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偏振天气雷达定标及小信噪比下的偏振量测量方法研究

赵世颖  
【摘要】:随着天气雷达技术的发展,人们越来越清楚地认识到散射波的偏振状态中包含了重要的信息。双线偏振多普勒天气雷达不仅能探测到常规雷达降水系统的回波强度、多普勒速度和谱宽,还能够提供差分反射率因子、比差分传播相移、水平和垂直信号相关系数等偏振参量。这些偏振参数能够反映出降水粒子的形状、相态、滴谱分布等微物理结构,充分利用这些偏振参量所获取的信息,能够改善雷达估测降水的精度和降水粒子相态识别的能力,双线偏振天气雷达也因此得到了广泛的应用。但是雷达系统自身有可能会对偏振参数产生明显的偏差,从而影响到偏振雷达探测状态下的准确性和可靠性。尤其是在小信噪比条件下,双线偏振雷达的定标问题更加突出。本文主要对双线偏振雷达的定标问题及小信噪比条件下偏振参量的测量方法进行研究。为了保证双线偏振雷达资料及其产品的质量,美国利用升级为双线偏振雷达的WSR-88D进行了大量试验,认为需要校正由于传输信号在发射和接收通道路径上引起的差异。本文根据美国WSR-88D试验报告,以我国研制的车载C波段双偏振多普勒雷达作为试验平台,对比分析后得出产生ZDR系统误差的主要来源分为三部分:发射通路、接收通路与天线支路。通过对三部分路径重要节点进行测量及分析,使用交叉与平行法消除测试信号及设备等部分的差异影响。并在此基础上计算出水平、垂直两通道的三个部分的相对偏差值,进而对ZDR进行订正。其中,天线支路偏差值长期稳定,可相应减少测量次数;发射通路、接收通路的偏差值会随设备运行产生随机变化的偏差,需要定期进行测量。利用外场实测资料,以体扫模式最高仰角下的干雪为自然目标物的方法来验证定标的效果。在小信噪比条件下,低噪声射频放大器对双线偏振雷达起着尤为重要的作用。最后,本文利用连续波测试信号(CW)模拟弱回波信号注入接收机前端,分别对差分反射率因子和互相关系数与信噪比的关系进行了探究。结果表明,差分反射率因子、互相关系数均受噪声影响。当信噪比小于等于20dB时,差分反射率因子和互相关系数的值随信噪比减小而迅速降低,数据质量可信度下降。本文在进行硬件标定的基础上,利用对原始资料进行质量控制和订正,进一步提高偏振参数的数据质量。通过订正前后结果的比对,来验证此方法确实可以提高小信噪比情况下的数据质量。因此,本文这种标定方法可以较好地订正ZDR的系统误差,为今后偏振雷达业务应用提供一套实用的消除产生差分反射率系统误差的有效方法。


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