基于多通道聯合自適應處理的低空風切變風速估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達信號處理技術領域，特別是涉及一種基于多通道聯合自適應處理 的低空風切變風速估計方法。 技術背景
[0002] 風切變通常是指高度在600m以下風向、風速突然變化的氣象現象，是對航空運輸 安全威脅最大的天氣現象之一。由于風切變現象具有時間短、尺度小、強度大的特點，從而 帶來了探測難、預報難等一系列問題。當飛機在起降階段進入強風切變區域時，由于缺乏足 夠的調節空間，若操作不當，極易造成飛行事故，因此自發現其危害以來便受到了國際民航 組織和世界各國研宄機構的高度重視。
[0003] 機載氣象雷達可以對雷雨、風切變、湍流等氣象進行探測與預警，是飛機實時檢測 航路氣象信息的重要設備，但機載氣象雷達在前下視檢測低空風切變時，有用信號會淹沒 在強雜波背景中。抑制地雜波的基本思想是選用合適的濾波器在抑制地雜波的同時保留風 切變信號。傳統方法包括雜波圖法、基于參數化模型的譜估計方法、利用模式分析的擴展 Prony方法、零陷濾波器法等，但在強雜波條件下，這些方法難以完全消除地雜波，因此殘余 雜波仍會影響風速估計結果的準確性。
[0004] 相較于傳統單天線雷達，相控陣雷達由于在接收回波中增加了目標信號的空域信 息，使其在強雜波背景下的雜波抑制和信號檢測更具優勢，能夠更好地實現對目標的精確 檢測，目前已有機構開始展開對新一代機載相控陣氣象雷達的研宄。在相控陣雷達中應用 的空時自適應處理技術（Space-Time Adaptive Processing，STAP)可利用空時二維信息抑 制地雜波，有效提高了相控陣雷達的目標檢測能力。但是，傳統STAP技術主要針對點目標 的檢測與估計，無法直接運用在風切變這樣的分布式目標檢測上。并且機載氣象雷達工作 在前視狀態，前視陣的雜波譜在距離上不平穩，從而導致了傳統的空時最優處理器不能直 接應用于機載氣象雷達中。同時由于構造空時最優處理器所需的協方差矩陣維數很高，對 其進行估計和求逆運算量巨大，因此實現實時處理較為困難。綜上，上述原因制約了 STAP 技術向機載氣象雷達中的應用與推廣。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種能夠保證參數估計精度，同時降 低運算復雜度的基于多通道聯合自適應處理的低空風切變風速估計方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發明提供的基于多通道聯合自適應處理的低空風切變風速 估計方法包括按順序進行的下列步驟：
[0007] 1)利用空時插值法構造參考距離單元與待檢測距離單元的變換矩陣，從而獲得補 償距離依賴性后的參考距離單元雷達回波數據；
[0008] 2)利用雷達主瓣寬度作為先驗信息，構造風切變場的廣義空間導向矢量；
[0009] 3)利用信號譜寬作為先驗信息，構造風切變場的廣義時間導向矢量；
[0010] 4)利用多通道聯合自適應處理方法，結合步驟2)中構造的廣義空間導向矢量和 步驟3)中構造的廣義時間導向矢量，構造多普勒濾波器和空域濾波器，以處理步驟1)中的 參考距離單元雷達回波數據，抑制地雜波并估計出風場速度；
[0011] 5)重復步驟2)到步驟4)，更新待檢測距離單元，依次處理雷達工作范圍內所有距 離單元的回波數據，估計得到風速隨距離的變化曲線。
[0012] 在步驟4)中，所述的利用多通道聯合自適應處理方法，結合步驟3)中構造的廣義 空間導向矢量和步驟2)中構造的廣義時間導向矢量，構造多普勒濾波器和空域濾波器，以 處理步驟1)中的雷達回波數據，抑制地雜波并估計出風場速度的方法是：利用步驟2)中構 造的廣義時間導向矢量，構造多普勒濾波器，使用該濾波器處理步驟1)中補償距離依賴性 后的雷達回波數據，獲得多普勒域的數據；然后固定多普勒頻點的數據作為主多普勒通道 數據，將臨近的兩個多普勒頻點數據作為輔助通道數據，構造空域數據矢量，使用多個距離 單元的空域數據矢量估計空域協方差矩陣，然后根據估計所得的空域協方差矩陣以及步驟 2)中構造的廣義時間導向矢量，構造空域濾波器，處理空域數據，抑制地雜波并估計出風場 速度。
[0013] 本發明提供的基于多通道聯合自適應處理的低空風切變風速估計方法是針對相 控陣體制的機載氣象雷達，利用風切變場分布式氣象目標大殿，利用多通道聯合自適應處 理方法構造自適應處理器，估計風場速度。本發明方法可以在低信噪比、強雜噪比條件下有 效地估計出風場速度，仿真實驗驗證了本方法的有效性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明提供的基于多通道聯合自適應處理的低空風切變風速估計方法流 程圖。
[0015] 圖2為機載前視陣雷達陣模型圖。
[0016] 圖3為在雜噪比40dB、信噪比5dB條件下雷達接收信號的空時二維譜。
[0017] 圖4為第80號距離單元多通道聯合自適應處理器與最優處理器的頻譜圖。
[0018] 圖5(a)和（b)分別為第80號距離單元多通道聯合自適應處理器的濾波器頻率響 應俯視及三維視圖。
[0019] 圖6為采樣脈沖64,信噪比5dB，雜噪比40dB時本發明方法與傳統方法的風速估 計結果對比曲線圖。
[0020] 具體實施方法
[0021] 下面結合附圖和具體實例對本發明提供的基于多通道聯合自適應處理的低空風 切變風速估計方法進行詳細說明。
[0022] 如圖1所示，本發明提供的基于多通道聯合自適應處理的低空風切變風速估計方 法包括按順序進行的下列步驟：
[0023] 1)利用空時插值法構造參考距離單元與待檢測距離單元的變換矩陣，從而獲得補 償距離依賴性后的參考距離單元雷達回波數據；
[0024] 機載前視陣雷達陣模型如圖2所示，設載機速度為Vk，載機速度方向與天線的陣 面軸夾角為90°，天線陣元數為N，脈沖重復頻率為f；，相干處理脈沖數為K，陣元間距d = 0.5 λ，其中λ為雷達發射脈沖的波長。
[0025] 在本發明中，X1表示第1(1 = 1，2，...，L)個待檢測距離單元的NKXl維空時快拍 數據，其表達式如下：
[0026] X1= s !+C^n1 (1)
[0027] 其中，Sl、Cl、Ii1分別表示第1個待檢測距離單元的風切變場回波、雜波及噪聲，并 且假設雜波無起伏無模糊，噪聲為加性高斯白噪聲。
[0028] 對于第1個待檢測距離單元內的風切變場，雷達對其的采樣數據可以寫成一個 NXK的矩陣S1。其中，S1的第η行、第k列元素表示雷達第n(n= 1，2，...N)個陣元、第k(k =1，2, ... K)個脈沖對風場回波的采樣，當該待檢測距離單元內雷達波束照射范圍內共有 Q個氣象散射點時，其具體表達式如下：
[0029] (2)
[0030] 其中
分別表示第q(q = 1，2, ...，Q)個氣象散射點的空間角頻率和時間角頻率，Θ q、％分別表示該氣象散射點相對 于雷達的方位角和俯仰角，Rq為第q個散射點與載機的斜距，W紇，％)為天線接收方向圖。 將上面的&展開成為NKX 1維列向量，即為風切變場回波s i。則雷達全距離單元內的回波 信號可以表不為：
[0031] X= [X1 X2 ... xL]τ (3)
[0032] 圖3表示在雜噪比40dB、信噪比5dB條件下接收信號的空時二維譜。可以看出，前 視陣地雜波呈非均勻的橢圓分布，并且地雜波的強度要遠大于風切變信號的強度，風切變 信號幾乎全部被雜波淹沒。
[0033] 對于第1號待檢測距離單元，將其水平方位角離散化，得到{ θπ} |m=12，M，其中M 表示離散化的方位角個數。設該待檢測檢測單元對應的雜波空時導向矢量矩陣為V1，其表 達式如下：
[0034] V1= [ν(θ j) ν(θ2) ... ν(θΜ)] (4)
[0035] 其中，V(I) = V,⑷")?vs(t)，（Μ = 1，2…Μ)表示當水平方位角為叭時，待檢測 距離單元的空時導向矢量，vt( Θ J和vs( Gni)分別表示時間和空間導向矢量，其中：
[0036]
(5)
[0037] 對于臨近待檢測距離單元的第j號參考距離單元，構造該參考距離單元雜波的空 時導向矢量矩陣Vj,則可以得到第1號待檢測距離單元與第j號參考距離單元雜波的插值 變換矩陣為：
[0038] Tj-!= V1(Vj)+ (6)
[0039] 其中（·）+表示求偽逆運算。利用插值變換矩陣Tjil處理參考距離單元的接收數 據，即可實現對第j號參考距離單元的接收數據距離依賴性補償，使其與待檢測距離單元 內雜波的空時分布一致：
[0040] Yj= T J1Xj (7)
[0041] 其中，Xj表示第j號參考距離單元補償前的接收數據，y j表示補償距離依賴性后 的接收數據。
[0042] 2)利用雷達主瓣寬度作為先驗信息，構造風切變場的廣義空間導向矢量；
[0043] 在本發明中，將雷達主瓣的寬度作為雷達照射范圍內風切變場的先驗信息，建立 風切變場的廣義空間導向