一种双偏振天气雷达zdr在线标定方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双偏振天气雷达的ZDR (差分反射率因子）标定，具体涉及一种在 线标定方法及装置。
【背景技术】
[0002] 双线偏振天气雷达（以下简称：双偏振雷达）同时或交替发射水平和垂直偏振电磁 波，获取云雨粒子的大小、形状、数量、相态（固态、液态、混合态)、空间取向等观测信息。这 些观测数据广泛应用于短时临近天气预报、灾害性天气预警、人工影响天气、水文径流预测 等多个领域。
[0003] 差分反射率因子（ZDR)是双偏振雷达观测的主要偏振量之一，是由水平和垂直通 道回波功率的差异计算而来，是小信号量。它不仅与云雨粒子的特征有关，还与双通道差异 (天线、波导、接收机水平垂直差异)有关。由于受硬件加工精度、元器件参数漂移、热噪声起 伏等影响，双偏振雷达的水平垂直通道参数不能完全一致，所以在观测过程中需要经常标 定来修正ZDR的硬件偏差。
[0004] 发明专利CN201310202199. 1描述了采用双通道全路径收发标校技术，减少双通 道收发系统误差，即修正ZDR硬件偏差。这种技术的缺点是无法实时标定天线、馈线(波导） 的水平垂直差异，同时存在标校信号误差的问题。因此，基于自然源信号的标定方法被广泛 应用于天气雷达。常用的标定方法之一是用雷达观测太阳信号，被称为太阳法。太阳法已 被广泛应用于天气雷达标定，常规天气雷达利用太阳法标定天线指向误差，双偏振天气雷 达还利用太阳法进行ZDR标定，订正双通道不一致引起的ZDR偏差。由于太阳辐射电磁波 是随机/均匀极化(偏振)的，水平和垂直方向的辐射能量是相同的，ZDR理论/真实值为0。 所以，用雷达观测太阳信号的理论值与测量值的差就是雷达双通道的差异。
[0005] 传统的太阳法标定是离线式的，有以下几个步骤：在特定时段，停止天气回波观测 (关闭雷达发射机)，运行标定/测试软件，计算太阳的角度，控制雷达在太阳当前角度附近 上下左右搜索，找到最大回波功率(主波束中心正对太阳）位置，计算ZDR平均偏差（同时计 算雷达角度偏差)，修改信号处理机参数，结束标定。见(杜牧云等，2013 ;敏视达雷达测试软 件用户手册，第十章 P54)文献描述。离线式标定方式的缺点： 1、中断雷达正常观测。标定过程中不能观测天气回波，造成观测数据的不连续。
[0006] 2、整个过程要人工控制。标定时，人工关闭天气回波观测软件，对计算机精确对 时，启动标定/测试软件。
[0007] 3、标定参数设置比较复杂的，需要经过特定培训的人员来完成。
[0008] 4、太阳角度是不断变化的，难以将雷达天线精确指向太阳中央，所以要求反复多 次进行。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种能够进行双偏振天气雷 达ZDR在线标定的方法及装置。
[0010] 为了达到上述目的，本发明提供了一种双偏振天气雷达的ZDR在线标定方法，该 方法包括以下步骤： (1) 接收双偏振天气雷达的信号处理机输出的径向数据； (2) 识别步骤（1)接收的径向数据中的太阳回波信号； (3) 将步骤（2)中识别的太阳回波信号进行二次曲面拟合，计算ZDR偏差，进行ZDR标 定。
[0011] 其中，步骤（2)中太阳回波信号具体识别方法如下： a、 径向数据的角度判断； b、 径向数据的反射率因子有效库数所占比例判断； c、 径向数据的差分反射率因子有效库数所占比例判断； d、 径向数据的径向速度有效库数判断； e、 径向数据的反射率因子均值判断； f、 径向数据的反射率因子标准方差判断； g、 当接收的径向数据经a至f判断均满足条件，则判断为太阳回波信号，形成一个样 本。
[0012] a至f各步骤的具体判断方法如下： a、径向数据的方位角与太阳真实方位角差值小于阈值THRES_AZ，且径向数据的仰角与 太阳真实仰角差值小于阈值THRES_EL，即判断满足条件；阈值THRES_AZ最佳取值为3. 0°， 阈值THRES_EL最佳取值为1. 0° ;同时径向数据的仰角可通过天线水平倾角数据进行修 正。
[0013] b、计算径向数据的反射率因子有效库数占总库数的比值，当比值大于阈值THRES_ Z_BINS，即判断满足条件；阈值THRES_Z_BINS最佳取值为0. 8 ; c、 计算径向数据的差分反射率因子有效库数占总库数的比值，当比值大于阈值THRES_ ZDR_BINS，即判断满足条件；阈值THRES_ZDR_BINS最佳取值为0. 8 ; d、 计算径向数据的径向速度有效库数占总库数的比值，当比值小于阈值THRES_V_ BINS，即判断满足条件；阈值THRES_V_BINS最佳取值为0. 2 ; e、 计算径向数据的反射率因子均值，当均值小于阈值THRES_Z_MEAN，即判断满足条件； 阈值THRES_Z_MEAN最佳取值为10.0 dB ; f、 计算径向数据的反射率因子标准方差，当标准方差小于阈值THRES_Z_STD，即判断满 足条件；阈值THRES_Z_STD最佳取值为1.0 dB。
[0014] 当经步骤（2)判断后所得样本数大于阈值THRES_SAMPLE_NUM时，再进行所述步骤 (3 )的处理。其中，阈值THRES_SAMPLE_NUM最佳取值为50。
[0015] 步骤（3)中二次曲面拟合采用拟合椭圆抛物面的方法，X轴取太阳真实方位角与 样本方位角的差值，Y轴取太阳真实仰角与样本仰角的差值，Z轴取样本的ZDR值，通过椭圆 抛物面方程，计算曲面顶点的ZDR值，即为所述ZDR偏差。
[0016] 本发明还提供了一种采用上述方法的双偏振天气雷达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；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；主控制板分别与GPS模块、水平倾角模块及存 储器相连。
[0017] 本发明相比现有技术具有以下优点：本发明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，在标定过程中能同时观测天气回波，保证了观 测数据的连续性。本发明适用于所有的双偏振天气雷达，能提高双偏振雷达数据精度，具有 广阔的应用前景。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明在线标定方法的流程图； 图2为本发明在线标定装置的结构框图； 图3为效果实施例中采用双偏振天气雷达观测到的太阳回波； 图4为效果实施例中拟合得到的曲面图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0020] 装置实施例 如图2所示，本发明双偏振天气雷达ZDR在线标定装置包括网络通讯模块、主控制板、 GPS模块、水平倾角模块和存储器。
[0021] 1、网络通讯模块采用OAHE W5500以太网芯片，基于TCP/IP协议(通讯协议：径向 数据时间频率高、数据量大，接收采用UDP组播协议，传输率高，实时性好。修正偏差指令数 据量小，采用TCP协议，可靠性好)，与双偏振天气雷达的信号处理机通讯，实时接收信号处 理机输出的径向数据并传送给主控制板；把主控制板生成的修正偏差指令发送给信号处理 机。
[0022] 2、GPS模块采用HOLUX M-87超高精度的GPS模块(GPS模块定位精度〈=10米，输 出频率>IHZ)，与主控板通过RS-232 TTL端口通讯，通讯协议采用NMEAO183,为主控制板提 供高频率的GPS时间、经炜度信息。
[0023] 3、水平倾角模块采用无锡慧联LIS326双轴倾角传感器模块(测量范围>10度，精 度〈=〇. 1度，频率响应>l〇〇Hz)，与主控制板通过串口通讯，通讯协议采用NMEA0183,为主控 制板提供高频率的天线XY轴水平倾角信息。
[0024] 4、存储模块采用Arduino Micro SD卡模块和SanDisk SDHC卡（容量彡32G，读写 速度多ΙΟΜ/s)，与主控板通过SPI接口连接，用于存储自动识别出来的太阳信号数据及其 对应的GPS时间、天线方位读数、天线俯仰读数、水平倾角读数等信息。
[0025] 5、主控制板：主控板采用ARMll四核，256M内存，运行Linux系统。方法核心代码 由C++语言实现，包括太阳角度计算、径向数据处理、太阳信号识别、二次曲面拟合、双通道 偏差分析等。5个模块在主控制板协调下，实时接收径向数据，在线提取太阳回波，分析ZDR 偏差，发送修正偏差指令给雷达，配合完成整个实时在线标定过程。
[0026] 方法实施例 本发明双偏振天气雷达ZDR在线标定的具体方法如下： 1)通过网络通讯模块网络接收信号处理机输出的径向数据。
[0027] 径向数据是指雷达一个观测方向的数据，包括方位角、仰角、时间及每个距离库上 的反射率因子（Z)、径向速度（V)、谱宽（SW)、差分反射率因子（ZDR)、相关系数（CO等等。双 偏振天气雷达主流的信号处理机支持实时网络传输。
[0028] 2)自动识别太阳回波信号 2. 1)利用天线水平倾角数据，修正径向数据的平台偏差。
[0029] -般来说雷达天线安装调校后都是水平的，但某些水平调校误差、雷达高塔的自 然摆动或移动雷达支撑脚不实，都可能产生倾角偏差。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。
[0030] 2. 2)利用特征分析法识别太阳回波信号。
[0031] 双偏振雷达观测的太阳回波具有空间、形态、物理量分布