[发明专利]一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法

说明书

一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法,其特征在于，方案如下：PPAR在双偏振工作状态时，采用正交相位序列编码对两个极化通道的发射信号进行相位调制，以减小两个极化通道之间的互耦，减小ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响。目前常见的是依靠相控阵天线硬件来实现期望的目标，其价格很高。采用在发射的水平或垂直端口中增加信号脉冲之间180°相位变化，以减小差分反射率误差，但这样会增加共极化相关系数估计的误差，并且在某些情况下还会增加差分相位估计的误差。与现有技术相比，本申请具有方案设计合理、设备简单、实现费用少、性能优越等优点。

技术领域

本发明涉及脉冲多普勒雷达测量技术领域，特别涉及一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法。

背景技术

自雷达诞生之日起，人们就开始利用它来进行降水探测和测量的研究。经过近百年的发展，双偏振天气雷达由于能够分辨云雨目标的相态从而提高气象探测和预报的准确性，可提高预报员和算法区分不同类型的降水（例如降雨，冰雹）和非天气性散射（例如昆虫，地物杂波）的能力，以及更准确的定性降水估算（QPE），成为目前天气雷达的主流。在此基础上进一步应用相控阵技术，实现相控阵双偏振天气雷达成为下一代天气雷达的发展方向。使用相控阵双偏振雷达进行天气观测的主要困难是在相控阵天线的交叉极化的隔离度，即控制相控阵天线的交叉极化电平到可接受范围内实现双极化探测。

根据中国气象局的双偏振天气雷达技术规范，同时发射、接收水平和垂直极化的差分反射率误差应小于0.1dB，一般来说，这个指标要求相控阵天线的两个极化之间的隔离要超过45dB。如果仅靠相控阵天线硬件来实现这个指标，其价格将难以承受。因此，需要考虑采用其他方法来减小由于交叉极化引起的差分反射率误差。一种方法是在发射的水平或垂直端口中增加信号的脉冲之间180°相位变化，以减小差分反射率误差，但这样会增加共极化相关系数估计的误差，并且在某些情况下还会增加差分相位估计的误差。

双偏振天气雷达已经成为天气雷达的主流，我国的新一代天气雷达正在进行双偏振升级改造。在天气雷达上有两种双偏振工作模式：同时发射和接收水平（H）极化和垂直（V）极化（SHV）、交替发射和接收水平极化和垂直极化波（AHV）。在AHV模式下，天线的H和V端口被交替激励，而在SHV模式下，天线被同时激励。在两种模式下，同时接收来自水平（H）和垂直（V）通道的信号。

最主要的双偏振参量是差分反射率ZDR、同相相关系数ρhv(0)和差分相位ϕ_DP。对于采用抛物面天线的天气雷达，通过硬件设计就能保证两个极化之间的隔离度达到要求，因此交叉极化的影响可以忽略不计。但是对于相控阵天线，两个极化之间的隔离度一般只在20dB左右，在波束扫描时由于极化的变形，极化隔离度进一步减小，因此交叉极化引起的信号影响不可忽略，在AHV模式下影响更大，它们会在双偏振参量的估计中引起明显的偏差。

常见的相控阵天气雷达采用平面相控阵天线，波束在一个方向上电扫描，在另一个方向上机械扫描。采用偶极子天线单元能够提高两个极化的隔离度，但是在波束扫描后难以满足探测要求。为了解决双偏振相控阵天气雷达的极化隔离度问题，美国专利（US2011/0285582）提出了一种圆柱形相控阵天气雷达，将天线阵列单元安装在圆柱面上，保证波束在方位扫描时性能不变，这种方法解决了水平扫描的情况，但对垂直扫描时波束极化的变形无能为力。

本发明提出一种脉冲对编码技术来抑制双偏振相控阵天气雷达（PPAR）的极化交叉耦合问题，降低ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法。