基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理 的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法。 技術(shù)背景
[0002] 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(duì)航空運(yùn)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(shí)間短、尺度小、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，從而 帶來了探測難、預(yù)報(bào)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(shí)，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，因此自發(fā)現(xiàn)其危害以來便受到了國際民航 組織和世界各國研宄機(jī)構(gòu)的高度重視。
[0003] 機(jī)載氣象雷達(dá)可以對(duì)雷雨、風(fēng)切變、湍流等氣象進(jìn)行探測與預(yù)警，是飛機(jī)實(shí)時(shí)檢測 航路氣象信息的重要設(shè)備，但機(jī)載氣象雷達(dá)在前下視檢測低空風(fēng)切變時(shí)，有用信號(hào)會(huì)淹沒 在強(qiáng)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(shí)保留風(fēng) 切變信號(hào)。傳統(tǒng)方法包括雜波圖法、基于參數(shù)化模型的譜估計(jì)方法、利用模式分析的擴(kuò)展 Prony方法、零陷濾波器法等，但在強(qiáng)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(huì)影響風(fēng)速估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0004] 相較于傳統(tǒng)單天線雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)由于在接收回波中增加了目標(biāo)信號(hào)的空域信 息，使其在強(qiáng)雜波背景下的雜波抑制和信號(hào)檢測更具優(yōu)勢，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確 檢測，目前已有機(jī)構(gòu)開始展開對(duì)新一代機(jī)載相控陣氣象雷達(dá)的研宄。在相控陣?yán)走_(dá)中應(yīng)用 的空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)（Space-Time Adaptive Processing，STAP)可利用空時(shí)二維信息抑 制地雜波，有效提高了相控陣?yán)走_(dá)的目標(biāo)檢測能力。但是，傳統(tǒng)STAP技術(shù)主要針對(duì)點(diǎn)目標(biāo) 的檢測與估計(jì)，無法直接運(yùn)用在風(fēng)切變這樣的分布式目標(biāo)檢測上。并且機(jī)載氣象雷達(dá)工作 在前視狀態(tài)，前視陣的雜波譜在距離上不平穩(wěn)，從而導(dǎo)致了傳統(tǒng)的空時(shí)最優(yōu)處理器不能直 接應(yīng)用于機(jī)載氣象雷達(dá)中。同時(shí)由于構(gòu)造空時(shí)最優(yōu)處理器所需的協(xié)方差矩陣維數(shù)很高，對(duì) 其進(jìn)行估計(jì)和求逆運(yùn)算量巨大，因此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理較為困難。綜上，上述原因制約了 STAP 技術(shù)向機(jī)載氣象雷達(dá)中的應(yīng)用與推廣。

【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保證參數(shù)估計(jì)精度，同時(shí)降 低運(yùn)算復(fù)雜度的基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng)切變風(fēng)速 估計(jì)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
[0007] 1)利用空時(shí)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，從而獲得補(bǔ) 償距離依賴性后的參考距離單元雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；
[0008] 2)利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗(yàn)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(hào)譜寬作為先驗(yàn)信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義時(shí)間導(dǎo)向矢量；
[0010] 4)利用多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理方法，結(jié)合步驟2)中構(gòu)造的廣義空間導(dǎo)向矢量和 步驟3)中構(gòu)造的廣義時(shí)間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造多普勒濾波器和空域?yàn)V波器，以處理步驟1)中的 參考距離單元雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，抑制地雜波并估計(jì)出風(fēng)場速度；
[0011] 5)重復(fù)步驟2)到步驟4)，更新待檢測距離單元，依次處理雷達(dá)工作范圍內(nèi)所有距 離單元的回波數(shù)據(jù)，估計(jì)得到風(fēng)速隨距離的變化曲線。
[0012] 在步驟4)中，所述的利用多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理方法，結(jié)合步驟3)中構(gòu)造的廣義 空間導(dǎo)向矢量和步驟2)中構(gòu)造的廣義時(shí)間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造多普勒濾波器和空域?yàn)V波器，以 處理步驟1)中的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，抑制地雜波并估計(jì)出風(fēng)場速度的方法是：利用步驟2)中構(gòu) 造的廣義時(shí)間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造多普勒濾波器，使用該濾波器處理步驟1)中補(bǔ)償距離依賴性 后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，獲得多普勒域的數(shù)據(jù)；然后固定多普勒頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為主多普勒通道 數(shù)據(jù)，將臨近的兩個(gè)多普勒頻點(diǎn)數(shù)據(jù)作為輔助通道數(shù)據(jù)，構(gòu)造空域數(shù)據(jù)矢量，使用多個(gè)距離 單元的空域數(shù)據(jù)矢量估計(jì)空域協(xié)方差矩陣，然后根據(jù)估計(jì)所得的空域協(xié)方差矩陣以及步驟 2)中構(gòu)造的廣義時(shí)間導(dǎo)向矢量，構(gòu)造空域?yàn)V波器，處理空域數(shù)據(jù)，抑制地雜波并估計(jì)出風(fēng)場 速度。
[0013] 本發(fā)明提供的基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法是針對(duì)相 控陣體制的機(jī)載氣象雷達(dá)，利用風(fēng)切變場分布式氣象目標(biāo)大殿，利用多通道聯(lián)合自適應(yīng)處 理方法構(gòu)造自適應(yīng)處理器，估計(jì)風(fēng)場速度。本發(fā)明方法可以在低信噪比、強(qiáng)雜噪比條件下有 效地估計(jì)出風(fēng)場速度，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本方法的有效性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明提供的基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法流 程圖。
[0015] 圖2為機(jī)載前視陣?yán)走_(dá)陣模型圖。
[0016] 圖3為在雜噪比40dB、信噪比5dB條件下雷達(dá)接收信號(hào)的空時(shí)二維譜。
[0017] 圖4為第80號(hào)距離單元多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理器與最優(yōu)處理器的頻譜圖。
[0018] 圖5(a)和（b)分別為第80號(hào)距離單元多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理器的濾波器頻率響 應(yīng)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(shí)本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法的風(fēng)速估 計(jì)結(jié)果對(duì)比曲線圖。
[0020] 具體實(shí)施方法
[0021] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明提供的基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng) 切變風(fēng)速估計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于多通道聯(lián)合自適應(yīng)處理的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方 法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
[0023] 1)利用空時(shí)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，從而獲得補(bǔ) 償距離依賴性后的參考距離單元雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；
[0024] 機(jī)載前視陣?yán)走_(dá)陣模型如圖2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 = 0.5 λ，其中λ為雷達(dá)發(fā)射脈沖的波長。
[0025] 在本發(fā)明中，X1表示第1(1 = 1，2，...，L)個(gè)待檢測距離單元的NKXl維空時(shí)快拍 數(shù)據(jù)，其表達(dá)式如下：
[0026] X1= s !+C^n1 (1)
[0027] 其中，Sl、Cl、Ii1分別表示第1個(gè)待檢測距離單元的風(fēng)切變場回波、雜波及噪聲，并 且假設(shè)雜波無起伏無模糊，噪聲為加性高斯白噪聲。
[0028] 對(duì)于第1個(gè)待檢測距離單元內(nèi)的風(fēng)切變場，雷達(dá)對(duì)其的采樣數(shù)據(jù)可以寫成一個(gè) NXK的矩陣S1。其中，S1的第η行、第k列元素表示雷達(dá)第n(n= 1，2，...N)個(gè)陣元、第k(k =1，2, ... K)個(gè)脈沖對(duì)風(fēng)場回波的采樣，當(dāng)該待檢測距離單元內(nèi)雷達(dá)波束照射范圍內(nèi)共有 Q個(gè)氣象散射點(diǎn)時(shí)，其具體表達(dá)式如下：
[0029] (2)
[0030] 其中
分別表示第q(q = 1，2, ...，Q)個(gè)氣象散射點(diǎn)的空間角頻率和時(shí)間角頻率，Θ q、％分別表示該氣象散射點(diǎn)相對(duì) 于雷達(dá)的方位角和俯仰角，Rq為第q個(gè)散射點(diǎn)與載機(jī)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(fēng)切變場回波s i。則雷達(dá)全距離單元內(nèi)的回波 信號(hào)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(hào)的空時(shí)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(qiáng)度要遠(yuǎn)大于風(fēng)切變信號(hào)的強(qiáng)度，風(fēng)切變 信號(hào)幾乎全部被雜波淹沒。
[0033] 對(duì)于第1號(hào)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(gè)數(shù)。設(shè)該待檢測檢測單元對(duì)應(yīng)的雜波空時(shí)導(dǎo)向矢量矩陣為V1，其表 達(dá)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(dāng)水平方位角為叭時(shí)，待檢測 距離單元的空時(shí)導(dǎo)向矢量，vt( Θ J和vs( Gni)分別表示時(shí)間和空間導(dǎo)向矢量，其中：
[0036]
(5)
[0037] 對(duì)于臨近待檢測距離單元的第j號(hào)參考距離單元，構(gòu)造該參考距離單元雜波的空 時(shí)導(dǎo)向矢量矩陣Vj,則可以得到第1號(hào)待檢測距離單元與第j號(hào)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(yùn)算。利用插值變換矩陣Tjil處理參考距離單元的接收數(shù) 據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)第j號(hào)參考距離單元的接收數(shù)據(jù)距離依賴性補(bǔ)償，使其與待檢測距離單元 內(nèi)雜波的空時(shí)分布一致：
[0040] Yj= T J1Xj (7)
[0041] 其中，Xj表示第j號(hào)參考距離單元補(bǔ)償前的接收數(shù)據(jù)，y j表示補(bǔ)償距離依賴性后 的接收數(shù)據(jù)。
[0042] 2)利用雷達(dá)主瓣寬度作為先驗(yàn)信息，構(gòu)造風(fēng)切變場的廣義空間導(dǎo)向矢量；
[0043] 在本發(fā)明中，將雷達(dá)主瓣的寬度作為雷達(dá)照射范圍內(nèi)風(fēng)切變場的先驗(yàn)信息，建立 風(fēng)切變場的廣義空間導(dǎo)向