CN102243298B - 一种基于dem的机载气象雷达地杂波剔除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法。本发明属于雷达地杂波抑制技术领域。一种基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，包括以下步骤：(1)从机载雷达电子设备读取飞机地理位置和雷达参数；(2)建立本地直角坐标系；(3)计算雷达波束单一视线上各采样点的大地位置坐标经纬度；(4)根据地理位置信息提取采样点的DEM高程数据；(5)比较各网格点的地形高度和视线高度，判断天线波束是否触地；(6)重复(3)-(5)计算雷达天线立体波束触地距离单元的范围；(7)去除触地距离单元的回波，即实现时域剔除机载气象雷达的地杂波。本发明具有方法简单，计算准确，抑制效果好，能够在时域有效去除地杂波等优点。
Description
技术领域
本发明属于机载雷达地杂波抑制技术领域，特别是涉及一种基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法。
背景技术
机载气象雷达具有气象探测、气象回避等功能，它的应用极大地提高了气象预报的实时性和准确性，已成为民航飞机必不可少的重要电子设备。在实施探测时，除了接收到气象目标的回波信号之外，雷达波束会触及地面，也会被地面、山丘及建筑物等阻挡，不可避免的接收到这些地物的反射回波，即地杂波。当气象目标与地物处于同一个脉冲体积中时，强地物回波可能“淹没”降水回波，或者给定量测定降水强度造成误差。
目前，机载气象雷达安置于飞机上，工作时一般处于下视工作模式，因此面临着比地基气象雷达更严重的地（海）面杂波，而且杂波分布范围广、强度大，并具有一些新的特点，主要表现为主瓣杂波的频移和整个杂波频带的展宽。这种杂波多普勒扩展使得常规的杂波滤波方法失效。机载气象雷达的地杂波抑制需要利用其本身的特点来进行，比如可以利用各电子系统获得的飞机和雷达参数等。由于地杂波和气象目标都是分布式的，它们的频谱是混叠在一起的，无法从频域将其分离，常规的杂波滤波器失效。
现有的机载气象雷达地杂波抑制技术存在没有考虑实际地形，需要旋转和平移存储的图像保证分析时正确对准，计算复杂，或者需要存储大量的三维地形信息等技术难题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于DEM的机载气象雷达地杂波抑制方法。
本发明的目的是提供一种具有方法简单，计算准确，抑制效果好，能够在时域有效去除地杂波等特点的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法。
本发明基于DEM的机载气象雷达地杂波抑制方法所采取的技术方案：
一种基于数字高程模型（DEM）的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：在时域去除地杂波回波，在DEM上分析天线波束触地位置和高度的基础上实现时域抑制机载气象雷达地杂波，该方法包括以下步骤：
(1)从机载雷达电子设备读取飞机地理位置和雷达参数:飞机的经纬度和高度，航向，雷达扫描的俯角和方位角；
(2)建立本地直角坐标系；
(3)计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度；
(4) 根据地理位置信息从GE（Google Earth）中提取网格采样点的DEM（Digital Elevation Model）高程数据；
(5)计算波束传输路径上网格点的高度；
(6)比较网格点的地形高度和视线高度，判断天线波束是否触地；
(7)重复步骤(3)-(6)计算雷达天线立体波束触地的距离单元范围；
(8)在时域直接去除触地距离单元的回波；
(9)更新飞机位置和天线方位角，重复步骤(1)-(8)，即实现一个完整扫描的机载气象雷达的地杂波剔除。
本发明基于DEM的机载气象雷达地杂波抑制方法还可以采取如下技术方案：
所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：计算雷达天线立体波束触地的距离单元范围时，利用地形可视性，分析基于DEM的机载雷达的可视域，雷达的可视距离就是地杂波所在距离单元。
所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：计算雷达天线立体波束触地的距离单元范围时，根据已知机载雷达的位置分析地形的可视区域，采用基于视线的可视性分析方法，就是连接地形上任何两点之间的视线剖面上的点和对应地形上点的关系。
所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度时，将雷达波束分成小段分析网格点大地位置，在三角形中计算经纬度变化量得到的；波束分段的间隔根据机载气象雷达的距离分辨率选取；分段计算过程中，随着径向距离的增加波束指向和水平线的夹角减小，每点都需要更新该夹角。
所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度时，根据已知波束网格点的地理位置信息，提取网格点的高程数据。
所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：判断天线波束是否触地时，根据波束指向和地球组成的三角形计算波束上网格点的视线高度，比较视线高度和地形高度来判断波束是否触地，波束触地停止计算，否则继续计算下一点。
所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特点是：计算雷达天线立体波束的触地距离单元范围，是在天线俯角的3dB波束内进行。
更新飞机位置和天线的方位角，可计算得到一次完整扫描的杂波带位置，在时域去除杂波带。
本发明具有的优点和积极效果是：
基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明所提供的地杂波抑制方法利用了机载气象雷达的回波中地杂波和气象目标分别位于不同的距离单元，在距离是可分离的特点，提出了利用DEM数据去除地杂波的方法。本发明具有方法简单，计算准确，抑制效果好，能够在时域有效地剔除机载气象雷达地杂波等优点。
附图说明
图1是本发明采用的本地直角坐标系；
图2是网格点的经纬度变化量示意图；
图3是波束指向和水平线夹角随着距离的增加的变化情况；
图4是计算网格点经纬度的流程图；
图5是单一波束指向的剖面图；
图6至图10是实测数据直接回波信号和利用本发明处理后的信号显示(图中横坐标为方位向，纵坐标为距离向)。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
基于数字高程模型（DEM）的机载气象雷达地杂波剔除方法，在时域去除地杂波回波，在DEM上分析天线波束触地位置和高度的基础上实现时域抑制机载气象雷达地杂波，该方法包括以下步骤：
步骤1，从机载雷达电子设备读取飞机地理位置和雷达参数：飞机的经纬度 
和高度
，航向角
，雷达扫描的俯角和方位角
。
步骤2，建立本地直角坐标系，飞机到地面的投影为原点，东西为X轴，北向为Y轴，飞机投影点到飞行的方向为Z轴。将飞机航向角和天线方位角投影到地面，图1和图2就是本发明采用的直角坐标系，计算波束投影和X轴的夹角
。
步骤3，计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度，网格的间隔根据机载气象雷达的距离分辨率设置，计算第
个和第
个网格点的经度变化量
和纬度变化量
表示为：
其中，
为雷达的距离分辨率，
表示地球等效半径，
为波束和东向的夹角，
为第
点的纬度，
为第
点波束指向和水平线的夹角，随着径向距离的增加而减小（如图3），
更新公式为：
那么第
点的经纬度为：
步骤4，根据地理位置信息从GE（Google Earth）中提取网格点的DEM高程数据，地形高度记为
,n是网格点数；
步骤5，计算波束传输路径上网格点的高度，第
点视线高度表达式为：
（4）
其视线高度记为
；
步骤6，比较网格点的地形高度和视线高度，判断天线波束是否触地，
当
时，网格点可视即波束没有触地，继续下一点；
当时，波束触地，返回的信号是地杂波，标记
并停止该视线方向的计算；
步骤7，重复步骤(3)-(6)计算雷达天线立体波束在
范围内触地的距离单元范围，考虑波束宽度后，就有可能波束部分触地，部分在空中，并不能按照前面的过程判断主波束远边界（即空中部分的波束）的触地距离。此时根据飞机高度计算波束范围内和地球相切的角度，作为波束的远边触地视线。
雷达天线的波束边界换成
；
步骤8，根据标记的
在时域直接去除触地距离单元的回波，即去除了地杂波；
步骤9，更新飞机地理位置和天线方位角，重复步骤(1)-(8)，实现一个完整扫描的机载气象雷达的地杂波剔除。
图1是本发明采用的直角坐标系，飞机到地面的投影为原点，东西为X轴，北向为Y轴，飞机投影点到飞行的方向为Z轴。将飞机航向角
和天线方位角
投影到地面，利用该图计算波束投影和X轴的夹角
。
图2是在坐标系中分析波束，从M点经过
到达P1点，经度变化量为
，纬度变化量为
。
图3是分析波束和水平线的夹角，由于地球是球体，波束向下传输过程中视线和水平线的夹角随着距离的增加而减小，P1点的角
和飞机M点的俯角
不同，因此将波束分成若干小段计算，每段都要更新
。
图4是计算网格点经纬度的流程图，计算飞机和第1个网格点之间的经纬度变化量和变化夹角，得到第1点的经纬度，更新第1点的
，依次计算各个网格点点经纬度。
图5是单一波束指向的剖面图，飞机高度
，第
点记为P k ，其斜距记为
，在三角形OMP k 中计算视线上点的高度
(图中粗虚线)，实际的地形高度
(图中实线)，在视线剖面上进行高度比较就可以判断波束是否触地。雷达波束不仅仅是一条线，而是立体波束。当以MP k 方向向外传输时，波束在剖面上的两边界如图中点划线，因此，必须分别计算近边界和远边界对应的触地距离
。
图6是某型号机载气象雷达实测的数据，为某次完整扫描采集的雷达回波信号。所示的数据是在飞机高度3085 m采集的，扫描开始时飞机位于（E 109.7289，N 34.7162），航向北偏东18°，雷达波束俯角向下7.5°，扫描的方位为
。因为是晴空时进行的数据采集，实测数据中只有地杂波。从图中可以清楚的看出地杂波带的存在，位于大约18-25 km的距离范围。
图7是利用本发明的基于DEM的地杂波剔除方法进行处理，为地杂波带剔除后的雷达信号显示，处理时只考虑了3dB波束宽度对应的杂波带。从图中可以看到，大部分的地杂波单元已经被剔除，表明本发明能够准确地判断杂波带的存在范围。但是，从图中也看出近距离处的地杂波还有残余，这是因为我们只考虑了3dB主瓣宽度。实际上主瓣并不是在半功率处陡然下降，而是缓慢下降，仍然能接收到近距离上的地杂波。在实际处理时，可以考虑加入一定余量，将波束范围加宽。
图8是利用本发明波束范围加宽后的处理结果，可见杂波已经几乎全部被剔除掉了。
图9是俯角向下1.5°，其它参数同图6的机载气象雷达实测数据显示，波束部分触地，从40 km到雷达的探测范围都有杂波，分布范围大，将会严重影响信号检测。
图10是对图9显示的实测数据利用本发明进行处理的结果，有效地去除了地杂波。
Claims (7)
1.一种基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：在时域去除地杂波回波，包括以下步骤：
(1)从机载雷达电子设备读取飞机地理位置和雷达参数:飞机的经纬度和高度、航向、雷达扫描的俯角和方位角；
(2)建立本地直角坐标系；
(3)计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度；
(4)根据地理位置信息提取网格点的DEM高程数据,地形高度记为{ht1,ht2,…,htk,…,htn},n是网格点数；
(5)计算波束传输路径上网格点的高度，第k点视线高度表达式为：
ha是飞机高度，
是雷达扫描的俯角，Re表示地球等效半径, Rk表示斜距,
其视线高度记为{hs1,hs2,…,hsk,…,hsn}；
(6)比较网格点的地形高度和视线高度，判断天线波束是否触地；
当hsk＞htk时，网格点可视即波束没有触地，继续下一点；
当hsk≤htk时，波束触地，返回的信号是地杂波，标记k并停止该视线方向的计算；
(7)重复步骤(3)-(6)计算雷达天线立体波束触地的距离单元范围；
(8)在时域直接去除触地距离单元的回波；
(9)更新飞机位置和天线方位角，重复步骤(1)-(8)，实现一个完整扫描的机载气象雷达的地杂波剔除。
2.根据权利要求1所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：计算雷达天线立体波束触地的距离单元范围时，利用地形可视性，分析基于DEM的机载雷达的可视域，雷达的可视距离就是地杂波所在距离单元。
3.根据权利要求2所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：计算雷达天线立体波束触地的距离单元范围时，根据已知机载雷达的位置分析地形的可视区域，是采用基于视线的可视性分析方法，就是连接地形上任何两点之间的视线剖面上的点和对应地形上点的关系。
4.根据权利要求1所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度时，将雷达波束分成小段分析网格点大地位置，在三角形中计算经纬度变化量得到的；分段计算过程中，随着径向距离的增加波束指向和水平线的夹角减小，每点都需要更新该夹角。
5.根据权利要求4所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：计算雷达波束单一视线上网格点的大地位置坐标经纬度时，根据已知波束网格点的地理位置信息，提取网格点的高程数据。
6.根据权利要求1所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：判断天线波束是否触地时，根据波束指向和地球组成的三角形计算波束上网格点的视线高度，比较视线高度和地形高度来判断波束是否触地，波束触地停止计算，否则继续计算下一点。
7.根据权利要求1所述的基于DEM的机载气象雷达地杂波剔除方法，其特征是：计算雷达天线立体波束的触地距离单元范围，是在天线俯角的3dB波束宽度内进行。
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Granted publication date: 20130123 |