矢量。
[0044] 當雷達主瓣方向俯仰角為仍，中心方位角為Θ財，設其照射范圍內風切變場的廣 義空間導向矢量為vs(q，的)_vxl，其表達式如下：
[0046] 其中
表示中心方位角為Θ i，中心俯仰
[0045] (10) 角為的方位上點目標的空間導向矢量；g(tP/)M為確定性角信號密度函數，本發明中 g(t灼)AM表示風切變場在中心方位角0i和中心俯仰角巧上的擴展。約)ΛΜ通常是 以分布源中心DOA為對稱中心的單峰對稱函數。由于雷達主瓣范圍照射內氣象粒子數量很 大，并且沒有一個處于主導地位，則根據中心極限定理，g(t灼Xvx1可以表示為：
[0047] (11)
[0048] 其中，
〇 0表示Θ i方向上的角度擴展， %表示灼方向上的角度擴展。
[0049] 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；
[0050] 風切變場回波在時間上具有隨機性并且帶有頻譜展寬，則對于第1待檢測距離單 元內的風切變場，其接收信號可以寫為如下統一形式：
[0051]
(12)
[0052] 其中，Zuk表示接收信號的復幅度，fd表示風切變回波信號的多普勒頻率，f s表示 空間角頻率。對于單一距離單元的風切變場，通常認為Λ~W(/Q,<)。其中，f(1表示回波的 中心多普勒頻率，〇f表示該待檢測距離單元內風切變信號回波的譜寬。亦即，每個陣元接 收的單一距離單元的回波信號都可視為一個具有恒定中心多普勒頻率（對應該距離單元 內的中心風速）和連續多普勒展寬（對應風速梯度量）的信號。由此可得風切變場的廣義 時間導向矢量為：
[0053] (13)
[0054] 其中，g(〇 f)表示頻率擴展函數，其表達式如下：
[0055]
(14)
[0056]
表示方位角為Θ河俯仰角為約時，速度為V 的點目標的時間導向矢量。
[0057] 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，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：
[0058] 設第m個多普勒通道的多普勒頻率值為，則第m個多普勒濾波器輸出的陣列數 據矢量SYm，其表達式如下：
[0059]
(15)
[0060] 其中，In表示空域單位矩陣，X i表示接收的第1個待檢測距離單元的信號，W tm表 示第m個多普勒單元的權。由步驟3)對風切變時間導向矢量的推導可知，在設計第m個多 普勒權時，需要考慮接收信號的多普勒擴展，本發明中：
[0061] (16)
[0062] 同時取第（m-Ι)和第（m+1)個多普勒通道作為輔助通道，其陣列數據矢量分別用 Y1^和Y m+1表示。定義一新的矢量：
[0063] Zm= [Ym Ynri YmJ (17)
[0064] 利用Zm構造第m個多普勒通道的空域二次協方差矩陣R Zm:
[0065]
(18)
[0066] 則根據線性約束最小功率輸出準則（LCMV)，可以將降維后的信號處理問題描述為 如下數學優化問題：
[0067]
(19)
[0068] 其中，Szni為分布式目標的二維空時導向矢量，可得：
[0069]
[0070] gm+i(i = ±1)為常數，表示選定的輔助通道與主通道的歸一化增益：
[0071]
(21)
[0072] 則可解得降維的最優權矢量ω Zn]為：
[0073]
(22)
[0074] 此權矢量可以自適應抑制第m個多普勒通道空域上的定向窄帶干擾，并積累主瓣 方向上的目標信號。干擾抑制和信號匹配的結果為：
[0075]
(23)
[0076] 更新多普勒主通道，求得不同中心多普勒頻率下的最優權值，并分別求取此時的 濾波器輸出功率。當輸出功率最大時，表示本空時處理器對雜波的抑制和低空風切變信號 的能量積累效果最好，此時多普勒主通道的普勒頻率即為待檢測距離單元內風切變場的中 心多普勒頻率估值/，進而求得該距離單元風場風速的估計值?，：
[0077]
(24)
[0078] 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。
[0079] 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的效果可 以通過以下仿真結果進一步說明。
[0080] 仿真參數設置：低空風切變場分布于飛機前方8. 5-16. 5km處。天線陣為陣元數 N = 8的前視理想均勻線陣，陣元間距為d= λ/2,主瓣波束水平方位角為60°，俯仰角為 0°，波束寬度為3.5°，機載氣象雷達波長為0.05m，脈沖重復頻率為7000Hz，雷達最小分 辨距離為150m，相干處理脈沖數K = 64,雜噪比為40dB，信噪比為5dB ;載機速度為75m/s， 飛行高度為600m，歸一化多普勒譜寬σ f = 0. 05。
[0081] 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。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。
[0082] 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。從圖 可以看出，多通道聯合自適應處理器與最優處理器均能在雜波區域形成凹口，且凹口深度 相當。
[0083] 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。由圖可以看出，濾波器主要在零頻處形成了零限及增益。
[0084] 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。由圖可以看出，在同等雜噪比與信噪比條件下，本發明方法處理效果明 顯優于自適應頻域置零法與固定凹口法等傳統方法。結果證明，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可以在強雜波條件下有效地抑制地雜波，并精 確估計出風場速度。
【主權項】
1. 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，其特征在于，其包括 按順序進行的下列步驟： 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； 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； 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； 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； 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。2. 根據權利要求1所述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其 特征在于：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。
【專利摘要】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。其包括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雷達回波數據；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；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；4)利用多通道聯合自適應處理方法，結合廣義空間導向矢量和廣義時間導向矢量，構造多普勒濾波器和空域濾波器，處理雷達回波數據，抑制地雜波并估計出風場速度；5)重復步驟2)到步驟4)，估計得到風速隨距離的變化曲線。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。
【IPC分類】G01S7/41
【公開號】CN104914420
【申請號】CN201510309000
【發明人】李海, 周盟, 吳仁彪
【申請人】中國民航大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年6月8日