基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达信号处理技术领域，特别设计一种基于压缩感知的机载相控阵雷 达低空风切变风速估计方法。 技术背景
[0002] 低空风切变通常是指高度在600m以下风向、风速突然变化的气象现象，是对航空 运输安全威胁最大的天气现象之一。由于风切变现象具有时间短、尺度小、强度大等特点， 从而带来了探测难、预报难等一系列问题。当飞机在起降阶段进入强风切变区域时，由于缺 乏足够的调节空间，若操作不当，极易造成飞行事故。因此低空风切变探测技术的研宄已成 为现代航空运输领域的一个重要课题。
[0003] 机载气象雷达可以对雷雨、风切变、湍流等气象现象进行探测与预警，是飞机实时 检测航路气象信息的重要设备。但当该雷达处于下视工作状态时，风切变回波常常处于强 杂波背景中。杂波抑制的好坏程度直接影响了对风切变场风速估计结果的准确性。相较于 传统单天线体制气象雷达，相控阵雷达具有灵活度高、扫描速度快、易于波束形成等特点。 由于在接收回波中增加了目标信号的空域信息，使得相控阵雷达较传统单天线体制雷达在 强杂波背景下杂波抑制效果更佳，能够更好地实现对目标的检测，相控阵雷达因此受到了 广泛重视。目前世界上一些先进的气象雷达研宄机构已经开始了新一代相控阵气象雷达的 研宄。空时自适应处理（Space-timeAdaptiveProcessing，STAP)是应用在相控阵雷达杂 波抑制上的关键技术，STAP技术通过在空时域自适应地形成凹口，能够在有效抑制地杂波 的同时，提高雷达的目标检测能力。目前，STAP技术已相对成熟地应用在点目标的检测上， 但是风切变属于分布式目标，传统的STAP技术不能直接应用。
[0004] 目前，针对机载雷达的风切变检测的方法主要是针对单天线体制雷达的，但应用 在相控阵体制雷达中的风速估计方法鲜有提及。传统机载单天线体制气象雷达风速估计方 法主要包括基于时域分析的脉冲对法（PulsePairProcessing，PPP)和基于频域分析的快 速傅立叶变换法（FastFourierTransform，FFT)等。虽然这些方法在脉冲数较多、信噪比 较高时风速估计性能较好，但在脉冲数较少、信噪比较低的时候，其风速估计性能下降。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提高参数估计精度的基于压 缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风 速估计方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0007] 1)利用空时插值法构造参考距离单元与待检测距离单元的变换矩阵，从而获得构 造待检测单元的杂波协方差矩阵的独立同分布样本，获得杂波协方差矩阵的估计值，进而 实现杂波抑制；
[0008] 2)利用雷达主瓣宽度作为先验信息，构造风切变场的广义空间导向矢量；
[0009] 3)利用信号谱宽作为先验信息，构造风切变场的广义时间导向矢量；
[0010] 4)利用上述广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，构造基于风速的风切变场空 时基字典，构造稀疏基矩阵；
[0011] 5)对上述步骤1)进行杂波抑制后的回波信号进行观测，利用上述稀疏基矩阵对 回波信号进行恢复，实现风速估计。
[0012] 在步骤2)中，所述的利用雷达主瓣宽度作为先验信息，构造风切变场的广义空间 导向矢量的方法是：利用雷达主瓣宽度，构造基于方位和俯仰的角信号密度函数，以此构造 区别于传统点目标的分布式目标空间导向矢量。
[0013] 在步骤3)中，所述的利用信号谱宽作为先验信息，构造风切变场的广义时间导向 矢量的方法是：利用信号谱宽，构造气象回波的频谱扩展函数，并以此构造区别于传统点目 标的气象目标时间导向矢量。
[0014] 在步骤4)中，所述的利用上述广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，构造基于 风速的风切变场空时基字典，构造稀疏基矩阵的方法是：将待估的风速区间离散化，建立离 散的待估风速空间，利用离散的风速空间建立时域基字典，将广义空间导向矢量和时域基 字典做Kronecker积，得到基于风速的空切变场的空时基字典，再将空时基字典与随机观 测矩阵做乘积，得到稀疏基矩阵。
[0015] 在步骤5)中，所述的对上述步骤1)进行杂波抑制后的回波信号进行观测，利用上 述稀疏基矩阵对回波信号进行恢复，实现风速估计的方法是：将观测信号向稀疏基矩阵中 各原子对应的一维子空间进行正交投影，计算投影误差，与观测信号投影误差最小，即该原 子与观测信号相关性最大的原子即为回波信号的恢复原子；构成该恢复原子的中心风速， 即为待估距离单元的中心风速。
[0016] 本发明提供的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法是利用 先验信息建立分布式气象目标的精确空时导向矢量，然后利用其回波的稀疏特性恢复信 号，进而实现参数估计。本方法在脉冲数较少且信噪比较低时仍然能够获得较为精确的风 场速度估计结果。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法流程图。
[0018] 图2为机载前视阵雷达阵模型图。
[0019] 图3为雷达接收信号的空时二维谱。
[0020] 图4为35号距离单元风切变回波的频谱图。
[0021] 图5为采样脉冲64,信噪比5dB，杂噪比40dB时的风速估计结果。
[0022] 图6为采样脉冲64,信噪比Odb，杂噪比40dB时的风速估计结果。
[0023] 图7为采样脉冲32,信噪比5db，杂噪比40dB时的风速估计结果。
[0024]图8为采样脉冲32,信噪比Odb，杂噪比40dB时的风速估计结果。
[0025] 具体实施方法
[0026] 下面结合附图和具体实例对本发明提供的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空 风切变风速估计方法进行详细说明。
[0027] 如图1所示，本发明提供的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计 方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0028] 1)利用空时插值法构造参考距离单元与待检测距离单元的变换矩阵，从而获得构 造待检测单元的杂波协方差矩阵的独立同分布数据样本，获得杂波协方差矩阵的估计值， 进而实现杂波抑制；
[0029] 机载前视阵雷达阵模型如图1所示，设载机速度为Vk，载机速度方向与天线的阵 面轴夹角为90°，天线阵元数为N，脉冲重复频率为f；，相干处理脉冲数为K，阵元间距d= 0.5A，其中A为雷达发射脉冲的波长。
[0030] 在本发明中，X1表示第1(1 = 1,2, ???，〇个待检测单元的NKXl维空时快拍数据， 其表达式如下：
[0031] X1=s!+C^n1 (1)
[0032] 其中，Sl、Cl、Ii1分别表示第1个待检测单元的风切变场回波、杂波及噪声，其中假 设杂波无起伏无模糊，噪声为加性高斯白噪声。
[0033] 对于第1个距离单元内的风切变场，雷达对其的采样数据可以写成一个NXK的矩 阵&。其中，S1的第n行、第k列元素表示雷达第n(n= 1，2,…N)个阵元、第k(k= 1，2，~ K)个脉冲对风场回波的采样，当该距离单元内雷达波束照射范围内共有Q个气象散射点 时，其具体表达式如下：
【主权项】
1. 一种基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法，其特征在于，其包 括按顺序进行的下列步骤： 1) 利用空时插值法构造参考距离单元与待检测距离单元的变换矩阵，从而获得构造待 检测单元的杂波协方差矩阵的独立同分布数据样本，获得杂波协方差矩阵的估计值，进而 实现杂波抑制； 2) 利用雷达主瓣宽度作为先验信息，构造风切变场的广义空间导向矢量； 3) 利用信号谱宽作为先验信息，构造风切变场的广义时间导向矢量； 4) 利用上述广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，构造基于风速的风切变场空时基 字典，构造稀疏基矩阵； 5) 对上述步骤1)进行杂波抑制后的回波信号进行观测，利用上述稀疏基矩阵对回波 信号进行恢复，实现风速估计。
2. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法 其特征在于：在步骤2)中，所述的利用雷达主瓣宽度作为先验信息，构造风切变场的广义 空间导向矢量的方法是：利用雷达主瓣宽度，构造基于方位和俯仰的角信号密度函数，以此 构造区别于传统点目标的分布式目标空间导向矢量。
3. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法 其特征在于：在步骤3)中，所述的利用信号谱宽作为先验信息，构造风切变场的广义时间 导向矢量的方法是：利用信号谱宽，构造气象回波的频谱扩展函数，并以此构造区别于传统 点目标的气象目标时间导向矢量。
4. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法 其特征在于：在步骤4)中，所述的利用广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，构造基于 风速的风切变场空时基字典，构造稀疏基矩阵的方法是：将待估的风速区间离散化，建立离 散的待估风速空间，利用离散的风速空间建立时域基字典，将广义空间导向矢量和时域基 字典做Kronecker积，得到基于风速的空切变场的空时基字典，再将空时基字典与随机观 测矩阵做乘积，得到稀疏基矩阵。
5. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法 其特征在于：在步骤5)中，所述的对上述步骤1)进行杂波抑制后的回波信号进行观测，利 用稀疏基矩阵对回波信号进行恢复，实现风速估计的方法是：将观测信号向稀疏基矩阵中 各原子对应的一维子空间进行正交投影，计算投影误差，与观测信号投影误差最小，即该原 子与观测信号相关性最大的原子即为回波信号的恢复原子；构成该恢复原子的中心风速， 即为待估距离单元的中心风速。
【专利摘要】一种基于压缩感知的机载相控阵雷达低空风切变风速估计方法。其包括：利用空时插值法构造参考距离单元与待检测距离单元的变换矩阵，从而获得构造待检测单元的杂波协方差矩阵的独立同分布样本，获得杂波协方差矩阵的估计值，进而实现杂波抑制；利用雷达主瓣宽度作为先验信息，构造风切变场的广义空间导向矢量；利用信号谱宽作为先验信息，构造风切变场的广义时间导向矢量；利用广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，构造基于风速的风切变场空时基字典，构造稀疏基矩阵；对步骤1)进行杂波抑制后的回波信号进行观测，利用稀疏基矩阵对回波信号进行恢复，实现风速估计。本方法在脉冲数较少且信噪比较低时仍然能够获得较为精确的风场速度估计结果。
【IPC分类】G01S13-95
【公开号】CN104793210
【申请号】CN201510190437
【发明人】李海, 周盟, 吴仁彪
【申请人】中国民航大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月21日