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）4月24日

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〕2021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。试验过程试验时间和人员2021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2021年4月23日对达雷达的改动_2021年4月24日.doc?。试验地点经度：119.009970度纬度：31.598048度海拔高度：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拟大，可能会对后面的数据分析造成影响。雷达工作模式各个参数设置值说明VCPNameNJU_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，因此这里的转速比拟奇怪〕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，那么金属球在不同的高度，相对于雷达的仰角，那么变化范围就比拟大了，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〔GCFilter〕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SpeckleFilterLog无效SpeckleFilterDop无效雷达终端软件观测到的金属球回波这就是金属球的回波这就是金属球的回波试验结果金属球反射能量的计算计算程序在“E:\CJJ\WRP900A\General\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。RCS=pi*0.15^2%金属球的直径为30cm，那么半径为0.15mPt=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G=10^(41.5/10)%天线增益NF=2.4%接收机噪声系数，单位：dBBW=2%接收机的带宽，单位：MHzlamda=3e8/5625e6%雷达波长L=-3.1%馈线损耗：1.2+1.9dB〔含波导、旋转关节、TR管等〕dBZ0=-29.3;%0.5us脉冲宽度，双极化发射Pr=Pt*G^2*RCS*lamda^2*10^(L/10)./((4*pi)^3*R.^4);SNR=10*log10(Pr*1000)-(-114+NF+10*log10(BW))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：计算中没有考虑任何的大气衰减的影响；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4:17:00~4:20:30，金属球的高度是比拟稳定的，而其它时刻，金属球高度变化比拟大。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。雷达探测到的结果全部的回波图片在“H:\QXLD\NJU_CPol\Pic\0423\CAL〞目录下。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。金属球相邻几个仰角的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dBZ1.664.5645.542.3623.664.6142.411.970.3646.9548.1325.0470.3748.152.266.453.4544.1831.5466.6144.412.566.2245.794423.8966.2544.04数据分析在数据中，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。我们疑心在这个时刻，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：疑心这个时候GPS模块给出的高度值出现了偏差疑心这个时候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。对金属球的ZDR、PHIDP、CC的分析将在各个仰角层面、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的比照图：下面是仰角为2.2度，金属球所在的位置的dBT和ZDR的比照图：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〕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〕20.40.9962.5-0.758.740.994ZDR、PHIDP、CC的初步结论金属球如果跨越了两个距离单元，那么结果完全不正常，原因未明。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〕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:\QXLD\NJU_CPol\BaseData_DSP\0423\CAL〞目录中。雷达探测到的结果全部的回波图片在“H:\QXLD\NJU_CPol\Pic_DSP\0423\CAL〞目录下。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dBZ1.368.2246.7345.1023.9368.2545.131.666.0846.9542.9624.1566.1343.011.964.3563.8641.2341.0667.1244.152.268.6664.6945.8541.5770.1247.22相邻几个仰角的dBT如下：金属球金属球同样的，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dBZ1.664.2345.0941.1122.2964.2841.161.969.9249.2246.826.4269.9546.832.266.6653.8943.5431.0966.8843.782.565.2343.8542.1121.0465.2642.14用IQ数据重新计算，得到的基数据的分析结果在数据中，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)04:15:4266.8470.123.2843.9647.223.2604:18:1166.8969.953.0643.9946.832.84对金属球的ZDR、PHIDP、CC的分析将在各个仰角层面、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〕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)CC1.6-1.2822.10.9911.9-1.2515.180.9992.23.753.960.9742.5-0.8911.120.990试验结论根据金属球大小、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REF_Ref386113486\r\h0章。需查明原因。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。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。金属球的ZDR、PHIDP的结果比拟奇怪，见第REF_Ref386116920\r\h4章。也需查明原因。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根本相同。但强度和理论值的偏差为3dB左右。经验教训〔以前的经验教训见另两篇文档〕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。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；四周要选择的地方，几十m内不能有树木，否那么万一风筝挂在树上就麻烦了。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。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拟高，不要一开始把风筝的线都放出去。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。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。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。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，那么要立即停止试验，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，否那么人就会被线缆吊上去，就会出现严重的人身伤害。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。下一阶段工作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〕。下次试验时，当看到金属球之后，并且