基于多通道联合自适应处理的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，特别是涉及一种基于多通道联合自适应处理 的低空风切变风速估计方法。 技术背景
[0002] 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、强度大的特点，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，因此自发现其危害以来便受到了国际民航 组织和世界各国研宄机构的高度重视。
[0003] 机载气象雷达可以对雷雨、风切变、湍流等气象进行探测与预警，是飞机实时检测 航路气象信息的重要设备，但机载气象雷达在前下视检测低空风切变时，有用信号会淹没 在强杂波背景中。抑制地杂波的基本思想是选用合适的滤波器在抑制地杂波的同时保留风 切变信号。传统方法包括杂波图法、基于参数化模型的谱估计方法、利用模式分析的扩展 Prony方法、零陷滤波器法等，但在强杂波条件下，这些方法难以完全消除地杂波，因此残余 杂波仍会影响风速估计结果的准确性。
[0004] 相较于传统单天线雷达，相控阵雷达由于在接收回波中增加了目标信号的空域信 息，使其在强杂波背景下的杂波抑制和信号检测更具优势，能够更好地实现对目标的精确 检测，目前已有机构开始展开对新一代机载相控阵气象雷达的研宄。在相控阵雷达中应用 的空时自适应处理技术（Space-Time Adaptive Processing，STAP)可利用空时二维信息抑 制地杂波，有效提高了相控阵雷达的目标检测能力。但是，传统STAP技术主要针对点目标 的检测与估计，无法直接运用在风切变这样的分布式目标检测上。并且机载气象雷达工作 在前视状态，前视阵的杂波谱在距离上不平稳，从而导致了传统的空时最优处理器不能直 接应用于机载气象雷达中。同时由于构造空时最优处理器所需的协方差矩阵维数很高，对 其进行估计和求逆运算量巨大，因此实现实时处理较为困难。综上，上述原因制约了 STAP 技术向机载气象雷达中的应用与推广。
【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保证参数估计精度，同时降 低运算复杂度的基于多通道联合自适应处理的低空风切变风速估计方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供的基于多通道联合自适应处理的低空风切变风速 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，从而获得补 偿距离依赖性后的参考距离单元雷达回波数据；
[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)利用多通道联合自适应处理方法，结合步骤2)中构造的广义空间导向矢量和 步骤3)中构造的广义时间导向矢量，构造多普勒滤波器和空域滤波器，以处理步骤1)中的 参考距离单元雷达回波数据，抑制地杂波并估计出风场速度；
[0011] 5)重复步骤2)到步骤4)，更新待检测距离单元，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。
[0012] 在步骤4)中，所述的利用多通道联合自适应处理方法，结合步骤3)中构造的广义 空间导向矢量和步骤2)中构造的广义时间导向矢量，构造多普勒滤波器和空域滤波器，以 处理步骤1)中的雷达回波数据，抑制地杂波并估计出风场速度的方法是：利用步骤2)中构 造的广义时间导向矢量，构造多普勒滤波器，使用该滤波器处理步骤1)中补偿距离依赖性 后的雷达回波数据，获得多普勒域的数据；然后固定多普勒频点的数据作为主多普勒通道 数据，将临近的两个多普勒频点数据作为辅助通道数据，构造空域数据矢量，使用多个距离 单元的空域数据矢量估计空域协方差矩阵，然后根据估计所得的空域协方差矩阵以及步骤 2)中构造的广义时间导向矢量，构造空域滤波器，处理空域数据，抑制地杂波并估计出风场 速度。
[0013] 本发明提供的基于多通道联合自适应处理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，利用风切变场分布式气象目标大殿，利用多通道联合自适应处 理方法构造自适应处理器，估计风场速度。本发明方法可以在低信噪比、强杂噪比条件下有 效地估计出风场速度，仿真实验验证了本方法的有效性。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明提供的基于多通道联合自适应处理的低空风切变风速估计方法流 程图。
[0015] 图2为机载前视阵雷达阵模型图。
[0016] 图3为在杂噪比40dB、信噪比5dB条件下雷达接收信号的空时二维谱。
[0017] 图4为第80号距离单元多通道联合自适应处理器与最优处理器的频谱图。
[0018] 图5(a)和（b)分别为第80号距离单元多通道联合自适应处理器的滤波器频率响 应俯视及三维视图。
[0019] 图6为采样脉冲64,信噪比5dB，杂噪比40dB时本发明方法与传统方法的风速估 计结果对比曲线图。
[0020] 具体实施方法
[0021] 下面结合附图和具体实例对本发明提供的基于多通道联合自适应处理的低空风 切变风速估计方法进行详细说明。
[0022] 如图1所示，本发明提供的基于多通道联合自适应处理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)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，从而获得补 偿距离依赖性后的参考距离单元雷达回波数据；
[0024] 机载前视阵雷达阵模型如图2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 = 0.5 λ，其中λ为雷达发射脉冲的波长。
[0025] 在本发明中，X1表示第1(1 = 1，2，...，L)个待检测距离单元的NKXl维空时快拍 数据，其表达式如下：
[0026] X1= s !+C^n1 (1)
[0027] 其中，Sl、Cl、Ii1分别表示第1个待检测距离单元的风切变场回波、杂波及噪声，并 且假设杂波无起伏无模糊，噪声为加性高斯白噪声。
[0028] 对于第1个待检测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S1。其中，S1的第η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，当该待检测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：
[0029] (2)
[0030] 其中
分别表示第q(q = 1，2, ...，Q)个气象散射点的空间角频率和时间角频率，Θ q、％分别表示该气象散射点相对 于雷达的方位角和俯仰角，Rq为第q个散射点与载机的斜距，W纥，％)为天线接收方向图。 将上面的&展开成为NKX 1维列向量，即为风切变场回波s i。则雷达全距离单元内的回波 信号可以表不为：
[0031] X= [X1 X2 ... xL]τ (3)
[0032] 图3表示在杂噪比40dB、信噪比5dB条件下接收信号的空时二维谱。可以看出，前 视阵地杂波呈非均匀的椭圆分布，并且地杂波的强度要远大于风切变信号的强度，风切变 信号几乎全部被杂波淹没。
[0033] 对于第1号待检测距离单元，将其水平方位角离散化，得到{ θπ} |m=12，M，其中M 表示离散化的方位角个数。设该待检测检测单元对应的杂波空时导向矢量矩阵为V1，其表 达式如下：
[0034] V1= [ν(θ j) ν(θ2) ... ν(θΜ)] (4)
[0035] 其中，V(I) = V,⑷")?vs(t)，（Μ = 1，2…Μ)表示当水平方位角为叭时，待检测 距离单元的空时导向矢量，vt( Θ J和vs( Gni)分别表示时间和空间导向矢量，其中：
[0036]
(5)
[0037] 对于临近待检测距离单元的第j号参考距离单元，构造该参考距离单元杂波的空 时导向矢量矩阵Vj,则可以得到第1号待检测距离单元与第j号参考距离单元杂波的插值 变换矩阵为：
[0038] Tj-!= V1(Vj)+ (6)
[0039] 其中（·）+表示求伪逆运算。利用插值变换矩阵Tjil处理参考距离单元的接收数 据，即可实现对第j号参考距离单元的接收数据距离依赖性补偿，使其与待检测距离单元 内杂波的空时分布一致：
[0040] Yj= T J1Xj (7)
[0041] 其中，Xj表示第j号参考距离单元补偿前的接收数据，y j表示补偿距离依赖性后 的接收数据。
[0042] 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；
[0043] 在本发明中，将雷达主瓣的宽度作为雷达照射范围内风切变场的先验信息，建立 风切变场的广义空间导向