用金属球对敏视达C波段双极化雷达标定结果（第3次试验）_2014年4月24日.doc

用金属球对敏视达C波段双极化雷达标定结果（第3次试验）2014年4月24日4月25日补充了从记录的IQ数据，重新用Matlab进行信号处理的结果。1 试验过程1.1 试验时间和人员 2014年4月23日 北京时间 11点13点金属球升空到达指定高度的北京时间为：12:13:00 12:20:59人员：杨正玮、陈建军、邵世卿、范富鹏注意：在试验之前，我们先将低噪声放大器前面的电缆拧紧了，dBZ结果的水平、垂直融合功能去掉了，详见敏视达雷达2014年4月23日对达雷达的改动_2014年4月24日.doc。1.2 试验地点l 经度：119.009970度l 纬度：31.598048度l 海拔高度：约30米 （根据GoogleEarth）。但根据GPS模块的记录，该地点的高度约为13米（奇怪？）在此处进行放球在此处进行放球我们在金属球上悬挂了一个GPS记录器，可以精确的记录金属球的位置，记录的结果见“Gps_0423.xls”。注意：我们发现，这个GPS模块中记录的高度结果起伏比较大，可能会对后面的数据分析造成影响。1.3 雷达工作模式各个参数设置值说明VCP NameNJU_ dBZ_CAL_2扫描类型(ScanType)VCP要改为扇扫的体扫极化方式（Polarization）双发双收（Dual）发射脉冲宽度（PulseWidth）0.5us75m处理模式（ProcessMode）PPP解速度模糊模式（UnfoldMode）NONE由于DPRF有问题，所以只采用单重频方式距离积分次数（BinAverage）1注意：千万不要进行距离积分重复频率（PRF）1000Hz相关脉冲数（Samples）64最大距离（MaxRange）30km波形（WaveForm）要采用随机相位编码方式天线扫描速度(ScanSpeed)3.9063deg/s（因为要确保0.25度输出1组数据，因此这里的转速比较奇怪）方位从以240度为中心，左右10度仰角（Elevation）分为20个仰角层面：0.1、0.4、0.7、1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5、2.8、3.1、3.4、3.7、4.0、4.3、4.6、4.9、5.2、5.5、5.8由于距离近了，则金属球在不同的高度，相对于雷达的仰角，则变化范围就比较大了，因此体扫的层面要大大增加。此时一个体扫，需耗时2分30秒。输出数据dBT、DBZ、V、W、SQI、ZDR、CC、PHIDP、KDP、SNR地物抑制滤波器（GC Filter）00表示直通，即不进行滤波PointFilter无效注意：这3个参数一定要设为无效，防止将单个的点目标给滤除掉Speckle Filter Log无效Speckle Filter Dop无效1.4 雷达终端软件观测到的金属球回波这就是金属球的回波2 试验结果2.1 金属球反射能量的计算计算程序在“E:CJJWRP900AGeneral关键技术研究雷达总体金属球标定Matlab”目录下的RCS_Receiver_Power_Calc.m。其中各个参数都是采用雷达实际测量的结果。l RCS=pi*0.152 %金属球的直径为30cm，则半径为0.15ml Pt=260e3/2 %发射功率 （双发双收模式），这个值是采用外部仪表测量得到的l G=10(41.5/10) %天线增益l NF=2.4 %接收机噪声系数，单位：dBl BW=2 %接收机的带宽，单位：MHzl lamda=3e8/5625e6 %雷达波长l L=-3.1 %馈线损耗：1.2+1.9dB（含波导、旋转关节、TR管等）l dBZ0=-29.3; %0.5us脉冲宽度，双极化发射l Pr=Pt*G2*RCS*lamda2*10(L/10) ./( (4*pi)3 *R.4);l SNR=10*log10(Pr*1000)-(-114+NF+10*log10(BW)l dBZ=dBZ0+SNR+20*log10(R/1e3)经计算，在不同时刻的金属球的方位、仰角、距离，以及SNR、dBZ如下：UTC时间方位(度)仰角(度)距离(m)SNR(dB)dBZ4:13:00242.9721.182197967.82044.4534:13:30241.8131.675199567.68844.3874:14:00241.8861.562205767.15744.1224:14:30240.0052.598208466.93044.0084:15:00239.4772.945207866.98044.0334:15:30241.4101.033209366.85543.9714:16:00241.2300.585209766.82243.9544:16:30240.6451.143210566.75643.9214:17:00239.2031.548213866.48643.7864:17:30238.7231.722213166.54443.8154:18:00239.4902.074210766.74043.9134:18:30241.0711.706208566.92244.0044:19:00241.8852.168206967.05644.0714:19:30241.4302.108209266.86443.9754:20:00243.3211.936205267.19944.1434:20:30243.7181.832205767.15744.1224:20:59243.3811.028208666.91444.000注意：l 计算中没有考虑任何的大气衰减的影响；l 金属球作为一个点目标，其反射的能量（即SNR）是依据雷达手册第2版第2.2章中的式2.1计算的，和气象雷达领域的回波功率计算的公式不一样。另外，也没有考虑到气象雷达领域中所谓的“天线增益在波束宽度内不均匀”的影响。在雷达手册第2.2章中，关于这一段的介绍如下：从上面的表格中可以看出，在UTC时间4:17:004:20:30，金属球的高度是比较稳定的，而其它时刻，金属球高度变化比较大。注意：今后，等到风筝上升到一个稳定的高度之后，要在此高度上维持20分钟以上，以便能获取足够的数据用于后续分析。2.2 雷达探测到的结果全部的回波图片在“H:QXLDNJU_CPolPic0423CAL” 目录下。2.2.1 NJU.20140423.041449.AR2.bz2相邻几个仰角的dBT（即没有经过地物抑制的回波强度）如下：金属球我们对该时刻金属球所在区域进行B显放大显示，从中可以精确的看出幅度值：再显示一张这个仰角层面的SNR的图：通过这种方法，先在金属球所在的距离找到幅度最大的那根径向，然后在这根径向上，找到幅度最大的点和距离上相邻幅度次最大的点（由于是点目标，因此会出现回波跨越两个距离库的情况，因此一定要进行融合），记录在下面的表格中：仰角（度）最大的SNR(dB)次最大的SNR(dB)最大的dBZ次最大的dBZ融合后的SNR(dB)融合后的dBZ1.367.8746.8645.6524.7867.9045.681.666.3447.3844.1325.566.3944.181.964.6664.1642.4542.2767.4245.372.268.7964.8146.8842.6170.2548.26注意：这里的融合方法是将两个距离库上的回波强度先换算到线性值，再加起来（不用除以2），再换算到对数值。2.2.2 NJU.20140423.041725.AR2.bz2金属球相邻几个仰角的dBT如下：同样的，将幅度最大的点和相邻幅度次最大的点，记录在下面的表格中：仰角（度）最大的SNR(dB)次最大的SNR(dB)最大的dBZ次最大的dBZ融合后的SNR(dB)融合后的dBZ1.664.5645.542.3623.664.6142.411.970.3646.9548.1325.0470.3748.152.266.453.4544.1831.5466.6144.412.566.2245.794423.8966.2544.043 数据分析在NJU.20140423.041449.AR2.bz2数据中，当仰角为2.2度时，幅度最强，说明此时天线和金属球的指向误差最小。在NJU.20140423.041725.AR2.bz2数据中，当仰角为1.9度时，幅度最强，说明此时天线和金属球的指向误差最小。将这个时刻（UTC时间分别为：04:15:42和04:18:11）的SNR、dBZ如下：（计算中没有考虑任何的大气衰减）：UTC时间方位(度)仰角(度)距离(m)理论SNR理论dBZ雷达实测SNR相差(实测-理论)雷达实测dBZ相差(实测-理论)04:15:42241.7330.593209566.8443.9670.253.4148.264.304:18:11240.4111.847208966.8943.9970.373.4848.154.16注意：表格中的方位、仰角、距离是指根据GPS模块中的数据，计算出来的相对于该雷达的方位、仰角和距离。注意：在04:15:42，根据GPS模块中记录的高度值计算出来的仰角竟然只有0.593度。我们怀疑在这个时刻，GPS模块出现了偏差导致的。在这个时刻前后1分钟的GPS模块给出的高度值如下：怀疑这个时候GPS模块给出的高度值出现了偏差也就是说，此时高度值应该在300m左右，相对于雷达的仰角为2.17度，和雷达观测的结果相同。4 对金属球的ZDR、PHIDP、CC的分析4.1 NJU.20140423.041449.AR2.bz2将在各个仰角层面、金属球幅度最大所在距离库的ZDR、PHIDP、CC记录如下：仰角（度）ZDR(dB)PHIDP(度)CC1.30.0214.940.9931.6-0.6110.120.9971.910.25153.90.9892.27.86158.20.996注意：当仰角为1.9度和2.2度，回波都明显的跨越了2个距离库。下面是仰角为1.9度，金属球所在的位置的dBT和ZDR的对比图：下面是仰角为2.2度，金属球所在的位置的dBT和ZDR的对比图：可见，当回波跨越了2个距离库时，ZDR完全不正常！PHIDP也不正常!（红色表示）4.2 NJU.20140423.041725.AR2.bz2将在各个仰角层面、金属球幅度最大所在距离库的ZDR、PHIDP、CC记录如下：仰角（度）ZDR(dB)PHIDP(度)CC1.6-1.0220.380.9961.9-0.1321.040.9982.24.00（次最大点的ZDR值为0.2）20.40.9962.5-0.758.740.9944.3 ZDR、PHIDP、CC的初步结论l 金属球如果跨越了两个距离单元，则结果完全不正常，原因未明。l 即使没有跨越两个距离单元（即主要的能量都集中在一个距离库中），ZDR的随机起伏也比预想的大。（因为金属球是一个极化对称的物体，因此认为ZDR值应该为0dB，而金属球的回波起伏应该是很小的）5 从记录的IQ数据，重新用Matlab进行信号处理IQ重新计算的基数据在“H:QXLDNJU_CPolBaseData_DSP0423CAL”目录中。5.1 雷达探测到的结果全部的回波图片在“H:QXLDNJU_CPolPic_DSP0423CAL” 目录下。5.1.1 NJU.20140423.041449.AR2.bz2相邻几个仰角的dBT（即没有经过地物抑制的回波强度）如下：金属球我们对该时刻金属球所在区域进行B显放大显示，从中可以精确的看出幅度值：再显示一张这个仰角层面的SNR的图：同样的，将幅度最大的点和相邻幅度次最大的点，记录在下面的表格中：仰角（度）最大的SNR(dB)次最大的SNR(dB)最大的dBZ次最大的dBZ融合后的SNR(dB)融合后的dBZ1.368.2246.7345.1023.9368.2545.131.666.0846.9542.9624.1566.1343.011.964.3563.8641.2341.0667.1244.152.268.6664.6945.8541.5770.1247.225.1.2 NJU.20140423.041725.AR2.bz2相邻几个仰角的dBT如下：金属球同样的，将幅度最大的点和相邻幅度次最大的点，记录在下面的表格中：仰角（度）最大的SNR(dB)次最大的SNR(dB)最大的dBZ次最大的dBZ融合后的SNR(dB)融合后的dBZ1.664.2345.0941.1122.2964.2841.161.969.9249.2246.826.4269.9546.832.266.6653.8943.5431.0966.8843.782.565.2343.8542.1121.0465.2642.145.2 用IQ数据重新计算，得到的基数据的分析结果在NJU.20140423.041449.AR2.bz2数据中，当仰角为2.2度时，幅度最强，说明此时天线和金属球的指向误差最小。在NJU.20140423.041725.AR2.bz2数据中，当仰角为1.9度时，幅度最强，说明此时天线和金属球的指向误差最小。将这个时刻（UTC时间分别为：04:15:42和04:18:11）的SNR、dBZ如下：（计算中没有考虑任何的大气衰减）：UTC时间理论SNR雷达实测SNR相差(实测-理论)理论dBZ雷达实测dBZ相差(实测-理论)04:15:4266.8470.123.2843.9647.223.2604:18:1166.8969.953.0643.9946.832.845.3 对金属球的ZDR、PHIDP、CC的分析5.3.1 NJU.20140423.041449.AR2.bz2将在各个仰角层面、金属球幅度最大所在距离库的ZDR、PHIDP、CC记录如下：仰角（度）ZDR(dB)PHIDP(度)CC1.30.4714.40.9951.6-0.047.50.9931.911.021410.9682.27.911630.998注意：当仰角为1.9度和2.2度，回波跨越了2个距离库。可见，当回波跨越了2个距离库时，ZDR完全不正常！PHIDP也不正常! （红色表示）5.3.2 NJU.20140423.041725.AR2.bz2将在各个仰角层面、金属球幅度最大所在距离库的ZDR、PHIDP、CC记录如下：仰角（度）ZDR(dB)PHIDP(度)CC1.6-1.2822.10.9911.9-1.2515.180.9992.23.753.960.9742.5-0.8911.120.9906 试验结论6.1 根据金属球大小、雷达各技术指标等参数，理论计算的dBZ和雷达信号处理给出的dBZ之间存在约4dB的差异，见第0章。需查明原因。6.2 由于有效点数太少，因此还需再做一次试验，得到更多的有效点数，进一步分析确认这个偏差。6.3 这次试验的金属球的SNR很高（60dB），SCR（信号和周围杂波之比）也很高（30dB)。说明这个试验方案（用风筝将直径30cm的金属球吊起到300m的高度，相对于雷达的仰角为2度，距离为2km，进行强度标定）是完全可行的。6.4 金属球的ZDR、PHIDP的结果比较奇怪，见第4章。也需查明原因。6.5 重新对IQ数据进行基于Matlab的信号处理，得出的基数据的结果，和雷达自身给出的结果基本相同。但强度和理论值的偏差为3dB左右。7 经验教训（以前的经验教训见另两篇文档）l 要佩戴橡胶手套或皮手套，而不能是一般的纱布手套，因为纱布手套太滑，难以抓住风筝线。l 风筝线不能绞到线盘里面去，特别是快速收线、风筝线送的时候，要特别注意；l 四周要选择的地方，几十m内不能有树木，否则万一风筝挂在树上就麻烦了。l GPS模块要一到试验地点就通电，而不要等到挂到风筝上才通电。因为GPS模块需要几分钟的启动稳定时间。l 放风筝的时候，要边放线，边收线，放三收一。要保持风筝的仰角比较高，不要一开始把风筝的线都放出去。l 试验地点附近有一个小的玩具风车，需要注意风筝线不要碰到风车。下次试验的时候，最好把风车的叶子暂时绑起来，让其停止转动。l GPS模块要防水处理，可包上一个塑料袋或塑料瓶。当然，要尽量防止掉到水里。l 金属球不要离风筝太远，我们目前大概是50m，在风筝能放起来的情况下，尽量近一点。l 随时关注天上有没有直升机（因为在江宁，有时候会有直升飞机飞来飞去，而且高度很低），如果发现有直升飞机，则要立即停止试验，要最快的速度把风筝收起来。并立即拿出准备的刀片或剪刀，万一线缆碰到了直升飞机，立即割断线缆，否则人就会被线缆吊上去，就会出现严重的人身伤害。l 等到风筝上升到一个稳定的高度之后，要在此高度上维持20分钟以上，以便能获取足够的数据用于后续分析。8 下一阶段工作8.1 由于本次试验金属球在300m高度停留的时间短了一点，造成有效样本太少，因此还需再做一次试验（可以和S波段雷达同时进行观测）。8.2 下次试验时，当看到金属球之后，并且