一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置的制作方法

1.本实用新型涉及双偏振天气雷达校准技术领域，具体涉及一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置。


背景技术：

2.新一代天气雷达(cinrad)全国联网在线的数量有230多部，在全国精细化天气预报业务和灾害性天气监测预警中发挥了不可或缺的作用。组网雷达数据的准确性和一致性直接影响雷达应用和效益发挥，尤其是数字预报模式的发展对组网雷达数据同化提出了更高要求。而提高天气雷达探测数据的准确性和可靠性，确保全国组网天气雷达观测数据质量，其关键是建立起完善的天气雷达标定业务，以及为标定业务提供支撑的技术规范和平台。
3.差分反射率是双偏振天气雷达重要系统指标，用于天气目标识别。但目前双偏振天气雷达缺少可方便实施的差分反射率参数测量标定手段，难以在生产使用阶段出厂验收时对雷达差分反射率性能进行测量评估，在用户使用中不断发现不同雷达系统差分反射率参数差异很大。
4.雷达发射、接收双通道幅相一致性的校准质量会影响差分反射率的测量。但目前大多数雷达幅相一致性校准均仅在机内进行，站在远场外回路角度，此种差分反射率校准没有实际意义，由于缺少远场外回路校准可能导致各型号雷达差分反射率指标差异大，对目标的测量效果只能在本雷达不同天气条件测试结果中对比，导致雷达与雷达之间数据同化很难实现。
5.此外，双偏振天气雷达接收极化垂直通道与水平通道针对不同相态目标呈现的差分反射率因子z
dr
不同，覆盖动态范围较大，z
dr
在小于0.3mm雨滴时约为0db，在1.35mm雨滴时约为1.3db，在1.75mm雨滴时约为1.9db，在2.65mm雨滴时约为2.8db，在2.9mm雨滴时约为3.3db，在3.68mm雨滴时约为4.1db
……
。可见，在不同雨滴测量时天气雷达两个接收通道的非线性会带来z
dr
的非线性误差。


技术实现要素：

6.本实用新型提供一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置，能对被标定的双偏振天气雷达发射、接收双通道进行幅相一致性校准以及对双偏振天气雷达接收双通道进行非线性校准，以克服上述技术问题。
7.为了解决上述问题，本实用新型公开了一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置，包括：
8.主机，所述主机上设置有变极化发射天线、固定极化发射天线、垂直极化接收天线、水平极化接收天线以及极化扫描伺服驱动系统；
9.所述极化扫描伺服驱动系统与所述变极化发射天线连接，用于驱动所述变极化发射天线按不同的变极化角度进行极化扫描，所述变极化角度至少包括45
°
；
10.所述垂直极化接收天线，极化方向垂直于水平面设置，所述垂直极化接收天线与所述主机内的h接收支路连接；
11.所述水平极化接收天线，极化方向平行于水平面设置，所述水平极化接收天线与所述主机内的v接收支路连接；
12.其中，所述h接收支路和所述v接收支路的幅度相等且相位差为0。
13.在本实用新型一实施例中，还包括：
14.天线喇叭支架，所述天线喇叭支架位于所述主机的上端；
15.所述固定极化发射天线、垂直极化接收天线、水平极化接收天线并排设置于所述天线喇叭支架的顶端且与所述天线喇叭支架分别连接；
16.所述变极化发射天线与所述极化扫描伺服驱动系统分别位于所述天线喇叭支架的两侧，其中，所述变极化发射天线安装于所述天线喇叭支架上。
17.在本实用新型一实施例中，还包括：
18.调平支架，所述调平支架设置于所述天线喇叭支架和所述主机之间，用于将所述天线喇叭支架调平。
19.在本实用新型一实施例中，所述主机包括：
20.壳体，所述壳体上设置有模拟目标标定系统和计算机主机；
21.所述模拟目标标定系统，与所述变极化发射天线、所述固定极化发射天线分别通过两个发射支路连接，与所述极化扫描伺服驱动系统连接，以及与所述h接收支路和所述v接收支路分别连接；
22.所述计算机主机与所述模拟目标标定系统连接。
23.在本实用新型一实施例中，所述模拟目标标定系统包括频综、模拟目标板、控制板以及信号处理板；其中，
24.所述频综与所述两个发射支路、所述h接收支路以及所述v接收支路分别连接；
25.所述模拟目标板与所述两个发射支路、所述h接收支路以及所述v接收支路分别连接；
26.所述控制板与所述模拟目标板、极化扫描伺服驱动系统分别连接；
27.所述信号处理板与所述模拟目标板通过光纤连接。
28.在本实用新型一实施例中，还包括水平泡，所述水平泡与所述变极化发射天线连接，所述水平泡用于校准所述变极化角度。
29.在本实用新型一实施例中，所述主机的下端还设置有可调节支撑架，所述可调节支撑架用于对所述主机的高度进行调节。
30.本实用新型包括以下优点：
31.本实用新型所提出的校准装置包括主机，所述主机上设置有变极化发射天线、固定极化发射天线、垂直极化接收天线、水平极化接收天线以及极化扫描伺服驱动系统；所述极化扫描伺服驱动系统与所述变极化发射天线连接，用于驱动所述变极化发射天线按不同的变极化角度进行极化扫描，所述变极化角度至少包括45
°
；所述垂直极化接收天线，极化方向垂直于水平面设置，所述垂直极化接收天线与所述主机内的h接收支路连接；所述水平极化接收天线，极化方向平行于水平面设置，所述水平极化接收天线与所述主机内的v接收支路连接；其中，所述h接收支路和所述v接收支路的幅度相等且相位差为0。基于上述结构，
本实用新型通过调整不同的变极化角度，能实现天气雷达接收通道的非线性校准；通过将变极化发射天线的变极化角度调整为45
°
，可在远场向被标定天气雷达发射水平极化与垂直极化幅度相等且相位差为0
°
的模拟目标信号，以对天气雷达接收通道的幅相一致性进行校准；在被标定天气雷达发射天线置双极化时，本实用新型的校准装置在远场可通过垂直极化接收天线、水平极化接收天线分别接收来自被标定天气雷达发射信号，能对天气雷达的发射支路幅相一致性进行校准。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是现有双偏振天气雷达的原理框图；
34.图2是本实用新型天线喇叭支架的结构示意图一；
35.图3是本实用新型天线喇叭支架的结构示意图二；
36.图4是本实用新型一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置的结构示意图一；
37.图5是本实用新型一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置的结构示意图二；
38.图6是本实用新型主机的结构示意图；
39.图7是本实用新型一实施例模拟目标标定系统的功能模块框图。
40.附图标记说明：
[0041]1‑
主机；2
‑
变极化发射天线；3
‑
固定极化发射天线；4
‑
垂直极化接收天线；5
‑
水平极化接收天线；6
‑
极化扫描伺服驱动系统；7
‑
天线喇叭支架；8
‑
计算机主机；9
‑
可调节支撑架；10
‑
调平支架。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0043]
参照图1，为双偏振天气雷达的原理框图。其发射机输出大功率探测脉冲，经功分器功分两路，送垂直极化与水平极化两个环行器，再送双路旋转关节，分别通过两路馈线，送到天线双极化馈源垂直极化馈电端口和水平极化馈电端口，在双极化馈源形成电磁波向反射体辐射，反射体形成波束向空间辐射。从功分器的单路信号到馈源输出垂直极化与水平极化两路大功率射频信号，由于发射机从功分器之后分为两个发射支路(通道)，两个发射支路的插损和相移均不同，其幅相一致性影响双偏振雷达差分反射率因子及差分传播相移等指标。因此，需要对发射支路幅相一致性进行校准。
[0044]
向空间辐射的电磁波遇到目标反射回来，经反射体聚焦到天线馈源接收，回波垂
直极化分量进入垂直极化馈线，水平极化分量进入水平极化馈线，再通过旋转关节送人两个环行器，经环行器进入接收机进行目标放大变频滤波检测。由于所接收的回波信号从天线馈源进入后分为垂直极化和水平极化两个接收支路(通道)，从接收机输出，由于两个接收支路馈线插损相移不同，接收机增益和相移不同，其两个接收支路幅相一致性影响双偏振天气雷达差分反射率因子及差分传播相移等指标。因此，需要对两个接收支路的幅相一致性进行校准。
[0045]
针对上述问题，本实用新型提出了一种双偏振天气雷达差分反射率动态与非线性校准装置，该装置包括：
[0046]
主机1，主机1上设置有变极化发射天线2、固定极化发射天线3、垂直极化接收天线4、水平极化接收天线5以及极化扫描伺服驱动系统6；
[0047]
极化扫描伺服驱动系统6与变极化发射天线2连接，用于驱动变极化发射天线2按不同的变极化角度进行极化扫描，变极化角度至少包括45
°
；
[0048]
垂直极化接收天线4，极化方向垂直于水平面设置，垂直极化接收天线4与主机1内的h接收支路连接；
[0049]
水平极化接收天线5，极化方向平行于水平面设置，水平极化接收天线5与主机1内的v接收支路连接；
[0050]
其中，h接收支路和v接收支路的幅度相等且相位差为0。
[0051]
本实用新型所提出的校准装置属于用于对双偏振雷达进行标定的标定仪的一部分，可以用于对双偏振雷达差分反射率动态、非线性等参数标定。
[0052]
其中，本实用新型对被标定天气雷达发射支路幅相一致性进行校准的具体原理为：本实用新型的校准装置在远场通过垂直极化接收天线4和水平极化接收天线5接收雷达发射信号，其中，垂直极化接收天线4接收雷达发射信号中的垂直极化分量，然后送入主机1内的h接收支路；水平极化接收天线5接收雷达发射信号中的水平极化分量，然后送入主机1内的v接收支路。由于本实用新型校准装置的h接收支路和v接收支路的幅相一致性已被预先校准，即两者幅度相等且相位差为0，因此，通过将h接收支路输出的垂直极化分量与v接收支路输出的水平极化分量进行比对，即可准确计算出两个分量的幅度比和相位差，从而得到雷达发射支路的幅度校准系数和相位补偿参数，以此可以对被标定天气雷达发射支路的幅相一致性进行校准。
[0053]
其中，本实用新型对被标定天气雷达接收支路幅相一致性进行校准的具体原理为：
[0054]
本实用新型的校准装置接收上述雷达发射信号后，可以在主机1内产生模拟目标信号，模拟目标信号发射不是通过单一固定极化发射天线3发射而是通过变极化发射天线2发射，极化扫描通过极化扫描伺服驱动系统6调整变极化发射天线2的变极化角度实现。将变极化发射天线2的变极化角度维持在45
°
，以此可以通过变极化发射天线2向被标定雷达辐射水平极化与垂直极化幅度相等且相位差为0
°
的模拟目标信号。该模拟目标信号被雷达天线馈源接收，在雷达两路接收机输出端利用仪表可以测量两路接收支路的幅度和相位，计算出幅度校准系数和相位补偿参数，进而对雷达接收支路幅相一致性进行校准。
[0055]
此外，本实用新型通过极化扫描伺服驱动系统6调整变极化发射天线2的变极化角度，变极化角度在5
°
～88
°
内进行精确的极化扫描，可以产生系列幅比真值，读取雷达幅比
测量值，计算校准系数，建立幅比校准参数表，校准时查表获取校准系数，可以对雷达接收通道测量结果进行非线性校准。
[0056]
双偏振差分反射率标定原理基于极化扫描，本实用新型通过变极化扫描可以保证扫描过程中空间水平极化与垂直极化分量之间相位相等，幅度依据扫描角度的变化而变化，可以产生差分反射率较大的参数覆盖范围以及较高的参数标定精度，以高于天气雷达3～10倍的差分反射率参数测量精度，对双偏振天气雷达差分反射率测量进行校准。
[0057]
综上，基于上述原理，在本实用新型所保护的校准装置的结构和连接关系下，可以实现对被标定的双偏振天气雷达发射、接收双通道的幅相一致性校准以及对双偏振天气雷达接收双通道的非线性校准。具体实现时，如何进行比对、计算，得到雷达发射支路或雷达接收支路的幅度校准系数和相位补偿参数，以及如何基于幅比真值进行非线性校准可参照相关现有技术，其不是本实用新型的发明重点，在此不多赘述。本实用新型仅对校准装置的结构与连接关系进行保护和说明，详细内容参照图2～图6。
[0058]
参照图2和图3，本实用新型的校准装置还包括天线喇叭支架7，天线喇叭支架7位于主机1的上端；固定极化发射天线3、垂直极化接收天线4、水平极化接收天线5并排设置于天线喇叭支架7的顶端且与天线喇叭支架7分别连接；变极化发射天线2与极化扫描伺服驱动系统6分别位于天线喇叭支架7的两侧，其中，变极化发射天线2安装于天线喇叭支架7上。其中，变极化发射天线2、固定极化发射天线3、垂直极化接收天线4、水平极化接收天线5的喇叭口均朝向一侧，并对准被标定雷达。
[0059]
在本实用新型中，极化扫描伺服驱动系统6至少可以包括以下结构：伺服控制器、减速机构、驱动电机、角度编码器；其中，伺服控制器与驱动电机和角度编码器分别连接；减速机构与驱动电机和变极化发射天线2分别连接；角度编码器与减速机构连接，角度编码器用于限制减速机构的转动幅度。上述减速机构可通过相互咬合的主动轮和从动轮实现，其中，从动轮与变极化发射天线2的喇叭末端连接，驱动电机能够通过主动轮驱动从动轮与变极化发射天线2同轴转动，当在伺服控制器中设定变极化角度时，角度编码器可限制减速机构中从动轮的转动幅度，使从动轮转至设定的变极化角度，并通过驱动电机、减速机构驱动变极化发射天线2在变极化角度下进行极化扫描。伺服控制器、减速机构、驱动电机以及角度编码器可采用市面上已有的产品，关于其具体结构和型号，本实用新型在此不作限定。
[0060]
此外，参照图4和图5，本实用新型的天线喇叭支架7和主机1之间还设置有调平支架10，调平支架10用于将天线喇叭支架7调平。如图2和图3所示，调平支架10可以包括支撑板和多个支脚，支撑板与天线喇叭支架7的底端固定，用于支撑该天线喇叭支架7，多个支脚的上端与支撑板的上端固定，下端安装在主机1的上端面，通过调节各个支脚的高度，可以有效对天线喇叭支架7调整水平，进而达到对变极化发射天线2、固定极化发射天线3、垂直极化接收天线4、水平极化接收天线5调平的目的。实现时，调平支架10可以包括倾角传感器、控制单元以及调节器，调节器设置在每个支脚上，倾角传感器检测到天线喇叭支架7的倾角信息，控制单元根据倾角信息控制调节器工作，以将天线喇叭支架7调平。
[0061]
此外，本实用新型的校准装置还包括水平泡(图未示出)，水平泡与变极化发射天线2连接，水平泡用于校准变极化角度。
[0062]
主机1的下端还设置有可调节支撑架9，可调节支撑架9用于对主机1的高度进行调节。如图2和图3所示，可调节支撑架9分别由三个支腿支撑，每个支腿为可伸缩杆，可以对高
度进行调节。
[0063]
如图4和图5所示，本实用新型的主机1包括：壳体，壳体上设置有模拟目标标定系统和计算机主机8；模拟目标标定系统，与变极化发射天线2、固定极化发射天线3分别通过两个发射支路连接，与极化扫描伺服驱动系统6连接，以及与h接收支路和v接收支路分别连接；计算机主机8与模拟目标标定系统连接。
[0064]
在本实用新型中，模拟目标标定系统的各个功能模块以及发射支路、h接收支路以及v接收支路上的功能模块通过cpci母板安装在一个框架壳体内，可方便插拔。主机壳体内还设置有电源模块，电源模块为独立模块，可与锂电池及电源控制系统安装在一起，电源控制系统与模拟目标标定系统连接。参照图6，示出了本实用新型主机1的结构示意图。
[0065]
其中，模拟目标标定系统至少可以用于对雷达进行标定，将h接收支路输出的垂直极化分量与v接收支路输出的水平极化分量进行比对，产生模拟目标信号以及调整调整变极化发射天线2的变极化角度，关于其具体实现方法可参考已有技术。组成该模拟目标标定系统的相关功能模块及其连接可有多种组合，本实用新型在此不作过多限定。
[0066]
可选的，模拟目标标定系统包括频综、模拟目标板、控制板以及信号处理板；频综与两个发射支路、h接收支路以及v接收支路分别连接；模拟目标板与两个发射支路、h接收支路以及v接收支路分别连接；控制板与模拟目标板、极化扫描伺服驱动系统6分别连接；信号处理板与模拟目标板通过光纤连接。参照图7，示出了模拟目标标定系统与两个发射支路、h接收支路以及v接收支路的连接关系。上述控制板在图7中为bit控制板，bit控制板可与伺服控制器连接，以控制极化扫描伺服驱动系统6调整变极化角度。
[0067]
在本实用新型中，频综主要用于产生s、c、x波段本振信号以及a/d、d/a时钟信号。在图7中，接收模块属于h接收支路、v接收支路的一部分，主要用于接收雷达发射信号并变频滤波放大，形成中频信号送模拟目标模板采集处理。模拟目标板主要用于对接收模块送来的雷达发射信号垂直通道、水平通道分量进行采集测试，并进行距离、速度、强度、谱宽调制，产生模拟目标信号，送发射模块。发射模块属于两个发射支路的一部分，主要用于对模拟目标模块送来的垂直、水平两路模拟目标中频信号上变频，产生模拟目标射频信号，并进行功率放大，输出20w模拟目标信号。信号处理板主要用于接收模拟目标板的i、q数据，进行fft多普勒滤波，幅度相位测量，并读取极化扫描角度参数，计算模拟目标强度、速度及谱宽、差分反射率、差分传播相移等参数，再送入计算机主机8，计算机主机8可以计算系统误差参数表并进行显示。关于频综、模拟目标板、控制板以及信号处理板的具体电路结构，由于不是本实用新型的发明重点，在此不多叙述。
[0068]
需要说明的是，图7中自接收天线，指来自垂直极化接收天线4、水平极化接收天线5的信号；去发射天线，指将模拟目标信号送入变极化发射天线2。
[0069]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，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的部分互相参见即可。
[0070]
还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要
求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0071]
以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。