CN112859023A - 一种相控阵天气雷达的标定系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种相控阵天气雷达的标定系统，该系统由标定控制电路、标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器构成，其中，数字采样模块实现了系统中标定信号的模拟‑数字转换，使得该系统具有发射数字波束和接收数字波束的能能力，提高了对接收和发射信号的相位分辨率。另外，所述相控阵天气雷达的标定系统除了可以实现对待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性测试之外，还可以进行发射信号延迟标定、噪声系数标定、回波强度标定、极限改善因子、动态范围、灵敏度和径向速度标定等项目的标定，扩展了对于待测雷达的标定项目，提高了待测雷达对于气象回波的识别度。

Description

一种相控阵天气雷达的标定系统

技术领域

本申请涉及雷达标定技术领域，更具体地说，涉及一种相控阵天气雷达的标定系统。

背景技术

目前天气雷达完成一次全空域扫描探测需要6分钟，对雷暴、下击暴流、龙卷和风切变等强危险性强对流天气，因其尺度小、变化速度快等特点，无法及时获取其精细化的三维结构，失去了对此类危险性天气的识别和检测预警能力。相控阵天气雷达除具有与传统天气雷达同样的探测能力强和覆盖范围之外，还具有探测时间短、精细化测量、稳定性可靠性高等主要特点。相控阵天气雷达能够实时监测强对流危害性天气的生成、发展、消散和移动等状态，及时捕获中小尺度风暴、暴雨、风切变、冰雹、龙卷、大风等灾害性天气过程中精细化的气象特征数据，为气象部门对天气识别与决策提供可靠的依据，能更好地满足气象预报与气象保障的技术要求，并进行有效的监测和预警。

相控阵天气雷达系统在长期运行过程中，阵面上有几十到上百个发射通道和接收通道，因器件老化、温度变化等因素会造成幅度和相位变化，几十到上百个通道性能参数微动，可造成天线阵面性能恶化。因此需要对相控阵天气雷达系统进行标定，采用相控阵标定监测系统，对发射通道和接收通道进行测试，将这些偏移量分布测量并记录，由信号处理系统计算并进行参数补偿，使阵面性能保持稳定，从而保障相控阵雷达探测的有效性。

但目前对于相控阵天气雷达系统的标定只包括在发射通道和接收通道的幅相一致性标定，无法满足天气雷达的标定要求，对气象回波的识别度较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种相控阵天气雷达的标定系统，以实现提高标定后的相控阵雷达对于气象回波的识别度的目的。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种相控阵天气雷达的标定系统，包括：标定控制电路、标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器，所述信号收发模块包括多个接收通道和多个发射通道，各所述接收通道和各所述发射通道与待测雷达的各天线单元一一对应；所述相控阵天气雷达的标定系统还包括第一状态和第二状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第一状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性进行测试；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第二状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达进行发射信号延迟标定；

所述发射信号延迟标定过程包括：所述数字采样模块逐一导通所述发射通道与所述信号分配模块，导通的发射通道将所述待测雷达的发射信号通过所述信号分配模块进行功率合成处理后传输给所述中间信号模块，所述中间信号模块对接收的发射信号进行处理分别获得发射耦合信号和发射延迟信号，所述发射延迟信号通过信号分配模块的功率分配处理后经信号收发模块、数字采样模块、信号处理器，对发射延迟信号进行模数转换和计算后，获得所述待测雷达的发射信号延迟标定参数。

可选的，还包括第三状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第三状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达进行噪声系数标定；

所述噪声系数标定过程包括：

所述信号处理器获取各所述接收通道接收到的工作信号的读数，所述标定控制电路控制所述中间信号模块产生标定噪声信号，所述标定噪声信号经过所述中间信号模块的耦合和所述信号分配模块的功分处理后，进入所述信号收发模块的接收通道，所述信号收发模块的接收通道对耦合后接收的所述标定噪声信号以及所述工作信号分时传输给所述数字采样模块，所述数字采样模块对接收的耦合后信号进行模数转换后，获得待计算信号，所述信号处理器根据所述工作信号的读数以及所述待计算信号进行计算，以计算获得各所述信号收发模块的接收通道的噪声系数。

可选的，所述计算获得各所述信号收发模块的接收通道的噪声系数包括：

将所述工作信号的读数以及所述待计算信号代入第一预设公式，以计算获得各所述接收通道的噪声系数；

所述第一预设公式包括：

其中，NF表示所述噪声系数，ENR表示所述标定噪声信号的超噪比，P2表示所述待计算信号的读数，P1表示所述工作信号的读数。

可选的，还包括：第四状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第四状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达进行回波强度标定；

所述回波强度标定过程包括：

所述标定控制电路控制所述标定模块发射回波标定信号，所述中间信号模块对所述回波标定信号进行不同程度的信号衰减处理后获得不同强度的回波标定信号，信号衰减处理后的回波标定信号经过所述中间信号模块的放大增益和耦合后输出给所述信号分配模块，所述信号分配模块对接收到的回波标定信号进行功分后分别传输给各所述接收通道；

或

所述中间信号模块获取外界输入的回波标定信号，该外界输入的回波信号具有周期性的不同程度的信号衰减的特征，模拟了不同强度的回波标定信号，经过第二开关后输出给所述信号分配模块，所述信号分配模块对接收到的回波标定信号进行功分后分别传输给各所述接收通道。

可选的，所述信号收发模块包括：多个收发组件；其中，各所述收发组件均与多个天线单元连接，用于向与所述收发组件连接的天线单元传输信号或用于向接收所述收发组件连接的天线单元的信号。

可选的，所述信号分配模块包括：功分器和功合器，其中，所述功分器用于对信号进行功分处理，所述功合器用于对信号进行功合处理。

可选的，所述收发组件包括第一类收发组件和第二类收发组件，其中，第一类收发组件与水平极化的天线单元连接，第二类收发组件与垂直极化的天线单元连接；

所述功合器包括：第一功合器和第二功合器；其中，

所述第一功合器用于第一类收发组件传输的信号进行功合处理，所述第二功合器用于对第二类收发组件传输的信号进行功合处理。

可选的，所述接收通道幅相一致性测试过程包括：

所述标定控制电路生成数字发射信号并进行数模转换后，获得模拟发射信号，所述标定模块对模拟发射信号进行上变频、信号衰减、放大增益和耦合处理后获得标定接收信号和参考信号，其中，标定接收信号传输给所述信号分配模块，所述参考信号传输给所述标定模块，所述信号分配模块对接收的模拟发射信号进行功分处理后分配给所述信号收发模块的各接收通道，模拟发射信号经各接收通道的二次变频放大后由所述数字采样模块采样为数字信号形式的标定接收信号，数字形式的所述标定接收信号以及所述参考信号经过所述信号处理器计算获得各所述接收通道的幅度和相位信息；

所述发射通道幅相一致性测试过程包括：

所述数字采样模块逐一导通所述发射通道与所述信号分配模块，导通的发射通道将所述待测雷达的发射信号通过所述信号分配模块进行功率合成处理后传输给所述中间信号模块，所述中间信号模块对接收的发射信号进行处理分别获得发射耦合信号，所述发射耦合信号经过所述标定控制电路的模数转换和计算后，获得各所述发射通道的幅度和相位信息。

可选的，所述标定模块包括：标定发射通道、第一标定接收通道、第二标定接收通道和第三标定接收通道；其中，

所述第二标定接收通道和第三标定接收通道分别用于接收水平极化的天线单元和垂直极化的天线单元的发射信号，并对接收的发射信号进行模数转换后传输给所述标定控制电路；

所述第一标定接收通道，用于接收所述参考信号；

所述标定发射通道，用于发射所述标定接收信号。

可选的，所述中间信号模块包括：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一开关、第二开关、第一放大增益单元、第二放大增益单元、噪声源、数控衰减器和延迟线；其中，

所述第一耦合器的输入端与所述第一功合器的输出端连接，所述第一耦合器的输出端与所述第一开关的第一端连接，所述第一耦合器的耦合端与所述第二标定接收通道连接；

所述第二耦合器的输入端与所述第二功合器的输出端连接，所述第二耦合器的输出端与所述第一开关的第二端连接，所述第二耦合器的耦合端与所述第三标定接收通道连接；

所述第一开关的第三端与所述第二放大增益单元的输入端连接，所述第二放大增益单元的输出端与所述延迟线的输入端连接，所述延迟线的输出端与所述第二开关的第一端连接；

所述数控衰减器的输入端与所述标定发射通道的输出端连接，所述数控衰减器的输出端与所述第一放大增益单元的输入端连接，所述第一放大增益单元的输出端与所述第二开关的第二端连接；

所述第二开关的第三端与所述噪声源的输出端连接，所述第二开关的第四端用于接收外界输入的回波标定信号；

所述第二开关的第五端与所述第三耦合器的输入端连接，所述第三耦合器的输出端与所述功分器的输入端连接，所述第三耦合器的耦合端与所述第二标定接收通道连接。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种相控阵天气雷达的标定系统，该系统由标定控制电路、标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器构成，其中，数字采样模块实现了系统中标定信号的模拟-数字转换，使得该系统具有发射数字波束和接收数字波束的能能力，提高了对接收和发射信号的相位分辨率。

另外，所述相控阵天气雷达的标定系统除了可以实现对待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性测试之外，还可以进行发射信号延迟标定，扩展了对于待测雷达的标定项目，提高了待测雷达对于气象回波的识别度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种相控阵天气雷达的标定系统的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的相控阵天气雷达的标定系统的标定功能框图；

图3为本申请的一个实施例提供的标定模块对水平天线阵列收发信号的传输路径；

图4为本申请的一个实施例提供的收发组件的单通道耦合输入和耦合输出示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，相控阵雷达可捕获众多灾害性天气过程中精细化的气象特征数据，为气象部门对天气识别与决策提供了可靠的依据。

抛物面天气雷达也称传统天气雷达，一般采用抛物面天线作为雷达波的发射和接收载体，雷达有2个以内的发射通道和2个以内的接收通道，扫描时采用伺服电机控制实现方位和俯仰两个方向扫描，体扫周期为6分钟——体扫周期指天气雷达覆盖全空域扫描时间。相控阵天气雷达是近年新推出的一种技术体制天气雷达，相控阵天气雷达一般具有几十到上百个发射通道和同等数量的接收通道，相控阵天线以平板相控阵天线最为常见，雷达在俯仰方向上采用电子控制的相位扫描(简称电扫)，在方位方向上采用伺服电机控制扫描(简称机扫)，扫描周期1分钟左右。传统天气雷达与相控阵天气雷达最大区别可总结为以下四点：

表1抛物面天气雷达与相控阵天气雷达的主要差异

但如背景技术中所述，相控阵雷达的各个天线单元在运行过程中因老化等原因需要定时进行标定。

由于相控阵雷达技术最早应用于军事领域，对相控阵雷达的标定方法的目的主要集中在军事领域所关注的几个方面，而气象雷达与军事雷达关注的探测目标是决然不同的。一般相控阵雷达只具备发射通道和接收通道的幅相标定硬件通路。但是气象雷达关注更多有别于军事相控阵的观测量，因此需要设计新的标定系统对相控阵雷达进行标定，以满足相控阵雷达在气象等更多领域的标定要求。

为了解决这一问题，本申请实施例提供了一种相控阵天气雷达的标定系统，该系统由标定控制电路、标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器构成，其中，数字采样模块实现了系统中标定信号的模拟-数字转换，使得该系统具有发射数字波束和接收数字波束的能能力，提高了对接收和发射信号的相位分辨率。

另外，所述相控阵天气雷达的标定系统除了可以实现对待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性测试之外，还可以进行发射信号延迟标定，扩展了对于待测雷达的标定项目，提高了待测雷达对于气象回波的识别度。

进一步的，经过标定控制电路、标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器相互配合还可实现对待测雷达的噪声系数标定、回波强度标定、Zdr水平极化通道和垂直极化通道增益差标定等。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种相控阵天气雷达的标定系统，如图1所示，包括：标定控制电路10、标定模块20、中间信号模块30、信号分配模块40、信号收发模块50、数字采样模块60和信号处理器70，所述信号收发模块50包括多个接收通道和多个发射通道，各所述接收通道和各所述发射通道与待测雷达的各天线单元一一对应；所述相控阵天气雷达的标定系统还包括第一状态和第二状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第一状态时，所述标定控制电路10控制所述标定模块20、中间信号模块30、信号分配模块40、信号收发模块50、数字采样模块60和信号处理器70对所述待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性进行测试；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第二状态时，所述标定控制电路10控制所述标定模块20、中间信号模块30、信号分配模块40、信号收发模块50、数字采样模块60和信号处理器70对所述待测雷达进行发射信号延迟标定；

所述发射信号延迟标定过程包括：所述数字采样模块60逐一导通所述发射通道与所述信号分配模块40，导通的发射通道将所述待测雷达的发射信号通过所述信号分配模块40进行功率合成处理后传输给所述中间信号模块30，所述中间信号模块30对接收的发射信号进行处理获得发射延迟信号，所述发射延迟信号通过信号分配模块40的功率分配处理后经信号收发模块50、数字采样模块60、信号处理器70，对发射延迟信号进行模数转换和计算后，获得所述待测雷达的发射信号延迟标定参数。

在本实施例中，“幅相”是指“幅度和相位”，幅相一致性则是指待测雷达各通道(发射通道或接收通道)幅度和相位的一致性，更具体地说，是指信号收发模块50的各接收通道和发射通道接收或发射信号的幅度一致性和相位一致性。

参考图2、图3和图4，图2示出了本申请实施例提供的相控阵天气雷达的标定系统的标定功能框图，图3示出了标定模块20对水平天线阵列收发信号的传输路径，图4示出了信号收发模块50中包括的收发组件的单通道耦合输入和耦合输出示意图。图4中框内部分为收发组件内部的单通道原理框图，环形器的作用是控制信号按规定方向经过，如发射信号经过环形器后到天线，不会被接收通道收到；天线收到回波后经过环形器到接收通道，不会进入发射通道。图3中，数字采样模块由多个数字发射和采样板构成。

可选的，所述数字发射和采样板为8通道的数字发射和采样板，所述收发组件为4通道的收发组件，则假设待测雷达的水平天线有128个天线单元，此时收发组件、数字发射和采样板与天线单元的对应关系是：

水平天线单元为128个，收发组件为4通道，则4×32＝128通道，水平这面有32个收发组件，一个数字发射和采样板能接两个收发组件，则水平阵面有16个数字发射和采样板。类似的，当垂直阵面的天线单元数量为128个时，垂直阵面的收发组件数量为32个，垂直阵面的数字发射和采样板为16个。

在图2中，所述信号收发模块50包括：多个收发组件；其中，各所述收发组件均与多个天线单元连接，用于向与所述收发组件连接的天线单元传输信号或用于向接收所述收发组件连接的天线单元的信号。

所述信号分配模块40包括：功分器和功合器，其中，所述功分器用于对信号进行功分处理，所述功合器用于对信号进行功合处理。

所述第二收发模块包括第一类收发组件和第二类收发组件，其中，第一类收发组件与水平极化的天线单元连接，第二类收发组件与垂直极化的天线单元连接；所述功合器包括：第一功合器和第二功合器；其中，

所述第一功合器用于第一类收发组件传输的信号进行功合处理，所述第二功合器用于对第二类收发组件传输的信号进行功合处理。

在本实施例中，将所述第二收发模块分为第一类收发组件和第二类收发组件的目的是对待测雷达的垂直极化的天线单元和水平极化的天线单元的信号进行分别收发处理。

所述标定模块20包括：标定发射通道、第一标定接收通道、第二标定接收通道和第三标定接收通道；其中，

所述第二标定接收通道和第三标定接收通道分别用于接收水平极化的天线单元和垂直极化的天线单元的发射信号，并对接收的发射信号进行模数转换后传输给所述标定控制电路10；

所述第一标定接收通道，用于接收所述参考信号；

所述标定发射通道，用于发射所述标定接收信号。

所述中间信号模块30包括：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一开关、第二开关、第一放大增益单元、第二放大增益单元、噪声源、数控衰减器和延迟线；其中，

所述第一耦合器的输入端与所述第一功合器的输出端连接，所述第一耦合器的输出端与所述第一开关的第一端连接，所述第一耦合器的耦合端与所述第二标定接收通道连接；

所述第二耦合器的输入端与所述第二功合器的输出端连接，所述第二耦合器的输出端与所述第一开关的第二端连接，所述第二耦合器的耦合端与所述第三标定接收通道连接；

所述第一开关的第三端与所述第二放大增益单元的输入端连接，所述第二放大增益单元的输出端与所述延迟线的输入端连接，所述延迟线的输出端与所述第二开关的第一端连接；

所述数控衰减器的输入端与所述标定发射通道的输出端连接，所述数控衰减器的输出端与所述第一放大增益单元的输入端连接，所述第一放大增益单元的输出端与所述第二开关的第二端连接；

所述第二开关的第三端与所述噪声源的输出端连接，所述第二开关的第四端用于接收外界输入的回波标定信号；

所述第二开关的第五端与所述第三耦合器的输入端连接，所述第三耦合器的输出端与所述功分器的输入端连接，所述第三耦合器的耦合端与所述第二标定接收通道连接。

下面首先对接收通道幅相一致性测试以及发射通道幅相一致性测试的过程进行具体说明。

在所述接收通道幅相一致性测试过程包括：

所述标定控制电路10生成数字发射信号并进行数模转换后，获得模拟发射信号，所述标定模块20对模拟发射信号进行上变频、信号衰减、放大增益和耦合处理后获得标定接收信号和参考信号，其中，标定接收信号传输给所述信号分配模块40，所述参考信号传输给所述标定模块20，所述信号分配模块40对接收的模拟发射信号进行功分处理后分配给所述信号收发模块50的各接收通道，模拟发射信号经各接收通道的二次变频放大后由所述数字采样模块60采样为数字信号形式的标定接收信号，数字形式的所述标定接收信号以及所述参考信号经过所述信号处理器70计算获得各所述接收通道的幅度和相位信息；

所述发射通道幅相一致性测试过程包括：

所述数字采样模块60逐一导通所述发射通道与所述信号分配模块40，导通的发射通道将所述待测雷达的发射信号通过所述信号分配模块40进行功率合成处理后传输给所述中间信号模块30，所述中间信号模块30对接收的发射信号进行处理分别获得发射耦合信号，所述发射耦合信号经过所述标定控制电路10的模数转换和计算后，获得各所述发射通道的幅度和相位信息。

可选的，所述第一收发模块和第二收发模块可以均为4通道合一的收发模块，所述第一收发模块和第二收发模块的数量可以根据待测雷达的天线单元的总数确定。

对于接收通道幅相一致性标定过程，当待测雷达的天线单元接收回波后，每一天线单元与4通道合一的收发组件的一路通道相连，回波射频信号经收发组件的接收通道变成中频信号连接到数字采样模块60中的一个接收通路，该接收通路中模数转换单元，将中频模拟信号变成数字信号，数字信号由后端的信号处理器70处理，得到数字量化的接收回波幅度、相位和频率。回波幅度、相位和频率是雷达信号处理的最基础的数据，所有雷达产品都基于此。

仍然参考图2和图3，在接收通道幅相一致性标定时，标定控制电路10生成数字中频发射信号，数模转换后中频发射，输入到标定模块20的标定发射通道中，标定发射通道经过两次上变频至射频信号放大至20dBm左右输出，依次经历数控衰减器、第一放大增益单元、第二开关选通该路至第三耦合器，第三耦合器直通部分至功分器，功分器输出分别接入多个收发组件的接收耦合输入接口，其中收发组件的耦合参考图4，收发组件各接收通道收到信号后，在收发接收通道内部经过二次变频放大至中频信号，中频信号由后端的数字采样模块60中的模拟数字转换采样至数字域，然后经过信号处理器70计算出各接收通道的幅度和相位信息，第三耦合器的耦合通道信号则接入到标定模块20的第一标定接收通道中进行下变频和放大，输出中频给标定控制电路10的模拟数字采样得到数字信号，该数字信号用于计算出标定模块20的标定发射通道发射出的信号经过该标定通路中有源器件后的幅度和相位信息，该幅相信息作为收发组件各接收通道的参考信号，是归一化的参照对象。

上述标定模块20的第一标定接收通道获取到的信号作为参考信号的优点有：由于目标是标定模块20的第一标定接收通道，但是标定模块20发出的信号要经过那么多的信号路径才能到达信号收发模块50的所有接收通道中，无疑这个信号路径要比信号收发模块50的接收通道复杂得多，而上述参考信号则与标定接收通道路径使用了共同的有源通路，其中数控衰减器、第一放大增益单元和第二开关均是有源器件，两信号相减则能消除公用有源部分带来的额外影像。而耦合器和功分器是无源器件，这类器件只能产生固有偏差，该固有偏差可通过测量耦合器和功分器的支路损耗进行修正，对信号接收模块的接收通道标定不会产生影响。

对于发射通道幅相一致性标定过程：

按水平极化天线阵面发射通道和垂直极化天线阵面发射通道进行区分，仍然参考图2，水平极化天线阵面的多个天线单元与信号收发模块50的多个通道相连，垂直极化天线阵面的多个天线单元与信号收发模块50的其他通道相连。

发射通道标定的信号路径：与水平极化阵面相连的发射通道耦合输出连接至第一功合器，然后经过第一耦合器耦合出口连接至标定模块20的第二标定接收通道，类似的，垂直极化阵面的发射通道耦合输出的信号连接至标定模块20第三标定接收通道。

由于每个发射通道都要进行标定，而标定模块20只有两个标定接收通道(第二标定接收通道和第三标定接收通道)分别连接至水平极化的信号收发模块50和连接至垂直极化的信号发射模块的所有发射通道耦合输出。因此，需要由所述数字采样模块60来控制发射通道逐一导通，即控制发射通道逐个通道发射。

可选的，在本申请的一个实施例中，所述相控阵天气雷达的标定系统还包括：第三状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第三状态时，所述标定控制电路10控制所述标定模块20、中间信号模块30、信号分配模块40、信号收发模块50、数字采样模块60和信号处理器70对所述待测雷达进行噪声系数标定；

所述噪声系数标定过程包括：

所述信号处理器70获取各所述接收通道接收到的工作信号的读数，所述标定控制电路10控制所述中间信号模块30产生标定噪声信号，所述标定噪声信号经过所述中间信号模块30的耦合和所述信号分配模块40的功分处理后，进入所述信号收发模块50的接收耦合输入接口传输给接收通道，所述信号收发模块50的接收通道对耦合后接收的所述标定噪声信号以及所述工作信号分时传输给所述数字采样模块60，所述数字采样模块60对接收的耦合后信号进行模数转换后，获得待计算信号，所述信号处理器70根据所述工作信号的读数以及所述待计算信号进行计算，以计算获得各所述信号收发模块50的接收通道的噪声系数。

具体地，所述计算获得各所述信号收发模块50的接收通道的噪声系数包括：

将所述工作信号的读数以及所述待计算信号代入第一预设公式，以计算获得各所述接收通道的噪声系数；

所述第一预设公式包括：

其中，NF表示所述噪声系数，ENR表示所述标定噪声信号的超噪比，P2表示所述待计算信号的读数，P1表示所述工作信号的读数。

可选的，在本申请的另一个实施例中，所述相控阵天气雷达的标定系统还包括：第四状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第四状态时，所述标定控制电路10控制所述标定模块20、中间信号模块30、信号分配模块40、信号收发模块50、数字采样模块60和信号处理器70对所述待测雷达进行回波强度标定；

所述回波强度标定过程包括：

所述标定控制电路10控制所述标定模块20发射回波标定信号，所述中间信号模块30对所述回波标定信号进行不同程度的信号衰减处理后获得不同强度的回波标定信号，信号衰减处理后的回波标定信号经过所述中间信号模块30的放大增益和耦合后输出给所述信号分配模块40，所述信号分配模块40对接收到的回波标定信号进行功分后分别传输给各所述接收通道；

或

所述中间信号模块30获取外界输入的回波标定信号，该外界输入的回波信号具有周期性的不同程度的信号衰减的特征，模拟了不同强度的回波标定信号，经过第二开关后输出给所述信号分配模块40，所述信号分配模块40对接收到的回波标定信号进行功分后分别传输给各所述接收通道。

所述相控阵天气雷达的标定系统除了上述第一状态、第二状态、第三状态和第四状态进行的发射通道和接收通道的幅相一致性、发射信号延迟标定、噪声系数标定和回波强度标定之外，还可进行其他标定项目，其他标定项目包括：极限改善因子、动态范围、灵敏度(可检测最小信号)、径向速度标定、Zdr(差分反射率因子，Different reflectivityfactor)水平通道和垂直通道反射率差值。这些标定项目都以上文所述五项主要标定的硬件链路作为基础，通过调整信号出入幅度相位频率、信号处理或计算方法得到的标定项目，如：

极限改善因子是反映发射通道输入或输出端信号功率与噪声功率之间的关系，是发射信号相干性(信号的频率稳定性)在频域的表征指标。计算方法：

I＝SNR+10lgB-10lgF

其中I为极限改善因子，SNR为信噪比，B为分析带宽，F为脉冲重复频率。

动态范围表示接收系统在正常工作时能够容许的输入信号强度范围，信号太弱无法检测到，信号太强接收通道会发生饱和过载。计算方法是根据接收通道的输入和输出数据，测量最小信号到最大信号的有效范围。

径向速度的计算值与该公式有关，径向速度检测理论值V，

其中为λ雷达波长，f_d为多普勒频移。径向速度标定简称速度标定，通过在接收通道输入带有固定频偏的信号模拟多普勒频偏，实现速度测量。

Zdr水平通道和垂直通道反射率差值，通过将同一信号分别输入到水平和垂直接收通道，计算两个通道测量到的功率差值，即反射率差值(与雷达回波强度差值有数据数学计算关系)。

综上所述，本申请实施例提供了一种相控阵天气雷达的标定系统，该系统由标定控制电路10、标定模块20、中间信号模块30、信号分配模块40、信号收发模块50、数字采样模块60和信号处理器70构成，其中，数字采样模块60实现了系统中标定信号的模拟-数字转换，使得该系统具有发射数字波束和接收数字波束的能能力，提高了对接收和发射信号的相位分辨率。

另外，所述相控阵天气雷达的标定系统除了可以实现对待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性测试之外，还可以进行发射信号延迟标定，扩展了对于待测雷达的标定项目，提高了待测雷达对于气象回波的识别度。

本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，包括：标定控制电路、标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器，所述信号收发模块包括多个接收通道和多个发射通道，各所述接收通道和各所述发射通道与待测雷达的各天线单元一一对应；所述相控阵天气雷达的标定系统还包括第一状态和第二状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第一状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达的接收通道幅相一致性以及发射通道幅相一致性进行测试；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第二状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达进行发射信号延迟标定；

所述发射信号延迟标定过程包括：所述数字采样模块逐一导通所述发射通道与所述信号分配模块，导通的发射通道将所述待测雷达的发射信号通过所述信号分配模块进行功率合成处理后传输给所述中间信号模块，所述中间信号模块对接收的发射信号进行处理分别获得发射耦合信号和发射延迟信号，所述发射延迟信号通过信号分配模块的功率分配处理后经信号收发模块、数字采样模块、信号处理器，对发射延迟信号进行模数转换和计算后，获得所述待测雷达的发射信号延迟标定参数。

2.根据权利要求1所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，还包括第三状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第三状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达进行噪声系数标定；

所述噪声系数标定过程包括：

所述信号处理器获取各所述接收通道接收到的工作信号的读数，所述标定控制电路控制所述中间信号模块产生标定噪声信号，所述标定噪声信号经过所述中间信号模块的耦合和所述信号分配模块的功分处理后，进入所述信号收发模块的接收通道，所述信号收发模块的接收通道对耦合后接收的所述标定噪声信号以及所述工作信号分时传输给所述数字采样模块，所述数字采样模块对接收的耦合后信号进行模数转换后，获得待计算信号，所述信号处理器根据所述工作信号的读数以及所述待计算信号进行计算，以计算获得各所述信号收发模块的接收通道的噪声系数。

3.根据权利要求2所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述计算获得各所述信号收发模块的接收通道的噪声系数包括：

将所述工作信号的读数以及所述待计算信号代入第一预设公式，以计算获得各所述接收通道的噪声系数；

所述第一预设公式包括：

其中，NF表示所述噪声系数，ENR表示所述标定噪声信号的超噪比，P2表示所述待计算信号的读数，P1表示所述工作信号的读数。

4.根据权利要求2所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，还包括：第四状态；

当所述相控阵天气雷达的标定系统处于第四状态时，所述标定控制电路控制所述标定模块、中间信号模块、信号分配模块、信号收发模块、数字采样模块和信号处理器对所述待测雷达进行回波强度标定；

所述回波强度标定过程包括：

所述标定控制电路控制所述标定模块发射回波标定信号，所述中间信号模块对所述回波标定信号进行不同程度的信号衰减处理后获得不同强度的回波标定信号，信号衰减处理后的回波标定信号经过所述中间信号模块的放大增益和耦合后输出给所述信号分配模块，所述信号分配模块对接收到的回波标定信号进行功分后分别传输给各所述接收通道；

或

所述中间信号模块获取外界输入的回波标定信号，该外界输入的回波信号具有周期性的不同程度的信号衰减的特征，模拟了不同强度的回波标定信号，经过第二开关后输出给所述信号分配模块，所述信号分配模块对接收到的回波标定信号进行功分后分别传输给各所述接收通道。

5.根据权利要求4所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述信号收发模块包括：多个收发组件；其中，各所述收发组件均与多个天线单元连接，用于向与所述收发组件连接的天线单元传输信号或用于向接收所述收发组件连接的天线单元的信号。

6.根据权利要求5所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述信号分配模块包括：功分器和功合器，其中，所述功分器用于对信号进行功分处理，所述功合器用于对信号进行功合处理。

7.根据权利要求5所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述收发组件包括第一类收发组件和第二类收发组件，其中，第一类收发组件与水平极化的天线单元连接，第二类收发组件与垂直极化的天线单元连接；

所述功合器包括：第一功合器和第二功合器；其中，

所述第一功合器用于第一类收发组件传输的信号进行功合处理，所述第二功合器用于对第二类收发组件传输的信号进行功合处理。

8.根据权利要求7所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述接收通道幅相一致性测试过程包括：

所述标定控制电路生成数字发射信号并进行数模转换后，获得模拟发射信号，所述标定模块对模拟发射信号进行上变频、信号衰减、放大增益和耦合处理后获得标定接收信号和参考信号，其中，标定接收信号传输给所述信号分配模块，所述参考信号传输给所述标定模块，所述信号分配模块对接收的模拟发射信号进行功分处理后分配给所述信号收发模块的各接收通道，模拟发射信号经各接收通道的二次变频放大后由所述数字采样模块采样为数字信号形式的标定接收信号，数字形式的所述标定接收信号以及所述参考信号经过所述信号处理器计算获得各所述接收通道的幅度和相位信息；

所述发射通道幅相一致性测试过程包括：

所述数字采样模块逐一导通所述发射通道与所述信号分配模块，导通的发射通道将所述待测雷达的发射信号通过所述信号分配模块进行功率合成处理后传输给所述中间信号模块，所述中间信号模块对接收的发射信号进行处理分别获得发射耦合信号，所述发射耦合信号经过所述标定控制电路的模数转换和计算后，获得各所述发射通道的幅度和相位信息。

9.根据权利要求8所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述标定模块包括：标定发射通道、第一标定接收通道、第二标定接收通道和第三标定接收通道；其中，

所述第二标定接收通道和第三标定接收通道分别用于接收水平极化的天线单元和垂直极化的天线单元的发射信号，并对接收的发射信号进行模数转换后传输给所述标定控制电路；

所述第一标定接收通道，用于接收所述参考信号；

所述标定发射通道，用于发射所述标定接收信号。

10.根据权利要求9所述的相控阵天气雷达的标定系统，其特征在于，所述中间信号模块包括：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一开关、第二开关、第一放大增益单元、第二放大增益单元、噪声源、数控衰减器和延迟线；其中，

所述第一耦合器的输入端与所述第一功合器的输出端连接，所述第一耦合器的输出端与所述第一开关的第一端连接，所述第一耦合器的耦合端与所述第二标定接收通道连接；

所述第二耦合器的输入端与所述第二功合器的输出端连接，所述第二耦合器的输出端与所述第一开关的第二端连接，所述第二耦合器的耦合端与所述第三标定接收通道连接；

所述第一开关的第三端与所述第二放大增益单元的输入端连接，所述第二放大增益单元的输出端与所述延迟线的输入端连接，所述延迟线的输出端与所述第二开关的第一端连接；

所述数控衰减器的输入端与所述标定发射通道的输出端连接，所述数控衰减器的输出端与所述第一放大增益单元的输入端连接，所述第一放大增益单元的输出端与所述第二开关的第二端连接；

所述第二开关的第三端与所述噪声源的输出端连接，所述第二开关的第四端用于接收外界输入的回波标定信号；

所述第二开关的第五端与所述第三耦合器的输入端连接，所述第三耦合器的输出端与所述功分器的输入端连接，所述第三耦合器的耦合端与所述第二标定接收通道连接。

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