一种双极化雷达任意极化波的在线标定方法技术

本发明专利技术设及一种双极化雷达的任意极化波在线标定方法，极化标定通道由数字标定单元、数字模拟变换器、变频器、标定喇叭，主馈源喇叭和接收通道组成。数字标定单元本质上是一个任意波形发生器，可以产生标准的连续波正弦信号、噪声信号、任意数字波形和发射信号副本的延迟。极化雷达工作在标定模式时，从发射机的输出端耦合出少量信号作为对发射信号的副本。该信号经下变频、滤波和ADC变换等操作后转换为数字信号，作为数字化发射取样信号输入到数字标定单元中。在数字域对该信号进行幅度、相位、频谱、延时等变换处理后，再转换到模拟信号，通过上变频到射频信号通过标定喇叭向主馈源喇叭辐射。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术应用于双极化天气雷达
，使用该方法能够实时标定任意极化波的状态与特性，进而提高极化雷达测量的精度。
技术介绍
极化雷达的主要应用是目标识别，其技术基础是雷达对目标的极化特性测量，包括对目标极化散射矩阵、电磁波极化参数的分析和测量。随着双极化雷达在气象探测和气象粒子识别方面的成功应用，双极化雷达在气象粒子(冰雹、霾等)检测和人工影响天气领域获得了广泛的认可和应用前景。近年来，国内外研究和生产机构相继开展了极化雷达技术的深入研究，特别是极化波产生、测量和标定等技术。最早报道极化散射矩阵测量的雷达是德国生产的DCR雷达(1985年)。该雷达通过四个可变移相器和两个3dB电桥实现任意极化产生和任意正交极化同时发射的功能。通过灵活的极化控制，可实现极化散射矩阵的全部参数测量，以及可用于分析Stockes矢量和Muller矩阵元素的测量，是迄今为止功能最为完善、最复杂的极化雷达，但该雷达不包含极化标定单元。美国WSR88D多普勒天气雷达网建成于1988年，已于2011年全面升级为双极化雷达。该雷达由Baron公司实施升级改造，采用单发双收、或双发双收体制，极化产生方式灵活，并且雷达的标定功能可由用户自行设定。在WSR88D雷达的升级改造方案中含两个极化网络，即，极化信号的产生网络和极化信号的标定网络。雷达发射时，通过大功率可变移相器和3dB电桥实现任意线极化波的产生，然后通过两根波导将微波信号传输到正交模耦合器，实现发射信号的极化产生。极化信号标定网络用于对雷达极化性能的测试和标定。近十年来，国内几家雷达研究机构和生产单位相继开展了双极化天气雷达的研究和试生产。但目前国内研制的双极化天气雷达普遍存在极化测量精度差的问题，导致了气象粒子形态的误判，影响了双极化天气雷达在国内的推广和应用。造成极化测量的误差主要有两个原因，一是发射的极化波的极化纯度不够。国内普遍采用铁氧体器件调解射频极化波的相位和幅度，该技术难以确保极化波的极化特征，且易受温度、环境等因素影响。二是雷达系统自身的稳定性不够，两通道的一致性不足。雷达发射机功率、接收机的增益和噪声电平会随时间随机变化和缓慢起伏。为了降低雷达的测量误差，双极化天气雷达在正常工作前需要对系统进行标定，因此，雷达标定技术应运而生。普通雷达的发射机和接收机在线标定方法已日趋成熟，但双极化雷达的在线标定技术目前仍处于理论探索和工程实验阶段。雷达设计中，在雷达发射和接收前端专门设计了一个雷达标定单元。雷达标定单元是雷达的机内测试系统，它的作用是产生雷达标定信号。在不借助外部仪表的情况下，对雷达系统设计参数进行在线检验和测试。雷达需要标定的主要参数包括：接收机的噪声系数、接收机动态范围和线性度、改善因子、发射机的功率等。测量改善因子时，需要将发射机的脉冲副本(从发射机耦合出少量信号)注入到接收机前端，对雷达整机改善因子进行测试。雷达通过标定，对多普勒测量精度和速度谱宽进行评估和测量。另外，对双极化的双接收机体制的雷达中，需要对两接收通道的幅相一致性进行标定。要实现上述标定测试，需要在雷达中设计辅助标定电路和相应的信号处理算法，这些辅助标定电路和算法构成了雷达标定单元。传统的标定单元由模拟器件组成，包括噪声源、连续波产生器、射频延迟线和衰减器等，其中，延迟线可用超声延迟线或光纤延迟线组成。由模拟器件组成的这些单元只能实现上述部分参数的测试，例如，美国WSR88D雷达中的标定单元只能在线测试接收机噪声系数、动态范围、线性度、极限改善因子、多普勒测量等。WSR88D雷达标定单元在雷达中的用法如图1所示。WSR88D雷达标定单元的标定信号通过定向耦合器经TR开关耦合进接收机前端，实现对标定信号的注入。通过对噪声源的开启与闭合，对接收机的噪声系数进行测试。连续波源产生连续波正弦信号，通过衰减器控制对接收机的动态范围和线性度进行在线测试。射频延迟线用来对发射机耦合出来的副本信号进行延迟，然后被注入到接收机中，通过开启或关闭信号处理器的多普勒滤波器来对雷达极限改善因子进行在线测试和评估。WSR88D雷达标定单元为模拟标定单元，而模拟标定单元普遍存在一些缺点。第一，模拟系统易受环境温度变化的影响，其衰减量不能精确控制，特别是衰减步长小于1dB时，误差更大。第二，射频延迟线只能对信号进行固定延迟，不能对信号进行任意时间的延迟，因而无法检验信号处理器对多次回波的去模糊功能进行检验。第三，传统的模拟标定单元不能对射频信号进行调制，如增加多普勒频移，按距离对信号幅度进行衰减。第四，传统的模拟标定单元不能对信号噪声比进行控制。第五，传统的标定信号通过定向耦合器注入到接收机中，只能对接收机的变化进行测量，不能测试包括馈源、馈线在内的通道误差。雷达在工作前需要对雷达系统的各个参数进行标定。雷达标定通常使用不同的标定信号对发射机、接收机等各种参数进行检测。而双极化天气雷达标定比普通雷达标定更为复杂，除了使用常规的标定信号外，双极化天气雷达往往发射不同极化标定信号，以检测雷达系统的极化性能。这些标定信号不仅用于检测雷达发射信号的时间、频谱、功率、极化性能等参数，而且用来检测和标定接收机性能，如动态范围、杂波抑制、改善因子、噪声特征、两通道的一致性等。目前，国内发射机和接收机在线标定方法已日趋成熟，但极化雷达的极化波标定目前仍处于探索和工程实验阶段。为此，本专利技术设计了一种对任意极化波标定的方法，可实现发射、接收系统的自标定功能。该专利技术用于双极化天气雷达中，能够提高雷达的探测能力，准确地识别各类气象粒子和探测预报天气。
技术实现思路
要解决的技术问题本专利技术的目的是为了改善和检测双极化雷达系统的性能，设计了一种在线标定双极化雷达系统参数和极化性能的一种方法。通过数字标定单元输出各种标定信号对雷达系统进行在线标定，检测雷达的系统参数和工作状态，并预设雷达正常探测前的工作参数。技术方案一种双极化雷达的任意极化波在线标定方法，其特征在于步骤如下：步骤1：雷达在标定模式下工作，通过耦合器在发射机输出端耦合出与发射信号频谱和相位特征相同的副本信号；步骤2：将副本信号与本振信号混频后得到中频信号，中频信号经ADC进行数字采样转化为数字信号；步骤3：数字信号经DDC数字下变频后为基带信号，基带信号经过复数解调处理后，形成发射信号副本I/Q信号；步骤4：将发射信号副本I/Q信号输入到数字标定信号处理器中，对发射信号副本I/Q信号进行调制和延迟；将延迟信号与数字标定信号处理器本身产生的多种标定信号根据待检测性能参数进行选择输出；其中所述的多种标定信号，包括标准正弦波信号、白噪声信号、频谱信号和任意数字波形信号；步骤5：数字标定信号处理器的输出信号，经正交变换、加法器和DAC变为模拟信号，再经过上变频后进入魔T分成两路信号，分别输入微波极化控制器调整信号的幅度和相位，产生所需的两路H、V极化标定信号；所述的微波极化控制器包括移相器、电桥和电子开关；步骤6：H、V极化标定信号经过OMT合成一路任意极化特征的标定极化波，进入安装在天线顶部的标定喇叭，向主馈源喇叭辐射；步骤7：主馈源喇叭接收的标定信号再经OMT、波导和环行器进入两路雷达接收机，最后被输入到雷达信号处理器，并在终端器上显示，以检测雷达发射机和接收机的性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极化雷达的任意极化波在线标定方法，其特征在于步骤如下：步骤1：雷达在标定模式下工作，通过耦合器在发射机输出端耦合出与发射信号频谱和相位特征相同的副本信号；步骤2：将副本信号与本振信号混频后得到中频信号，中频信号经ADC进行数字采样转化为数字信号；步骤3：数字信号经DDC数字下变频后为基带信号，基带信号经过复数解调处理后，形成发射信号副本I/Q信号；步骤4：将发射信号副本I/Q信号输入到数字标定信号处理器中，对发射信号副本I/Q信号进行调制和延迟；将延迟信号与数字标定信号处理器本身产生的多种标定信号根据待检测性能参数进行选择输出；其中所述的多种标定信号，包括标准正弦波信号、白噪声信号、频谱信号和任意数字波形信号；步骤5：数字标定信号处理器的输出信号，经正交变换、加法器和DAC变为模拟信号，再经过上变频后进入魔T分成两路信号，分别输入微波极化控制器调整信号的幅度和相位，产生所需的两路H、V极化标定信号；所述的微波极化控制器包括移相器、电桥和电子开关；步骤6：H、V极化标定信号经过OMT合成一路任意极化特征的标定极化波，进入安装在天线顶部的标定喇叭，向主馈源喇叭辐射；步骤7：主馈源喇叭接收的标定信号再经OMT、波导和环行器进入两路雷达接收机，最后被输入到雷达信号处理器，并在终端器上显示，以检测雷达发射机和接收机的性能参数，完成整个极化信号在线标定过程。...

【技术特征摘要】
1.一种双极化雷达的任意极化波在线标定方法，其特征在于步骤如下：步骤1：雷达在标定模式下工作，通过耦合器在发射机输出端耦合出与发射信号频谱和相位特征相同的副本信号；步骤2：将副本信号与本振信号混频后得到中频信号，中频信号经ADC进行数字采样转化为数字信号；步骤3：数字信号经DDC数字下变频后为基带信号，基带信号经过复数解调处理后，形成发射信号副本I/Q信号；步骤4：将发射信号副本I/Q信号输入到数字标定信号处理器中，对发射信号副本I/Q信号进行调制和延迟；将延迟信号与数字标定信号处理器本身产生的多种标定信号根据待检测性能参数进行选择输出；其中所述的多种标定信号，包括标准正弦波信号、白噪声信号、频谱信号和任意数字波形信号；步骤5：数字标定信号处理器的输出信号，经正...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏志强，李春化，闫兴伟，苏小敏，李重阳，陈明，周子超，王乐，
申请(专利权)人：西安电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61