误差的二面角、三面角观测矩阵；
S3：将步骤S2获得的模拟二面角、三面角观测矩阵带入算法流程，得到接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1；
S4：将模拟二面角、三面角中任一个点目标带入步骤S1建立的极化散射矩阵失真模型，可得到恢复后的幅度增益A1、绝对相位
Figure BDA0002539122700000022
S5：根据幅度增益A1、绝对相位
Figure BDA0002539122700000023
对接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1求逆，联立观测矩阵，求出恢复矩阵；
S6：建立气象数据四通道回波真值，增加失真参数得到气象数据回波的观测值，将步骤S3中模拟定标体的失真矩阵应用到气象目标回波中，得到定标的恢复值，根据真实值、观测值、恢复值，评价定标质量。
进一步的，所述步骤S1中极化散射矩阵失真模型具体为：
Figure BDA0002539122700000024
其中Oij是观测矩阵、Sij是真值矩阵、A是幅度增益、
Figure BDA0002539122700000025
是绝对相位、δ1～δ4是4个串扰定标参数，幅度相比于1足够小。f1～f2是幅度不平衡度。
进一步的，所述步骤S2中模拟的真实散射矩阵分为三面角真实散射矩阵、零度二面角真实散射矩阵和22.5°二面角真实散射矩阵，具体如下：
模拟的三面角真实散射矩阵为：S1＝[1 0；0 1]；
模拟的零度二面角真实散射矩阵为：S2＝[1 0；0 -1]；
模拟的22.5°二面角真实散射矩阵为：S3＝[0 1；1 -1]。
进一步的，所述步骤S3中的算法为Whitt算法。
进一步的，所述步骤S6中失真参数包括串扰和幅度不平衡度。
进一步的，所述步骤S6中评价定标质量的方法为：分别绘制真实值、观测值、恢复值所对应的各参数雷达图像，对比评价定标质量。
有益效果：本发明与现有技术相比，无需摆放真实的定标体，使用本发明的模拟定标体即可解出通道间串扰和幅度不平衡，节省了定标体和其他辅助设备的额外开销。同时，由于定标场地通常一般位于山顶或者高楼，难以摆放真实的定标体，此发明亦克服了定标场地恶劣不易实施的缺点。在本发明实验中，回波功率误差可以减小4dB，差分反射率因子误差可缩小至0.1dB。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为气象雷达水平共极化功率的真实值、观测值(含误差)、恢复值的雷达图像示意图；
图3为气象雷达垂直共极化反射率因子的真实值、观测值(含误差)、恢复值的雷达图像示意图；
图4为气象雷达水平共极化反射率因子的真实值、观测值(含误差)、恢复值的雷达图像示意图；
图5为象雷达交叉极化反射率因子的真实值、观测值(含误差)、恢复值的雷达图像示意图；
图6为气象雷达差分反射率因子的真实值、观测值(含误差)、恢复值的雷达图像示意图；
图7为误差图像对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，包括如下步骤：
步骤S1：建立一般的气象目标散射失真模型，在忽略系统噪声的情况下，气象目标的观测散射矩阵可表示为：
Figure BDA0002539122700000031
其中Oij是观测矩阵、Sij是真值矩阵、A是幅度增益、
Figure BDA0002539122700000032
是绝对相位、δ1～δ4是4个串扰定标参数，幅度相比于1足够小。f1～f2是幅度不平衡度。
步骤S2：对模拟定标体真实及观测散射矩阵建模，具体步骤为如下步骤S21-S22：
步骤S21：计算三面角、零度二面角、22.5°二面角三个模拟点目标的真实散射矩阵，归一化后的散射矩阵分别是S1＝[1 0；0 1]、S2＝[1 0；0 -1]、S3＝[0 1；1 -1]；
步骤S22：真实散射矩阵添加失真矩阵参数，失真参数可以任意假设,但要符合实际情况。
步骤S3：将3个点目标的真实散射矩阵和失真参数矩阵R、T带入到经典Whitt算法流程，求出恢复的失真参数矩阵R1、T1。
步骤S4：任意一个点目标的真实散射矩阵带入步骤S1的气象雷达散射失真模型中，求出幅度增益A和对应的绝对相位
Figure BDA0002539122700000041
对上一步获得的接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1求逆矩阵，联立点目标的观测失真矩阵O，求出恢复矩阵S1；
步骤S5：将上述步骤应用到分布式目标回波中，得到真实矩阵回波值、观测矩阵回波值、恢复矩阵回波值。分别带入双极化气象雷达信号处理流程，得到对应的水平反射率因子、垂直反射率因子、差分发射率因子、速度谱宽等雷达图像。
步骤S6：根据这些雷达图像的对比，实现极化气象雷达外定标。
本实施例中通过仿真实验对上述定标方法进行验证，具体的参数设置如下：
参数 δ<sub>1</sub> δ<sub>2</sub> δ<sub>3</sub> δ<sub>4</sub> f<sub>1</sub> f<sub>2</sub>
数值 -0.039∠128.11° -0.027∠133.36° 0.0376∠79.369° 0.0265∠120.34° 0.7221∠-1.879° 1.0310∠21.858°
经过步骤S5后得到如下雷达图像：
图2中，2(a)是气象雷达水平共极化功率真实值，2(b)是气象雷达水平共极化功率观测值，2(c)是气象雷达水平共极化功率恢复值。
图3中，3(a)是气象雷达垂直共极化反射率因子的真实值，2(b)是气象雷达垂直共极化反射率因子的观测值，2(c)是气象雷达垂直共极化反射率因子的恢复值。
图4中，4(a)是气象雷达水平共极化反射率因子的真实值，4(b)是气象雷达水平共极化反射率因子的观测值，4(c)是气象雷达水平共极化反射率因子的恢复值。
图5中，5(a)是气象雷达交叉极化反射率因子的真实值，5(b)是气象雷达交叉极化反射率因子的观测值，5(c)是气象雷达交叉极化反射率因子的恢复值。
图6中，6(a)是气象雷达差分反射率因子的真实值，6(b)是气象雷达差分反射率因子的观测值，6(c)是气象雷达差分反射率因子的恢复值。
基于获取的观测值图像、初始真实值图像和恢复值图像，如图7所示，将观测值图像与初始真实值图像相减，可以得到误差图像7(a)，将恢复值与初始真实值相减可以得到误差图像7(b)。具体操作是将两幅图的复数据直接相减，再经极化信号处理流程作图。以回波功率为例，误差图像7(a)表示的回波功率差值多以-4dB～-7dB分布。误差图像7(b)表示的回波功率差值多以0dB～-2dB分布。可见本发明减小了串扰与幅度不平衡度，完成了预期雷达定标的目标。

Claims (6)

1.一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：建立极化散射矩阵失真模型；
S2：对模拟二面角、三面角添加接收失真矩阵R、发射失真矩阵T，幅度增益A和绝对相位
Figure FDA0002539122690000015
得到含误差的二面角、三面角观测矩阵；
S3：将步骤S2获得的模拟二面角、三面角观测矩阵带入算法流程，得到接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1；
S4：将模拟二面角、三面角中任一个点目标带入步骤S1建立的极化散射矩阵失真模型，可得到恢复后的幅度增益A1、绝对相位
Figure FDA0002539122690000014
S5：根据幅度增益A1、绝对相位
Figure FDA0002539122690000013
对接收失真矩阵R1和发射失真矩阵T1求逆，联立观测矩阵，求出恢复矩阵；
S6：建立气象数据四通道回波真值，增加失真参数得到气象数据回波的观测值，将步骤S3中模拟定标体的失真矩阵应用到气象目标回波中，得到定标的恢复值，根据真实值、观测值、恢复值，评价定标质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，其特征在于：所述步骤S1中极化散射矩阵失真模型具体为：
Figure FDA0002539122690000011
其中Oij是观测矩阵、Sij是真值矩阵、A是幅度增益、
Figure FDA0002539122690000012
是绝对相位、δ1～δ4是4个串扰定标参数，f1～f2是幅度不平衡度。
3.根据权利要求1所述的一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，其特征在于：所述步骤S2中模拟的真实散射矩阵分为三面角真实散射矩阵、零度二面角真实散射矩阵和22.5°二面角真实散射矩阵，具体如下：
模拟的三面角真实散射矩阵为：S1＝[1 0；0 1]；
模拟的零度二面角真实散射矩阵为：S2＝[1 0；0 -1]；
模拟的22.5°二面角真实散射矩阵为：S3＝[0 1；1 -1]。
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，其特征在于：所述步骤S3中的算法为Whitt算法。
5.根据权利要求1所述的一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，其特征在于：所述步骤S6中失真参数包括串扰和幅度不平衡度。
6.根据权利要求1所述的一种基于模拟定标体的极化气象雷达外定标方法，其特征在于：所述步骤S6中评价定标质量的方法为：分别绘制真实值、观测值、恢复值所对应的各参数雷达图像，对比评价定标质量。
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