生倾角偏差。这些偏差经过水平倾角数据修正后 能使在线标定结果更精确。
[0033] 2. 2)利用特征分析法识别太阳回波信号。
[0034] 双偏振雷达观测的太阳回波具有空间、形态、物理量分布特征。在空间上，太阳回 波出现的角度与真实太阳角度相近。理论上如果天线指向精准的话，二个角度是严格一致 的。但实际上由于天线指向存在微小误差，所以二个角度是非常相近的。在回波形态上，太 阳回波集中在某一个或几个相邻径向上，反射率因子和差分反射率因子ZDR充满整个径向 的所有距离库，且不同距离库的Z (忽略距离订正）或ZDR数值相当，起伏不大。在物理量 上，太阳回波仅在Z和ZDR中存在。太阳电磁波相位随机变化，所以与相位有关的物理量， 如径向速度、谱宽、相关系数等，太阳回波处均为空值或无效数据。基于上述特点，设计了 6 个太阳回波特征识别条件，如果某一径向数据满足所有条件，则认为是太阳回波信号，否则 不是。
[0035] 具体方法如下：
[0036] a)角度判断
[0037] 判断当前径向数据角度是否在真实太阳角度附近。GPS模块获取精准的时间和经 炜度后，利用天文算法计算当前时刻地点的太阳真实方位角和仰角。如果当前径向数据的 方位角与太阳真实方位角差值小于阈值THRES_AZ (默认值为3. 0度)，并且当前径向数据 的仰角与太阳真实仰角差值小于阈值THRES_EL (默认值为I. 0度)，则满足条件；否则不满 足。这一条件可以减少大部分电磁杂波及层状云降水回波的干扰，提高太阳回波提取的准 确率。
[0038] b)反射率因子（Z)有效库数判断
[0039] 计算当前径向数据的反射率因子有效库数所占的比例，判断是否满足阈值。径向 上每个距离库的数据由有效值或空值(无效值）填充，有效值是在合理范围内的回波数值； 空值(无效值)是特殊的标记值(如-32768)，表示该距离库无回波信号。统计当前径向Z的 有效库数占总库数的比值，如果比值大于阈值THRES_Z_BINS (默认为0. 8)，则满足条件，否 则不满足。
[0040] C)差分反射率因子（ZDR)有效库数判断
[0041] 与条件（2)类似，计算当前径向ZDR有效库数所占的比例。如果大于阈值THRES_ ZDR_BINS (默认为0. 8)，则满足条件，否则不满足。
[0042] d)径向速度（V)有效库数判断
[0043] 计算当前径向中径向速度有效库数所占的比例。如果小于阈值THRES_V_BINS(默 认为0. 2)，则满足条件，否则不满足。由于太阳回波对应的径向速度为空值，所以如果一个 径向数据是太阳回波，那么径向速度中空值一定占大多数。
[0044] e)平均反射率因子（Z)判断
[0045] 与降水信号比，太阳信号是比较弱的，反射率因子值很小。计算当前径向反射率 因子均值。如果均值小于阈值THRES_Z_MEAN (默认为10. 0 dB)，则满足条件，否则不满足。
[0046] f)反射率因子（Z)标准方差判断
[0047] 忽略距离订正后，太阳回波的Z值在径向上是比较均匀的，库间变化很小，所以标 准方差不大。计算当前径向反射率因子标准方差。如果标准方差小于阈值THRES_Z_STD(默 认为1.0 dB)，则满足条件，否则不满足。
[0048] 如果一个径向数据满足上述6个条件，则判断为太阳信号，将径向的方位角和仰 角、GPS时间和经炜度、太阳的方位角和仰角、反射率因子均值和方差、差分反射率因子均值 和方差记录下来，形成一个样本。
[0049] 3)二次曲面拟合计算ZDR偏差
[0050] 如果样本数大于阈值THRES_SAMPLE_NUM (默认为50)，则认为样本数足够，开始计 算ZDR偏差。不同于传统离线方法，本方法提取的太阳信号是在天线主波束宽度范围内的， 波束中心未必准确指向太阳。理论上，如果天线主波束水平宽度与垂直宽度完全一致，即水 平垂直天线增益相同，那么在主波束的任何位置，太阳信号的ZDR均为0,这样的话直接用 所有样本的ZDR平均值就是ZDR偏差。但实际上受天线加工工艺的限制，无法达到天线水 平垂直完全一致，因此不能用样本ZDR均值来计算偏差。在天线水平垂直不一致时，根据 ZDR值在主波束内分布的特点，越靠近主波束中心，ZDR值越小，越远离主波束中心，ZDR值 越大，并且呈现高斯分布的特征。由此，采用拟合椭圆抛物面的方法，X轴取太阳方位角与 径向方位角的差值；Y轴取太阳仰角与径向仰角的差值；Z轴取太阳的ZDR值。通过椭圆抛 物面方程，计算曲面顶点的ZDR值，就是ZDR偏差。通过顶点处的X和Y值就是天线的方位 和仰角误差。
[0051] 以上各阈值可以根据具体双偏振天气雷达参数进行调整，如下表所示。
[0052] 表1方法阈值列表及最佳实现说明
[0054] 效果实施例
[0055] 为了检验本实用新型方法的有效性，采用南京信息工程大学C波段双偏振多普勒 天气雷达（NUIST-CDP)数据进行了对比检验，在正常天气模式下观测到的太阳回波如图3 所示，图中左为反射率因子，右为差分发射率因子)。将>50个在线提取的太阳回波样本绘 制成图4所示，图中三个坐标分别为dEL表示太阳仰角与径向数据仰角差；dAZ为表示太阳 仰角与径向数据方位角差；ZDR为太阳信号的差分反射率因子值。经过二次曲面拟合后，得 到雷达ZDR偏差为0.066dB。离线标定得到的偏差为0.05dB。将离线标定结果作为真值， 那么在线标定偏高0. 〇16dB，远小于0.1 dB的精度要求，因此在线标定结果与离线标定结果 同样有效。
【主权项】
1. 一种双偏振天气雷达ZDR在线标定装置，其特征在于：包括网络通讯模块、GPS模块、 主控制板、水平倾角模块和存储器；所述主控制板通过网络通讯模块与待标定双偏振天气 雷达的信号处理机相连；所述主控制板分别与GPS模块、水平倾角模块及存储器相连。2. 根据权利要求1所述的双偏振天气雷达ZDR在线标定装置，其特征在于：所述网络 通讯模块采用OAHEW5500以太网芯片；所述GPS模块采用HOLUXM-87超高精度的GPS 模块；所述水平倾角模块采用无锡慧联LIS326双轴倾角传感器模块。
【专利摘要】本实用新型公开了一种双偏振天气雷达ZDR在线标定装置。本实用新型ZDR在线标定装置包括网络通讯模块、GPS模块、主控制板、水平倾角模块和存储器；所述主控制板通过网络通讯模块与待标定双偏振天气雷达的信号处理机相连；所述主控制板分别与GPS模块、水平倾角模块及存储器相连。采用本实用新型能有效进行实时在线标定，无需人工干预，自动完成，不需要中断雷达的正常观测。
【IPC分类】G01S7/40
【公开号】CN205015473
【申请号】CN201520773068
【发明人】楚志刚, 胡汉峰, 吴迪, 陈魁
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月8日