天气雷达定标方法与流程

本发明涉及天线面阵加工技术领域，特别是天气雷达定标方法。

背景技术：

本公司生产的cinrad-sc/cd型雷达投入业务运行以来，总体运行稳定，在天气预报服务、防灾减灾等方面发挥了重要作用。但是随着运行年限的增加，雷达故障逐步增多，设备硬件老化、可靠性和性能参数降低，影响了雷达观测数据质量，同时雷达智能化程度无法满足气象现代化发展需求,软件测试功能不完善，专用雷达参数测试平台缺乏，自动在线监测点不足、远程诊断功能和自动在线定标功能不完善，雷达建设效益没有得到充分发挥。

改进前的雷达，在每个体扫间隔只进行特性曲线标校和发射峰值功率的测量，用于下一次体扫周期的强度标校。而相位噪声、噪声系数、强度定标等检测项目，需要采用人工干预的方式进行在线定标，系统不能进行杂波抑制能力在线检测，上传参数较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供能自动在线校正、准确性好、精度高的天气雷达定标方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：天气雷达定标方法，所述天气雷达定标方法的定标步骤在rda启动期间(增加相噪和地杂波抑制测试)，以及在rda正常运行时两个体扫之间的从高仰角到低仰角转换期间完成，

所述天气雷达定标时的定标项包括：①线性通道反射率，②反射率定标检查，③速度和谱宽检查，④杂波抑制检查、⑤噪声电平，⑥系统噪声温度检查；

在体扫之间进行①、③、⑤、⑥测试，但只有仰角大于3.5度时才做测试⑤和测试⑥中的噪声电平部分；系统8小时测试(即系统冷启动时，系统累计运行8小时时和“离线”工作状态)增加②和④测试，即进行全部6个定标。系统在锥扫之间不进行定标，仅计算发射机功率。

所述的天气雷达定标的步骤为：

s1、线性通道反射率，即回波强度定标，新的强度校正值应用于下一个体扫，参与标校的信号有cw和rfd(脉宽10μs)；

s11、通过频率综合器提供连续波测试信号，即cw信号，其功率为-90～-40dbm，间隔为10db，其距离范围为5～200km范围，取5km、50km、100km、150km、200km距离点，经测试通道注入接收机；

s12、从脉冲功放耦合输出的脉冲激励信号采样，并从接收前端分别注入小、中、大功率的脉冲激励信号(距离固定为1.5km，功率为-60dbm，-45dbm，-25dbm)；

s13、根据每次体扫开始前四种测试信号的在线定标情况，计算出线性通道增益定标目标常数的变化量δsr，并在下一个体扫开始校正回波强度测量值；δsr计算方法为：

则用于下一个体扫校正回波强度测量值的线性通道增益目定标常数sr目标-更新，计算方法为：

sr目标-更新＝sr测量+δsr，

其中，sr测量为测量获得的线性通道增益定标目标常数；

s2、反射率定标检查，即强度定标检查，不更改强度校正值，只做超限告警用。利用经过延迟线后的kd信号作为测试信号；

在发射状态下，使用延迟10μs/5μs的速调管输出测试信号(kd)，并从接收前端分别注入三种功率信号(功率为-65dbm，-55dbm，-45dbm)，利用反射率校准值与测试目标信号进行比较，以确定它是否位于限定范围内。如果反射率测量值与预期值之间的差值超过一定范围，则产生告警信号，计算方法为：

s3、速度和谱宽检查，在两个体扫间隙的高仰角向低仰角转换期间，测试信号cw开启，控制频率综合器频率(或相位)，将测试信号注入接收机前端，距离5km～200km，接收前端注入峰值功率-40dbm；移相值测试4个点，测试值与期望值进行对比，如误差超过1m/s则报警提示；

s4、杂波抑制检查，在发射状态下，利用经过延迟线后的kd信号作为测试信号，依据其滤波前后的强度差检查判断杂波抑制能力是否合格，超限告警；

s5、噪声电平测量，不关高压，发射机不发射，pin开关转到测试通道，无噪声采样；

s6、噪声温度检查，不关高压，发射机不发射，将噪声信号通过测试通道注入接收机前端，无噪声采样，加噪声采样，测试噪声系数nf，通公式换算出噪声温度tn，计算方法为：

如果测试的噪声温度超出范围，则产生告警信号。

进一步地，所述的天气雷达为从离线状态或者8小时工作后，进行冷启动时，上一次的体扫所使用的参数为天线雷达出厂参数。

进一步地，所述的速度和谱宽标定中，速度标定包括平均径向速度离线定标、平均径向速度在线定标；平均径向速度在线定标采用常规的机械雷达定标方式进行定标；而平均径向速度离线定标包括机内信号源、机外信号源两种方法。

更进一步地，所述的机内信号源方法，采用移相或移频方法，在两个体扫间隙的高仰角向低仰角转换期间，控制测试通道开关和频率源频率或相位，将测试信号注入接收机前端，从终端采集测试信号速度值，并和理论计算值比较，检查速度测量误差。

所述的机外信号源方法，采用移频方法，将测试信号注入接收机前端，从终端采集测试信号速度值，并和理论计算值比较，检查速度测量误差。

本方案达到的有益效果是：

(1)改进回波强度定标技术，采用测量接收机前端注入功率对回波强度进行定标，满足雷达站随时用功率计进行回波强度定标；

(2)增加rfd信号的回波强度自动在线校正功能，改进发射功率在线检测技术，增加天线功率检测点，提高发射功率在线测量稳定度和精度；

(3)在线检测定标信号定时检测雷达气象方程中的相关参数变量(如发射功率、系统噪声、接收增益、发射脉宽等)，并通过期望值与实测值的比较，确定测量误差，在下一个体扫周期内进行自动校正，提高回波强度测量的精度；

(4)增加kd(发射机输出测试)信号回波强度定标检查监控，当回波强度测量误差超限时在线报警。

(5)通过回波强度定标、在线实时测量误差校正、定标检查、误差超限在线实时报警四种方法，保证回波强度测量误差在±1db范围内，提高回波观测资料可靠性。

(6)改进速度在线定标技术，增加burst信号，通过对发射信号进行幅度相位校正，使相噪指标提高到小于0.2度，提高速度测量精度。

(7)完善在线自动检测定标功能，增加相位噪声、噪声系数、杂波抑制能力、速度自动在线检测和反射率强度自动在线标校功能。

(8)通过定标体系的改进，实现所有定标参数的在线自动检测和上传；强度标校采用3种不同信号进行标校和检查，确保回波强度参数的准确性。

附图说明

图1本方案天气雷达测试信号流程图；

图2本方案天气雷达定标流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～图2，以为cinrad-sc/cd型天气雷达为例，运用本方法进行定标，该型天气雷达回波强度定标主要涉及发射通道、接收通道、天馈线、测试通道和软件及适配数据。发射功率pt由微波功率探头通过测试电缆从速调管输出耦合采样。频率综合器分别提供连续波测试信号(cw信号)和发射机射频脉冲激励信号(rfdriver信号)。cw信号通过测试通道注入接收机，以检测接收通道性能，接收机定标测试信号注入点为接收支路损耗测量路径终止点。脉冲功放耦合输出rfd信号经测试通道注入接收机，以检测接收通道和射频放大链路性能。kd为速调管输出耦合信号，用于地杂波抑制检测。

所述天气雷达定标方法的定标步骤在rda启动期间，以及在rda正常运行时两个体扫之间的从高仰角到低仰角转换期间完成，其具体步骤为：

雷达运行中rdasot软件根据适配参数计算cw、rfd、kd的目标值，并与实际测量值进行比较和在线标校。

syscal基准值对应的雷达适配数据，通过在雷达非体扫状态下借助机外仪表和软件完成定标。syscal基准初始值在出厂时设定，在实际工作中需要进行不断定标和校正。

syscal基准值定标通过rdasot软件完成。rdasot软件控制机内或机外信号源从接收前端注入功率pr已知的连续波(cw)测试信号，cw信号功率在-90～-40dbm范围(间隔为10db)和5～200km距离范围(取5km、50km、100km、150km、200km距离点)。rdasot软件根据公式计算dbz目标和得到实际测量值dbz实测，并可以得到所有测量点的测量误差(δ＝dbz目标-dbz实测)。

工作中实施定标按照syscal基准值(新)＝syscal基准值(原)+δ来更新syscal基准值。如果δ＜0，则新的syscal基准值小于原值，否则反之。δ应根据所有测量点的差值大小和线性情况来确定，并使得syscal基准值(新)满足所有测量点的误差值在±1dbz范围内的要求。

从图1可见，机内测试信号经过了测试通道和接收通道，需要用机外仪表功率计分别测量测试通道输入输出测试信号功率，来定标测试通道的路径损耗值，消除测试通道引起的定标误差。这样，可确保接收机的实际注入功率与期望注入功率一致，保证期望值的正确。

syscal基准定标是一种静态(离线)校正，有δsyscal＝0，则syscal＝syscal基准，采用机外仪表进行syscal基准值定标主要是确保测试通道可靠并校正接收通道的测量偏置。

δsyscal通过动态、在线定标确定，即在雷达体扫状态下借助机内定标系统和软件完成定标。由公式可知，δsyscal随δc和δpr变化，其中δc是雷达常数变化，反映雷达发射系统性能变化，δpr是接收功率变化，反映雷达接收系统的性能变化。δsyscal定标通过rdasot软件完成。

δc、δpr定标：雷达常数通常认为λ、pt、τ、g、θ、几乎不变，发射功率pt稳定性较差。所以，雷达常数c的变化主要由发射功率的变化决定，即δc＝-δpt，δpt采取实测发射功率与基准功率的比值，即δpt＝10log(p基准/pt)。若实测发射功率大于基准功率，δpt小于0；反之，δpt大于0。

rdasot软件控制测试定标系统从脉冲功放耦合输出的脉冲激励信号采样，并从接收前端分别注入小、中、大功率的脉冲激励信号(距离固定为1.5km，功率为-60dbm，-45dbm，-25dbm)，得到rfd1、rfd2、rfd33个实测功率值，与相应的期望值进行比较，得到δr1、δr2、δr33个误差值。

rdasot软件在每个体扫开始前控制机内测试定标系统完成δsyscal定标。

在定标中，需首先确定发射功率基准值、rfd基准值和syscal基准值，在雷达适配参数中进行设定，作为回波强度在线定标的基准。

发射功率基准值：在适配数据中设定功率基准，缺省为650kw/250kw。

采用机外仪表实测发射功率，修改适配数据，标校机内功率测量值，确保机内、机外功率测量值一致。

rfd基准值：根据射频脉冲激励采样信号实测功率，修改适配数据(测试路径损耗+取样电缆总损耗)、确定rfd1、rfd2、rfd3基准值。

kd基准值：根据速调管kly耦合信号实测功率，修改适配数据(测试路径损耗+取样电缆总损耗)、确定kd1、kd2、kd3基准值。

再根据cw的期望值和实测值调整syscal值，直到期望值与实测值一致为止。

最后调整rfd、kd的期望值与实测值一致，调整方法与cw调整相同。注意调整cw的期望值与实测值是最关键的步骤，只有cw调整正确后，才能进行rfd、kd的调整。