基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計一種基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)?達(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法。 技術(shù)背景
[0002] 低空風(fēng)切變通常是指高度在600m以下風(fēng)向、風(fēng)速突然變化的氣象現(xiàn)象，是對航空 運輸安全威脅最大的天氣現(xiàn)象之一。由于風(fēng)切變現(xiàn)象具有時間短、尺度小、強(qiáng)度大等特點， 從而帶來了探測難、預(yù)報難等一系列問題。當(dāng)飛機(jī)在起降階段進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)切變區(qū)域時，由于缺 乏足夠的調(diào)節(jié)空間，若操作不當(dāng)，極易造成飛行事故。因此低空風(fēng)切變探測技術(shù)的研宄已成 為現(xiàn)代航空運輸領(lǐng)域的一個重要課題。
[0003] 機(jī)載氣象雷達(dá)可以對雷雨、風(fēng)切變、湍流等氣象現(xiàn)象進(jìn)行探測與預(yù)警，是飛機(jī)實時 檢測航路氣象信息的重要設(shè)備。但當(dāng)該雷達(dá)處于下視工作狀態(tài)時，風(fēng)切變回波常常處于強(qiáng) 雜波背景中。雜波抑制的好壞程度直接影響了對風(fēng)切變場風(fēng)速估計結(jié)果的準(zhǔn)確性。相較于 傳統(tǒng)單天線體制氣象雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)具有靈活度高、掃描速度快、易于波束形成等特點。 由于在接收回波中增加了目標(biāo)信號的空域信息，使得相控陣?yán)走_(dá)較傳統(tǒng)單天線體制雷達(dá)在 強(qiáng)雜波背景下雜波抑制效果更佳，能夠更好地實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測，相控陣?yán)走_(dá)因此受到了 廣泛重視。目前世界上一些先進(jìn)的氣象雷達(dá)研宄機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了新一代相控陣氣象雷達(dá)的 研宄?？諘r自適應(yīng)處理（Space-timeAdaptiveProcessing，STAP)是應(yīng)用在相控陣?yán)走_(dá)雜 波抑制上的關(guān)鍵技術(shù)，STAP技術(shù)通過在空時域自適應(yīng)地形成凹口，能夠在有效抑制地雜波 的同時，提高雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力。目前，STAP技術(shù)已相對成熟地應(yīng)用在點目標(biāo)的檢測上， 但是風(fēng)切變屬于分布式目標(biāo)，傳統(tǒng)的STAP技術(shù)不能直接應(yīng)用。
[0004] 目前，針對機(jī)載雷達(dá)的風(fēng)切變檢測的方法主要是針對單天線體制雷達(dá)的，但應(yīng)用 在相控陣體制雷達(dá)中的風(fēng)速估計方法鮮有提及。傳統(tǒng)機(jī)載單天線體制氣象雷達(dá)風(fēng)速估計方 法主要包括基于時域分析的脈沖對法（PulsePairProcessing，PPP)和基于頻域分析的快 速傅立葉變換法（FastFourierTransform，F(xiàn)FT)等。雖然這些方法在脈沖數(shù)較多、信噪比 較高時風(fēng)速估計性能較好，但在脈沖數(shù)較少、信噪比較低的時候，其風(fēng)速估計性能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高參數(shù)估計精度的基于壓 縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng) 速估計方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
[0007] 1)利用空時插值法構(gòu)造參考距離單元與待檢測距離單元的變換矩陣，從而獲得構(gòu) 造待檢測單元的雜波協(xié)方差矩陣的獨立同分布樣本，獲得雜波協(xié)方差矩陣的估計值，進(jìn)而 實現(xiàn)雜波抑制；
[0008] 2)利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義空間導(dǎo)向矢量；
[0009] 3)利用信號譜寬作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義時間導(dǎo)向矢量；
[0010] 4)利用上述廣義空間導(dǎo)向矢量和廣義時間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造基于風(fēng)速的風(fēng)切變場空 時基字典，構(gòu)造稀疏基矩陣；
[0011] 5)對上述步驟1)進(jìn)行雜波抑制后的回波信號進(jìn)行觀測，利用上述稀疏基矩陣對 回波信號進(jìn)行恢復(fù)，實現(xiàn)風(fēng)速估計。
[0012] 在步驟2)中，所述的利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義空間 導(dǎo)向矢量的方法是：利用雷達(dá)主瓣寬度，構(gòu)造基于方位和俯仰的角信號密度函數(shù)，以此構(gòu)造 區(qū)別于傳統(tǒng)點目標(biāo)的分布式目標(biāo)空間導(dǎo)向矢量。
[0013] 在步驟3)中，所述的利用信號譜寬作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義時間導(dǎo)向 矢量的方法是：利用信號譜寬，構(gòu)造氣象回波的頻譜擴(kuò)展函數(shù)，并以此構(gòu)造區(qū)別于傳統(tǒng)點目 標(biāo)的氣象目標(biāo)時間導(dǎo)向矢量。
[0014] 在步驟4)中，所述的利用上述廣義空間導(dǎo)向矢量和廣義時間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造基于 風(fēng)速的風(fēng)切變場空時基字典，構(gòu)造稀疏基矩陣的方法是：將待估的風(fēng)速區(qū)間離散化，建立離 散的待估風(fēng)速空間，利用離散的風(fēng)速空間建立時域基字典，將廣義空間導(dǎo)向矢量和時域基 字典做Kronecker積，得到基于風(fēng)速的空切變場的空時基字典，再將空時基字典與隨機(jī)觀 測矩陣做乘積，得到稀疏基矩陣。
[0015] 在步驟5)中，所述的對上述步驟1)進(jìn)行雜波抑制后的回波信號進(jìn)行觀測，利用上 述稀疏基矩陣對回波信號進(jìn)行恢復(fù)，實現(xiàn)風(fēng)速估計的方法是：將觀測信號向稀疏基矩陣中 各原子對應(yīng)的一維子空間進(jìn)行正交投影，計算投影誤差，與觀測信號投影誤差最小，即該原 子與觀測信號相關(guān)性最大的原子即為回波信號的恢復(fù)原子；構(gòu)成該恢復(fù)原子的中心風(fēng)速， 即為待估距離單元的中心風(fēng)速。
[0016] 本發(fā)明提供的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法是利用 先驗信息建立分布式氣象目標(biāo)的精確空時導(dǎo)向矢量，然后利用其回波的稀疏特性恢復(fù)信 號，進(jìn)而實現(xiàn)參數(shù)估計。本方法在脈沖數(shù)較少且信噪比較低時仍然能夠獲得較為精確的風(fēng) 場速度估計結(jié)果。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法流程圖。
[0018] 圖2為機(jī)載前視陣?yán)走_(dá)陣模型圖。
[0019] 圖3為雷達(dá)接收信號的空時二維譜。
[0020] 圖4為35號距離單元風(fēng)切變回波的頻譜圖。
[0021] 圖5為采樣脈沖64,信噪比5dB，雜噪比40dB時的風(fēng)速估計結(jié)果。
[0022] 圖6為采樣脈沖64,信噪比Odb，雜噪比40dB時的風(fēng)速估計結(jié)果。
[0023] 圖7為采樣脈沖32,信噪比5db，雜噪比40dB時的風(fēng)速估計結(jié)果。
[0024]圖8為采樣脈沖32,信噪比Odb，雜噪比40dB時的風(fēng)速估計結(jié)果。
[0025] 具體實施方法
[0026] 下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明提供的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空 風(fēng)切變風(fēng)速估計方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計 方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
[0028] 1)利用空時插值法構(gòu)造參考距離單元與待檢測距離單元的變換矩陣，從而獲得構(gòu) 造待檢測單元的雜波協(xié)方差矩陣的獨立同分布數(shù)據(jù)樣本，獲得雜波協(xié)方差矩陣的估計值， 進(jìn)而實現(xiàn)雜波抑制；
[0029] 機(jī)載前視陣?yán)走_(dá)陣模型如圖1所示，設(shè)載機(jī)速度為Vk，載機(jī)速度方向與天線的陣 面軸夾角為90°，天線陣元數(shù)為N，脈沖重復(fù)頻率為f；，相干處理脈沖數(shù)為K，陣元間距d= 0.5A，其中A為雷達(dá)發(fā)射脈沖的波長。
[0030] 在本發(fā)明中，X1表示第1(1 = 1,2, ???，〇個待檢測單元的NKXl維空時快拍數(shù)據(jù)， 其表達(dá)式如下：
[0031] X1=s!+C^n1 (1)
[0032] 其中，Sl、Cl、Ii1分別表示第1個待檢測單元的風(fēng)切變場回波、雜波及噪聲，其中假 設(shè)雜波無起伏無模糊，噪聲為加性高斯白噪聲。
[0033] 對于第1個距離單元內(nèi)的風(fēng)切變場，雷達(dá)對其的采樣數(shù)據(jù)可以寫成一個NXK的矩 陣&。其中，S1的第n行、第k列元素表示雷達(dá)第n(n= 1，2,…N)個陣元、第k(k= 1，2，~ K)個脈沖對風(fēng)場回波的采樣，當(dāng)該距離單元內(nèi)雷達(dá)波束照射范圍內(nèi)共有Q個氣象散射點 時，其具體表達(dá)式如下：
【主權(quán)項】
1. 一種基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法，其特征在于，其包 括按順序進(jìn)行的下列步驟： 1) 利用空時插值法構(gòu)造參考距離單元與待檢測距離單元的變換矩陣，從而獲得構(gòu)造待 檢測單元的雜波協(xié)方差矩陣的獨立同分布數(shù)據(jù)樣本，獲得雜波協(xié)方差矩陣的估計值，進(jìn)而 實現(xiàn)雜波抑制； 2) 利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義空間導(dǎo)向矢量； 3) 利用信號譜寬作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義時間導(dǎo)向矢量； 4) 利用上述廣義空間導(dǎo)向矢量和廣義時間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造基于風(fēng)速的風(fēng)切變場空時基 字典，構(gòu)造稀疏基矩陣； 5) 對上述步驟1)進(jìn)行雜波抑制后的回波信號進(jìn)行觀測，利用上述稀疏基矩陣對回波 信號進(jìn)行恢復(fù)，實現(xiàn)風(fēng)速估計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法 其特征在于：在步驟2)中，所述的利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義 空間導(dǎo)向矢量的方法是：利用雷達(dá)主瓣寬度，構(gòu)造基于方位和俯仰的角信號密度函數(shù)，以此 構(gòu)造區(qū)別于傳統(tǒng)點目標(biāo)的分布式目標(biāo)空間導(dǎo)向矢量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法 其特征在于：在步驟3)中，所述的利用信號譜寬作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義時間 導(dǎo)向矢量的方法是：利用信號譜寬，構(gòu)造氣象回波的頻譜擴(kuò)展函數(shù)，并以此構(gòu)造區(qū)別于傳統(tǒng) 點目標(biāo)的氣象目標(biāo)時間導(dǎo)向矢量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法 其特征在于：在步驟4)中，所述的利用廣義空間導(dǎo)向矢量和廣義時間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造基于 風(fēng)速的風(fēng)切變場空時基字典，構(gòu)造稀疏基矩陣的方法是：將待估的風(fēng)速區(qū)間離散化，建立離 散的待估風(fēng)速空間，利用離散的風(fēng)速空間建立時域基字典，將廣義空間導(dǎo)向矢量和時域基 字典做Kronecker積，得到基于風(fēng)速的空切變場的空時基字典，再將空時基字典與隨機(jī)觀 測矩陣做乘積，得到稀疏基矩陣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法 其特征在于：在步驟5)中，所述的對上述步驟1)進(jìn)行雜波抑制后的回波信號進(jìn)行觀測，利 用稀疏基矩陣對回波信號進(jìn)行恢復(fù)，實現(xiàn)風(fēng)速估計的方法是：將觀測信號向稀疏基矩陣中 各原子對應(yīng)的一維子空間進(jìn)行正交投影，計算投影誤差，與觀測信號投影誤差最小，即該原 子與觀測信號相關(guān)性最大的原子即為回波信號的恢復(fù)原子；構(gòu)成該恢復(fù)原子的中心風(fēng)速， 即為待估距離單元的中心風(fēng)速。
【專利摘要】一種基于壓縮感知的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低空風(fēng)切變風(fēng)速估計方法。其包括：利用空時插值法構(gòu)造參考距離單元與待檢測距離單元的變換矩陣，從而獲得構(gòu)造待檢測單元的雜波協(xié)方差矩陣的獨立同分布樣本，獲得雜波協(xié)方差矩陣的估計值，進(jìn)而實現(xiàn)雜波抑制；利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義空間導(dǎo)向矢量；利用信號譜寬作為先驗信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義時間導(dǎo)向矢量；利用廣義空間導(dǎo)向矢量和廣義時間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造基于風(fēng)速的風(fēng)切變場空時基字典，構(gòu)造稀疏基矩陣；對步驟1)進(jìn)行雜波抑制后的回波信號進(jìn)行觀測，利用稀疏基矩陣對回波信號進(jìn)行恢復(fù)，實現(xiàn)風(fēng)速估計。本方法在脈沖數(shù)較少且信噪比較低時仍然能夠獲得較為精確的風(fēng)場速度估計結(jié)果。
【IPC分類】G01S13-95
【公開號】CN104793210
【申請?zhí)枴緾N201510190437
【發(fā)明人】李海, 周盟, 吳仁彪
【申請人】中國民航大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月21日