和科罗拉多州立大学chandrasekar教授沟通交流的情况_12月27日.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除和科罗拉多州立大学Chandrasekar教授沟通交流的情况2013年12月27日1 概述12月24日26日，陈建军和南京大学的陈刚到北京，参加了科罗拉多州立大学Chandrasekar教授的交流会。主要收获：l CASA的理念非常好，今后应该会在国内大力发展。因此，X波段雷达一定要做好。l CASA对终端软件的网络化、自适应、实时性，也提出了更高的要求；l 雷达的标定很重要，标定电路和接收机要恒温；l 用太阳法和圆球进行雷达标定的方法，我们也要试一下；l 雷达对地物的抑制非常重要，可以说是成败的关键；l 采用正交编码，在双发双收模式下，同时得到LDR；l 采用双通道联合处理，提高雷达的灵敏度；l GPS结合恒温晶振在雷达组网观测中的应用；2 雷达的标定2.1 对ZDR精度的要求ZDR的精度要求达到0.2dB即可（不需要0.1dB）。因为0.1dB的精度，虽然经过精密的标校能达到，但在长期的运行工作中，难以达到。可以用小雨滴（直径0.3mm），去验证ZDR的精度（应该为0dB）。注意：雨滴的直径是如何从回波中推算出来的？2.2 选好参考面标定的时候，要注意选好参考面，就是天线馈源的所在地。2.3 用太阳法校正接收通道实时太阳流量的网站： 太阳流量变化范围：100300 SFU（1SFU=1*10-22 Watts/Herts/Meter2）注意：太阳是全极化的，因此每个极化通道的能量会低3dB2.4 用太阳标定天线方位和俯仰的误差他们用太阳标定天线方位和俯仰的误差是（S波段，太阳的能量比噪声高10dB）：方位：0.048 度仰角：0.030 度在标定的时候，建议的扫描参数为：l 采用方位小范围扇扫+仰角步进的模式l 8度或4度的方位扫描区间；l 1度/秒的方位扫描速度；l 每次仰角改变0.2度；扫描的结果形成一张2维图（需注意太阳在不断的运动，要进行补偿），然后求出中心。备注：我认为还需注意天线在进行扇扫的时候，由于天线的编码器的数据传输时间延迟，会造成正转和反转的时候，角度不一致。2.5 自动标校发射耦合通过电子开关，切换至LNA之后，即发射与接收共用1个下变频。这样做的目的是为了避免影响LNA的噪声系数。LNA必须进行温度补偿（因为LNA不在恒温箱内）。标定信号源也必须恒温。另外，每月3次，用太阳法标定接收通道的特性。2.6 脉冲压缩体制下的雷达方程和标校回答：很复杂。以后他会有文章发表。备注：我认为采用3脉冲的压缩方式，有一个脉冲是简单的脉冲，先用这个脉冲将反射率标定好。然后将发射的脉冲波形延迟一段距离（用数字储频技术），灌入接收机。在两种脉冲的交接区，dBZ值应该是连续的。根据这个原则来进行标定。2.7 用圆球进行雷达整体的标定用一个直径为12英寸的球，内部是泡沫，表面贴上铝箔，重量为300g。用探空气球把它升上去。先用望远镜看，引导雷达的天线对准它，然后就靠雷达的小范围的扇扫来进行跟踪。他编写了一个程序，可以进行初步的自动跟踪。这个标定，他们每年做一次。备注：我觉得可以采用电动遥控直升机（包上吸波材料，降低直升机的电磁波反射）来升空，悬停在约300 m的高度，距离雷达2km。雷达天线也进行小范围的方位扇扫+仰角步进。然后仿照天文学中求星星亮度的方法，去除背景（地物）的强度，同时也去除直升机的反射，从而得到圆球的反射率。2.8 测量下行通道的增益，能否用噪声源注入，不采用标定信号源回答：可以。而且由于是线性接收机，因此斜率肯定是1.0。备注：我认为，为了今后脉冲压缩的标定，还是要用信号源+精密衰减器来进行标定。但由于精密衰减器非常贵，因此在电路设计中，需进行优化设计。注意：标定的信号源+精密衰减器要恒温。2.9 ZDR用太阳法来标定回答：不建议采用这种方法。因为：l 由于太阳的CORR很小，因此要花很多时间一直跟踪太阳，才能保证精度。l 无法包括发射通道。所以，用太阳法标定ZDR不合适。（因为有别的更合适的方法，如在内部用信号源1分为2，注入接收机的LNA的方法来标定ZDR）但是，太阳法标定dBZ是合适的（虽然也不包括发射通道，但由于dBZ 的精度是1dB，所以没有问题）。2.10 便宜的X波段雷达如何标定回答：l 内部的元器件并不便宜l 降水估计用KDP，因此降低了对dBZ精度的要求l 在雷达方案设计中，就要进行标定电路的设计（预先做了工作，则标定电路并不贵），而不是事后再弥补。3 基于双偏振雷达的分类识别分类识别时，回波的高度也是一种重要的参数，要传入识别算法。另外，仰角也重要。因为ZDR随仰角会变。另外，零度层亮带的位置也有用。并且对于雷达给出的基数据的置信度（即随机误差和系统误差）要进行估计，再传入分类器，不能认为雷达给出的所有的参数都是值得信任的。例如，在杂波区，雷达给出的很多参数就值得怀疑；SNR低，参数也不可信；雷达很久没有校准了，参数也不可信。总之，识别的关键在于雷达给出的数据的质量如何。4 关于雷达组网4.1 X波段雷达的优势l KDP的敏感度是S波段的3倍（但要去除地物对KDP的严重影响）l 作用距离可以轻松覆盖一个城市。如北京的大小约50km*50km，波段雷达轻松覆盖。因此，X波段雷达在CASA中大有可为。4.2 CASA的特点NEXRAD在3km的高度覆盖很多，但在1km的高度覆盖很少（地球曲率）。CASA的回波图比起大雷达的图更好看，因为距离近，方位分辨率高，更新速率快。CASA的一大特色：Smart Scan。即根据当时的回波情况，动态配置雷达网中几部雷达的扫描状态，针对感兴趣回波的进行精细扫描。另外，当重点观察一个目标时，几部雷达在时间上交错扫描这个目标，这样就能实现快扫描。CASA通过城市四周的3部或4部雷达，实时将风场计算出来，并合并、融合显示在一张回波图上（背景叠加了精细的google 地图）。CASE的QPE结果和雨量计非常接近。（因为雷达网中，有一部雷达专门进行低仰角的扫描，从得到高时间分辨率的回波数据，并利用KDP来进行降水估计） QPE的计算方法见他的书。由于多部雷达联合观测，因此受到遮挡的盲区可以互相弥补。这就能很好的解决城市中的高楼引起的遮挡。4.3 CASA的挑战l 距离、多普勒模糊（CASA雷达是磁控管雷达，发射相位是随机的）l X波段的衰减问题（订正的方法见他的书）l 城市地杂波的问题l 实时处理和重配置（这套终端软件不错，很好）5 关于雷达的硬件设计5.1 GPS同步恒温晶振回答：目的是可以降低晶振的相位噪声（地物抑制的性能直接与相位噪声有关）。另外，一般而言，恒温晶振的频率准确度并不高，也需要依靠GPS来进行校准。备注：在具体硬件设计中，可以采用高分辨率的DAC去控制恒温晶振的频率控制端，用FPGA对GPS给出的1PPS进行精确的测量。5.2 双偏馈的天线CSU-CHILL采用的双偏馈的天线的性能很好，但成本也高的多。天线位于45度倾斜状态下的极化隔离度要重点测试，因为这个方向的极化隔离度不容易做好。5.3 发射通道的相位一致性双偏振雷达，如果两个通道的发射相位不同（但是稳定的），空间会形成椭圆极化。这种情况对双偏振探测有无影响？（因为雷达硬件难以将发射两个通道的相位调成一致，再加上水平和垂直波导的长度也不一样）因此，如果能在信号处理中对此修正，则可以大大简化硬件的调试。回答：没有影响，只要在信号处理中修正PHIDP的初相即可。5.4 天线罩对偏振的影响这是一个社会问题。由于人们不喜欢看到雷达天线不断的在转，因此必须要加天线罩，把天线包起来。5.5 接收机和标定电路恒温回答：这一点很重要。为了提高标定电路的稳定性。因此，我们在X波段双偏振固态雷达中，也要采用恒温设计。但LNA不恒温，而是读取温度值，来修正增益和噪声系数的变化。5.6 采用正交编码技术，降低对天线隔离度的要求正交编码可以测出LDR，能否把这个思路用于极化隔离度的改善，从而降低对天线隔离度的要求？（因为硬件成本的限制，X波段雷达天线的极化隔离度不会很好）回答：他们也在搞这个研究，马上会有文章发表。6 关于信号处理6.1 双通道联合处理，提高SNR双偏振雷达的两个通道的接收机的IQ数据，能否联合处理，利用回波相关而噪声不相关的特性，以提高SNR？（由于发射机的能量被一分为二了，因此如果不做这个处理，则双偏振同时发射体制的雷达会比单偏振的雷达的灵敏度低3dB）回答：这是可行的。Vaisala就有这个方法，他就是研制者之一。6.2 在进行地物抑制时，零速回波的错误抑制回答：他正在研究。6.3 把dBZ的等值线和其他参数（如ZDR或KDP，用颜色表示）绘制在一起，可以很容易的看到双偏振的效果。7 论文学习的情况在“A Description of the CUS CHILL national Radar Facility”文章中，谈到：l 采用半导体制冷器将接收机恒温在20度；l 缩小脉冲宽度至45m，然后在距离上进行5点平均，得到225m的分辨率，相比采用1us的脉冲宽度，大大降低了随机误差。在“Frequency diversity wideband waveforms for Dual-polarization weather radar”文章中，谈到：l 采用3个脉冲频率分集来进行补盲，分别为40us、20us、1us，波形带宽为3.6MHz，IQ的采样率为5MHz；l 采用min ISL的准则，来进行脉冲压缩波形的优化设计；在“Orthogonal channel coding for simultaneous co-and-cross-polarization measurements”文章中，谈到：l 采用walsh code 能在双发双收的模式下，同时进行LDR的测量，通过算法恢复出的LDR的范围可达-28dB。在“Dual polarization implementation approaches and geometry trades for multifunction phased array radar(MPAR)”文章中，谈到：采用“SWD Width Slow Time Coding” 来进行正交编码，计算LDR，效果比Fast Time Coding（如：正反斜率的LFM信号）好。在“Recent data system and antenna upgrades to the CSU-CHILL radar”文章中，谈到：l 采用GPS去控制恒温晶振的频率，使其相位锁定。这样就可以使两部独立的雷达相参起来，可用于双基地雷