CN114415136B - 连续波天气雷达在线标定回波强度的方法及标定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，包括如下步骤：从连续波天气雷达基数据中分别提取出回波强度、多普勒速度、速度谱宽和回波功率四个参数；对四种参数进行特征分析，获取其中目标物为飞机的观测数据，将其回波功率与对应的位置记录保存为一个样本；对样本的回波功率进行位置处理，对样本的回波功率进行雷达散射截面RCS订正；由多个样本之间修正后的回波功率的波动情况判断雷达性能的稳定性。本发明适用于所有的连续波天气雷达回波强度标定，可以在不关机的情况下迅速检测出雷达性能变化，及时标定雷达，提高雷达数据精度，保证雷达观测数据的一致性。

Description

连续波天气雷达在线标定回波强度的方法及标定系统
技术领域
本发明属于雷达回波强度标定技术领域，具体是涉及连续波天气雷达在线标定回波强度。
背景技术
云和降水的形成是一个非常复杂的微物理过程，对云和降水垂直结构研究有助于让我们了解云和降水的形成机理。关于这部分的研究主要依赖于高分辨率的天气雷达进行垂直探测。这种雷达与传统天气雷达的功能以及结构有较大的差异，由于需要获得更高的分辨率，雷达设计往往采用连续波体制，结构上也更为简洁和固定，两个天线垂直朝上，没有伺服系统，一个用来发射电磁波、另一个用来接收电磁波信号。
微波器件在工作过程中性能会发生变化，导致雷达整机性能指标发生偏移，最终影响雷达回波强度的准确性。这对我们利用连续波天气雷达进行云和降水垂直结构研究产生很大的影响和误导。目前对连续波天气雷达回波强度的标定主要依赖于专用仪器对雷达系统进行整机测试，具体的做法是将标准信号源的输出信号注入到雷达系统，对雷达输出信号进行计算，与理论结果进行比较，判断雷达系统输出回波强度的偏差。
虽然利用仪器进行雷达整机系统检测进而对回波强度进行标定真实可靠，但是在实际操作过程中，对于采用连续波体制的雷达来说，需要中断雷达正常观测，因此只能是定期进行，而雷达系统性能发生偏移是随时可能发生的。这就造成采用连续波体制的雷达在使用中产生了不可调和的矛盾，一方面雷达需要持续工作，不可中断，另一方面由于无法停机进行回波强度标定，又不能确保雷达数据的准确性。
除此之外，目前的连续波体制雷达标定过程需要由专业技术人员来完成，间接的也提高了雷达的使用成本和维护成本。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，在不关机的前提下根据雷达观测到的特定目标物的回波数值对雷达回波强度进行标定，检测雷达数据的准确性和一致性。
本发明的另一目的在于提供一种使用了上述方法的回波强度标定系统。
技术方案：本发明所述连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，包括如下步骤：
S1、从连续波天气雷达基数据中分别提取出回波强度、多普勒速度、速度谱宽和回波功率四个参数；
S2、将提取出的四种参数分别转换到高度-产品坐标系，对四种参数进行特征分析，获取其中目标物为飞机的观测数据，将其回波功率与对应的位置记录保存为一个样本；
S3、根据位置记录对样本的回波功率进行位置处理，并根据民航信息查看雷达站上空飞机的机型，对样本的回波功率进行雷达散射截面RCS订正；
S4、由多个样本之间修正后的回波功率的波动情况判断雷达性能的稳定性。
本发明进一步优选地技术方案为，步骤S2中分析获取目标物为飞机的观测数据的具体方法为：
S21、将从连续波天气雷达基数据中提取的出回波强度、多普勒速度、速度谱宽和回波功率四个参数分别记为Z、V、W和P，将质量控制后的回波强度信号按照每20个格点为一组进行重组，重组后的回波强度数组分别为RZ1、RZ2……RZi，i为回波强度信号重组后的数量；
S22、计算每一组数据的均方差，得到RZ_VAR1、RZ_VAR2……RZ_VARi，找出其中的最大值以及其对应的位置，分别记为MAX_RZ_VAR和MAX_RZ_VAR_INDEX；再找出RZMAX_RZ_VAR_INDEX中的最大值以及其对应在原始回波强度数据中的位置，分别记为RZ_MAX和Z_MAX_INDEX；
S23、判断RZ_MAX的数值是否大于40dBZ，是标记为TRUE1；
判断多普勒速度VZ_MAX_INDEX-5到VZ_MAX_INDEX+5区间段是否同时存在正速度大值中心和负速度大值中心，若存在，判断正负速度大值中心绝对值的差值是否大于等于1m/s，是标记为TRUE2；
判断速度谱宽WZ_MAX_INDEX的值是否大于2，是标记为TURE3；
判断回波功率PZ_MAX_INDEX的值是否大于-100dBm，是标记为TRUE4；
S24、若TRUE1、TRUE2、TRUE3、TRUE4均存在，则判定该目标区域回波为飞机产生，将回波功率PZ_MAX_INDEX以及对应的位置Z_MAX_INDEX记录保存为一个样本。
作为优选地，步骤S3中对样本的回波功率进行修正方法为：
根据Z_MAX_INDEX将接收到的回波功率PZ_MAX_INDEX处理到标准高度上，得到PRZ_MAX_INDEX；根据民航信息查看雷达站上空飞机的机型，进行雷达散射截面RCS订正，得到RCS_PRZ_MAX_INDEX，保存为最终结果。
优选地，步骤S4中多个样本之间修正后的回波功率的波动≤2时，判断雷达性能稳定。
优选地，步骤S2中将提取出的四种参数分别转换到高度-产品坐标系后，需要对四种参数进行质量控制，包括数据平滑和奇异点去除。
本发明利用上述方法的回波强度标定系统，包括：
通讯模块，用于建立基于网络协议或本地协议的雷达接收机与雷达终端电脑之间的通讯链路；
主控模块，与所述通讯模块通讯连接，接受雷达接收机的雷达数据或雷达终端电脑的控制信号，执行回波强度标定策略；
该回波强度标定策略包括：
A、目标识别与回波功率计算：读取雷达接收机的雷达数据，识别雷达数据中目标物为飞机的观测数据，并将识别到的飞机回波功率值与雷达数据一起发送给存储模块；
B、回波强度在线标定：提取出一段时间内存储模块内的全部飞机回波功率值，并判断回波功率的波动情况，实现连续波天气雷达回波强度在线标定；
存储模块，临时储存连续波天气雷达数据以及主控模块识别出的一段时间内飞机回波功率值。
优选地，所述主控模块以TWMS320C6455BNCTZ作为主芯片构成。
优选地，所述通讯模块为采用Intel82576EB千兆网卡芯片，基于UDP协议与雷达接收机和雷达终端电脑进行通讯。
优选地，所述存储模块以W25Q128FV作为主存储设备构成。
有益效果：本发明从连续波天气雷达基数据中筛选出目标物为飞机的观测数据，然后对回波功率进行处理，通过对回波功率波动情况判断雷达性能的稳定性，实现在线标定，中间无需停机，在标定过程中不影响雷达观测其他天气回波，保证观测数据的连续性。同时，标定无需人工干扰，可以自动化完成，也就不需要专业技术人员来完成标定过程，间接的节省了雷达的维护费用。本发明适用于所有的连续波天气雷达回波强度标定，可以在不关机的情况下迅速检测出雷达性能变化，及时标定雷达，提高雷达数据精度，保证雷达观测数据的一致性。
本发明构建基于连续波天气雷达数据进行回波强度标定的系统，通过通讯模块传输雷达数据，通过主控模块执行回波强度标定策略，其从连续波天气雷达基数据中筛选出目标物为飞机的观测数据，然后对回波功率进行处理，通过对回波功率波动情况判断雷达性能的稳定性，实现在线标定，中间无需停机，在标定过程中不影响雷达观测其他天气回波，保证观测数据的连续性。
附图说明
图1为本发明系统的结构框图；
图2为本发明连续波天气雷达在线标定回波强度的方法的流程图；
图3为本发明实施例中识别出的飞机目标物的回波信号图；
图4为本发明实施例中识别出的飞机信号经过修正后的回波功率图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：基于连续波天气雷达数据进行回波强度标定的系统，如图1所示，包括：通讯模块、主控模块和存储模块。
通讯模块采用Intel82576EB千兆网卡芯片，基于UDP协议与雷达接收机进行通讯，用于建立雷达接收机与雷达终端电脑之间的通讯链路，传输连续波天气雷达收到的回波信号，同时将处理好的结果发送至雷达数据电脑端。
主控模块以TI公司TWMS320C6455BNCTZ为主芯片，与所述通讯模块通讯连接，接受雷达接收机的雷达数据或雷达终端电脑的控制信号，执行回波强度标定策略。
存储模块以W25Q128FV作为主存储设备构成，临时储存连续波天气雷达数据以及主控模块识别出的一段时间内飞机回波功率值。
回波强度标定策略由主控模块执行，如图2所示，包括两阶段：
A、目标识别与回波功率计算：
A1、主控模块从雷达接收机发送的连续波天气雷达基数据中分别提取出回波强度、多普勒速度、速度谱宽和回波功率四个参数，分别记为Z、V、W和P；
A2、将提取出的四种参数分别转换到高度-产品坐标系，对四种参数进行进行质量控制，包含数据平滑、奇异点去除等常规天气雷达数据处理办法；
A3、对回波强度信号进行重组，原始回波强度信号共有500个格点，按照每20个格点为一组进行重组，重组后的回波强度数组分别为RZ1、RZ2……RZ25，一共25组，计算每一组数据的均方差，得到RZ_VAR1、RZ_VAR2……RZ_VAR25，找出其中的最大值以及其对应的位置，分别记为MAX_RZ_VAR和MAX_RZ_VAR_INDEX；再找出RZMAX_RZ_VAR_INDEX中的最大值以及其对应在原始回波强度数据中的位置，分别记为RZ_MAX和Z_MAX_INDEX；
A4、判断该位置上的多普勒速度、谱宽和回波功率的数值，是否满足阈值识别要求，具体阈值及说明见表1：
判断RZ_MAX的数值是否大于40dBZ，是标记为TRUE1；
判断多普勒速度VZ_MAX_INDEX-5到VZ_MAX_INDEX+5区间段是否同时存在正速度大值中心和负速度大值中心，若存在，判断正负速度大值中心绝对值的差值是否大于等于1m/s，是标记为TRUE2；
判断速度谱宽WZ_MAX_INDEX的值是否大于2，是标记为TURE3；
判断回波功率PZ_MAX_INDEX的值是否大于-100dBm，是标记为TRUE4；
Figure 858105DEST_PATH_IMAGE002
表1：回波强度、多普勒速度、谱宽和回波功率阈值表
A5、若TRUE1、TRUE2、TRUE3、TRUE4均存在，则判定该目标区域回波为飞机产生，主控模块将回波功率PZ_MAX_INDEX以及对应的位置Z_MAX_INDEX连同雷达接收机的雷达数据一起发送给存储模块，并记录保存为一个样本。
B、回波强度在线标定：
B1、雷达接收到的回波功率和距离成反比，同一目标物体在不同高度上产生的不同的回波功率，为了比较雷达性能的稳定性，需要进行距离标准化订正。主控模块提取出一段时间内存储模块内的全部样本，根据各样本中Z_MAX_INDEX将对应的回波功率PZ_MAX_INDEX处理到标准高度上，得到PRZ_MAX_INDEX；
B2、不同目标物的后向散射截面大小也不一样，常见的民航飞机以波音和空客为主，并且可以通过网络查询到实时飞行路线，进行后向散射截面RCS订正。根据民航信息查看雷达站上空飞机的机型，进行雷达散射截面RCS订正，得到RCS_PRZ_MAX_INDEX，作为最终判断依据；
B3、主控模块比较各个样本的最终值RCS_PRZ_MAX_INDEX，判断该值的波动是否不大于2，在线标定连续波天气雷达系统的稳定性。
为了检验本方法的有效性，利用江苏省气象局在南京江宁地区的C波段连续波天气雷达的数据（2021年7月至10月）进行了检验分析，图3圈内为识别的出飞机目标物的回波信号，图4为识别出的飞机信号经过修正后的回波功率图。从图4可以看出，接收到的回波功率值较为稳定，在-96到-98dBm之间波动，一定程度上代表了该雷达在这段期间性能较为稳定，雷达数据质量没有发生明显的偏移。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、从连续波天气雷达基数据中分别提取出回波强度、多普勒速度、速度谱宽和回波功率四个参数；
S2、将提取出的四种参数分别转换到高度-产品坐标系，对四种参数进行特征分析，获取其中目标物为飞机的观测数据，将其回波功率与对应的位置记录保存为一个样本；具体方法为：
S21、将从连续波天气雷达基数据中提取的出回波强度、多普勒速度、速度谱宽和回波功率四个参数分别记为Z、V、W和P，将质量控制后的回波强度信号按照每20个格点为一组进行重组，重组后的回波强度数组分别为RZ1、RZ2……RZi；
S22、计算每一组数据的均方差，得到RZ_VAR1、RZ_VAR2……RZ_VARi，一共i个结果，i为回波强度信号重组后的数量，找出其中的最大值以及其对应的位置，分别记为MAX_RZ_VAR和MAX_RZ_VAR_INDEX；再找出RZMAX_RZ_VAR_INDEX中的最大值以及其对应在原始回波强度数据中的位置，分别记为RZ_MAX和Z_MAX_INDEX；
S23、判断RZ_MAX的数值是否大于40dBZ，是标记为TRUE1；
判断多普勒速度VZ_MAX_INDEX-5到VZ_MAX_INDEX+5区间段是否同时存在正速度大值中心和负速度大值中心，若存在，判断正负速度大值中心绝对值的差值是否大于等于1m/s，是标记为TRUE2；
判断速度谱宽WZ_MAX_INDEX的值是否大于2，是标记为TURE3；
判断回波功率PZ_MAX_INDEX的值是否大于-100dBm，是标记为TRUE4；
S24、若TRUE1、TRUE2、TRUE3、TRUE4均存在，则判定该目标区域回波为飞机产生，将回波功率PZ_MAX_INDEX以及对应的位置Z_MAX_INDEX记录保存为一个样本；
S3、根据位置记录对样本的回波功率进行位置处理，并根据民航信息查看雷达站上空飞机的机型，对样本的回波功率进行雷达散射截面RCS订正；
S4、由多个样本之间修正后的回波功率的波动情况判断雷达性能的稳定性。
2.根据权利要求1所述的连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，其特征在于，步骤S3中对样本的回波功率进行修正方法为：
根据Z_MAX_INDEX将接收到的回波功率PZ_MAX_INDEX处理到标准高度上，得到PRZ_MAX_INDEX；根据民航信息查看雷达站上空飞机的机型，进行雷达散射截面RCS订正，得到RCS_PRZ_MAX_INDEX，保存为最终结果。
3.根据权利要求2所述的连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，其特征在于，步骤S4中多个样本之间修正后的回波功率的波动≤2时，判断雷达性能稳定。
4.根据权利要求1所述的连续波天气雷达在线标定回波强度的方法，其特征在于，步骤S2中将提取出的四种参数分别转换到高度-产品坐标系后，需要对四种参数进行质量控制，包括数据平滑和奇异点去除。
5.一种利用权利要求1所述方法的回波强度标定系统，其特征在于，包括：
通讯模块，用于建立基于网络协议或本地协议的雷达接收机与雷达终端电脑之间的通讯链路；
主控模块，与所述通讯模块通讯连接，接受雷达接收机的雷达数据或雷达终端电脑的控制信号，执行回波强度标定策略；
该回波强度标定策略包括：
A、目标识别与回波功率计算：读取雷达接收机的雷达数据，识别雷达数据中目标物为飞机的观测数据，并将识别到的飞机回波功率值与雷达数据一起发送给存储模块；
B、回波强度在线标定：提取出一段时间内存储模块内的全部飞机回波功率值，并判断回波功率的波动情况，实现连续波天气雷达回波强度在线标定；
存储模块，临时储存连续波天气雷达数据以及主控模块识别出的一段时间内飞机回波功率值。
6.根据权利要求5所述的回波强度标定系统，其特征在于，所述主控模块以TWMS320C6455BNCTZ作为主芯片构成。
7.根据权利要求5所述的回波强度标定系统，其特征在于，所述通讯模块为采用Intel82576EB千兆网卡芯片，基于UDP协议与雷达接收机和雷达终端电脑进行通讯。
8.根据权利要求5所述的回波强度标定系统，其特征在于，所述存储模块以W25Q128FV作为主存储设备构成。
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