基于和差波束的低空风切变风速估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机载气象雷达低空风切变检测技术领域，特别是涉及一种基于和差波 束的低空风切变风速估计方法。
【背景技术】
[0002] 低空风切变常指高度600m以下风向、风速突然变化的气象现象，通常是由强气流 自空中冲击到地面后向四周扩散而形成的。飞机飞过低空风切变区域时会经历逆风与顺风 的骤变过程，从而导致升力急剧降低，若缺乏足够的调整空间就很容易发生坠机事故。目 前，低空风切变是航空界公认的飞机在进近着陆阶段的"无形杀手"，因此对其检测与预防 技术的研宄已成为航空运输领域的一项重要课题。
[0003] 机载气象雷达是飞机检测航路天气现象的核心设备，但由于低空风切变具有尺度 小、强度大、发生突然等特点，所以利用机载气象雷达进行低空风切变检测仍存在一些难 点，比较突出的是雷达工作在前视状态时有用信号被地杂波覆盖的问题。较早期的地杂波 抑制方法有杂波图法，此方法的缺点是需要存储的地形数据过多。多扫描方法是通过调节 雷达下视角来减小地面回波信号，但对于中远程杂波与风切变信号混淆在一起时效果较 差。零陷滤波器法是在频域设置滤波器以过滤掉地杂波成分，但此种方法对地杂波谱宽估 计要求很高，且当机载平台运动时抑制效果降低。利用模式分析的扩展Prony方法针对地 杂波与低空风切变信号同时存在的情况建立了双峰谱模型，可以有效地在地杂波背景中识 别风切变信号，但当信杂比过低时，该方法估计效果也要受到影响。上述传统方法的本质在 于寻找合适的凹口，在抑制地杂波的同时保留风切变信号，但在强杂波背景下，地杂波难以 完全消除，残余杂波仍会覆盖掉风切变信号的多普勒信息，从而影响风速估计结果的准确 性。
[0004] 相控阵天线体制具有灵活度高、扫描速度快、易于波束赋形的优点，2007年，美国 国家大气研宄中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR)的研宄人员首次 提出了利用机载相控阵雷达进行天气探测的理论，详细分析了该理论的可行性，并提出了 可能适用于天气探测工作的三种雷达波长：x波段、C波段以及包含有X波段和C波段的宽 频带。2013年9月，NCAR表示，下一代机载气象雷达将采用双极化相控阵体制，其下属地球 观测实验室（Earth Observing Laboratory，E0L)的研宄人员正在开发一个小型相控阵模 型来验证此款未来机载气象雷达的可行性。EOL的J. Vivek等人在研宄报告中指出，综合考 虑采样、灵敏度、成本、分辨率等多方面因素，机载相控阵气象雷达系统应当选用C波段。同 时，NCAR的E. Loew等人在报告中指出，其已针对此机载相控阵气象雷达系统作出了详细的 设计方案且已有初步结果，包括LRU(线性可替换单元）阵列架构、散热孔电路板设计方案 等。NCAR的研宄迈出了机载相控阵体制应用于气象探测工作的第一步，虽然目前对于机载 相控阵体制下的低空风切变检测方法的研宄还没有详细展开，但相控阵天线体制已成为当 代雷达发展的大趋势，继机载预警雷达、机载火控雷达之后，机载气象雷达也即将采纳相控 阵体制。
[0005] 针对此种体制的机载气象雷达，对基于空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing，STAP)的气象目标检测、参数估计、危险预警等技术的研宄将会成为热点。在我 国，STAP技术在机载预警雷达上的应用已经颇为成熟，但此种应用多针对点目标，不能直接 用于低空风切变等分布式目标的检测与估计。吴仁彪等对机载相控阵体制下的低空风切变 检测技术进行了初步的探索，分析了机载相控阵体制下，利用STAP方法检测低空风切变的 可行性，给出了利用全空时域STAP方法估计风场速度的相关步骤，但空时域的STAP方法运 算量过大，且对独立同分布（Independent and Identically Distributed, IID)样本数目 要求较高，从而限制了该技术的实际应用。和差波束（Σ Λ-STAP)通过空域降维可用于相 控阵雷达，也可对现役的非相控阵体制的机载雷达（如E-2C或E-3A型AEW雷达）的和波 束与差波束进行处理，以改善此类雷达的杂波抑制效果，是当前工程条件下最为可行的实 时处理方案。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种在高杂噪比、低信噪比时仍然可 以精确估计出风速的基于和差波束的低空风切变风速估计方法。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供的基于和差波束的低空风切变风速估计方法包括 按顺序进行的下列步骤：
[0008] 1)从机载导航设备中提取出飞机飞行参数、雷达工作参数作为先验信息：
[0009] 2)选取待检测距离单元和多个参考距离单元，并对所有参考距离单元数据做全谱 域补偿以校正杂波距离相关性，由此获得多个IID样本：
[0010] 3)利用步骤1)中得到的先验信息对步骤2)得到的多个IID样本进行相位补偿， 然后估计出待检测距离单元的杂波协方差矩阵；
[0011] 4)利用步骤3)中估计出的杂波协方差矩阵构造空时自适应处理器，利用和差波 束方法抑制地杂波并估计风场速度：
[0012] 5)重复步骤2)-4)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得 到风速随距离的变化曲线。
[0013] 在步骤4)中，所述的利用步骤3)中估计出的杂波协方差矩阵构造空时自适应处 理器，利用和差波束方法抑制地杂波并估计风场速度的方法是：分析低空风切变信号的谱 分布特征，推导在和差波束模式下低空风切变信号的协方差矩阵的参数化模型，以构造适 用于风场目标的空时自适应处理器，最终达到地杂波抑制和风速估计的结果。
[0014] 本发明提供的基于和差波束的低空风切变风速估计方法是针对相控阵体制的机 载气象雷达，利用和差波束方法估计风场速度，分析和差波束体制下低空风切变信号的谱 分布特点，以构造适用于风场目标的空时自适应处理器，其可以在强杂波背景中有效地估 计风场速度。
【附图说明】
[0015] 图1为机载前视阵几何模型图；
[0016] 图2为本发明提供的基于和差波束的低空风切变风速估计方法流程图；
[0017] 图3(a)、（b)分别为机载气象雷达天线和波束方向的俯视图和三维图；
[0018] 图4(a)、（b)分别为机载气象雷达天线差波束方向的俯视图和三维图；
[0019] 图5为本发明方法的多普勒估计结果曲线图；
[0020] 图6为本发明方法与传统方法的风速估计结果对比曲线图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于和差波束的低空风切变风速估 计方法进行详细说明。
[0022] 如图2所示，本发明提供的基于和差波束的低空风切变风速估计方法包括按顺序 进行的下列步骤：
[0023] 1)从机载导航设备中提取出飞机飞行参数、雷达工作参数作为先验信息：
[0024] 从机载导航设备中提取出飞机速度V、飞行高度h、天线扫描的主瓣方位角Θ ^、俯 仰角外和脉冲重复频率f；等参数以作为后续信号处理的先验信息。
[0025] 2)选取待检测距离单元和多个参考距离单元，并对所有参考距离单元数据做全谱 域补偿以校正杂波距离相关性，由此获得多个IID样本：
[0026] 是从参考距离单元和待检测距离单元间杂波协方差矩阵的逻辑关系中求取信号 补偿矩阵，利用该补偿矩阵处理参考距离单元数据后可令其杂波谱分布特性与待检测距离 单元趋于一致，依次处理多个参考距离单元后获得多个IID样本。
[0027] 沿载机运动方向的法平面放置N行N列方阵，阵元间隔为半波长，如图1所示。机 载气象雷达在工作范围内接收的数据可表示为：
[0028] X = [X1 X2 ... X1 ... xjT (1)
[0029] 其中X1为第1个距离单元的和差通道数据，且1 = 1，2，···，L。令K表示相干处理 时间内的脉冲数，则X1可写为2ΚΧ 1的列向量：
[0030] X1= [X Σ (1) χΣ (2) ... χΣ (k) ... χΣ (K) χΛ (1) χΛ (2) ... χΛ (k) ... χΛ (K)]τ (2)
[0031] 其中χΣ(10、ΧΛ (k)分别表示和、差通道的第k个脉冲的接收数据，且k = 1，2, "·，Κ。雷达回波中包含低空风切变信号、地杂波和高斯白噪声，则有：
[0032] χΣ (k) = Ss (k)+cE (k)+nE
[0033] (3)
[0034] χΔ (k) = sA (k)+cA (k)+nA
[0035] 其中sz(k)、sA (k)分别低空风切变的和、差通道回波，cs(k)、cA (k)分别表示地 杂波的和、差通道数据，η Σ、ηΛ分别表示和差通道的噪声。
[0036] 对参考距离单元数据做全谱域补偿的目的在于校正机载前视阵杂波谱的距离相 关性，令参考距离单元的杂波分布特征与待检测距离单元趋于一致，以获得足够的IID样 本以估计杂波协方差矩阵。具体步骤如下：
[0037] a)选取第i号距离单元为待检测距离单元，接收数据为Xi，构造待检测距离单元 的杂波协方差矩阵