CN102854496B - 基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其包括以下步骤：1)从机载导航设备读取惯导参数和无线电高度；2)利用先验信息将杂波频谱中心补偿到零多普勒频率附近，得到杂波区域和谱宽估计初值；3)计算每个距离单元的回波功率；4)利用极坐标质心法估计杂波谱中心和谱宽；5)根据回波功率设定控制因子；6)利用控制因子计算谱宽门限和幅度控制门限；7)计算每个距离单元的杂波区域中超过门限的多普勒通道数；8)利用超限通道数设计自适应凹口滤波器，实现滤除机载气象雷达地杂波。本发明适于工作在风切变模式时机载气象雷达地杂波抑制，方法简单，杂波抑制效果好，能减小杂波抑制时对目标信号白化和杂波残余对风切变信号影响。

Description

基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法

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双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法。

背景技术

低空风切变是人们公认的在航空器起飞和着陆阶段对飞行安全危害最大的天气现象，微下击暴流就是一种典型的低空风切变现象，其在径向上具有辐散速度特征，且正负速度差达到10m/s或以上，持续时间不超过10分钟，此时的气流犹如发生了的剪切运动一样。当飞机遇上低空风切变时，往往由于飞行高度太低，因而缺乏足够的空间进行调整而发生机毁人亡的严重事故。虽然目前装机的机载气象雷达已经具备前视风切变探测的功能，但是由于低空风切变具有发生突然、持续时间短、尺度小和不易检测等特点，要实现有效的低空风切变检测，仍有很多关键问题需要解决。

机载气象雷达是飞机探测前方灾害天气，保障飞行安全运行的重要机载导航设备。当机载气象雷达下视工作时，天线波束照射区内地面散射体的回波将通过天线进入接收机，由此形成地杂波。由于低空风切变通常发生在起飞和降落阶段，此时飞机的高度低，探测的地面杂波区域面积较大，杂波强度远大于目标信号强度，因此微弱的低空风切变信号常会淹没在地杂波中。而且载机平台的运动使得机载气象雷达面临着比地基气象雷达更严重的地杂波环境，主要表现为主瓣杂波的频移和整个杂波频谱的展宽。这种由于载机平台的运动和天线扫描等因素导致的主瓣杂波中心频率发生多普勒频移和主、副瓣杂波的频谱展宽使得常规的地基气象雷达杂波滤波方法难以直接应用到机载气象雷达的探测工作中。机载气象雷达探测的气象目标是分布式的，然而机载相控阵火控或预警雷达等机载雷达，其重点研究的是点目标的检测问题，故传统的机载杂波抑制方法也难以直接应用在机载气象雷达中。

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，比如可以利用机载导航设备提供的惯导和无线电高度参数等。现有的机载气象雷达地杂波抑制技术存在计算复杂、杂波抑制效果受参考信号的影响较大和杂波残余淹没有用信号等技术难题。因此，在严重而复杂的机场动、静地杂波背景下，研究风切变模式下的地杂波抑制技术，对于有效地检测低空风切变信号和改善机载气象雷达系统性能都具有十分重要的现实意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种方法简单，杂波抑制效果良好，能够有效地减小杂波抑制时对目标信号的白化和杂波残余对风切变信号影响的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，包括按顺序进行的下列步骤：

1)从作为机载导航设备的惯导系统和无线电高度表中读取惯导参数和无线电高度数据作为先验信息：飞机高度和速度、机载气象雷达扫描的俯角和方位角；

2)利用机载导航设备提供的上述先验信息将杂波频谱中心补偿到零多普勒频率附近，并得到杂波区域和谱宽估计的初值；

3)考虑机载气象雷达波束照射的地面区域所对应的最大距离单元以内的雷达回波数据，计算每个距离单元的回波功率；

4)采用极坐标质心法精确地估计每个距离单元的杂波谱中心频率和谱宽；

5)根据回波功率设定控制因子；

6)利用控制因子计算谱宽门限和幅度控制门限；

7)计算每个距离单元的杂波区域中超过门限的多普勒通道数；

8)利用超过门限的通道数设计自适应的凹口滤波器，即滤除机载气象雷达的地杂波；

9)重复步骤4)-8)，依次对范围内的所有距离单元进行杂波抑制处理，并对杂波抑制后的回波信号进行风速估计及后续的风切变信号检测步骤。

所述的步骤4)中的极坐标质心法是在极坐标体系下利用谱线幅值对相应的频率点进行加权。

所述的步骤5)中根据回波功率设定控制因子的方法是：以步骤3)中计算的每个距离单元的回波功率中功率强度的最小值作为参考值设定控制因子，即得到每个距离单元相对于最小回波功率所在单元回波强度的比例系数。

所述的步骤6)中利用控制因子计算谱宽门限和幅度控制门限的方法是：根据回波功率与地杂波信号强度的关系，利用上述控制因子调节谱宽门限，使得谱宽门限与杂波功率成正比，同时利用控制因子调节幅度控制门限，使得幅度控制门限与杂波功率成反比。

所述的幅度控制门限是以每个距离单元的回波信号频谱幅度的平均值作为参考值。

所述的步骤8)中利用超限的通道数设计自适应的凹口滤波器的方法是：根据上述谱宽门限和幅度控制门限，统计每个距离单元中谱宽门限内超过幅度控制门限的多普勒通道数，即利用双门限设计自适应的凹口滤波器。

所述的步骤9)中依次对范围内的所有距离单元进行杂波抑制处理方法是：考虑波束照射的地面区域所对应的最大距离单元以内的雷达回波数据，从最近的距离单元开始。

本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法具有如下优点和积极效果：与现有技术相比，本发明方法利用了机载气象雷达的回波中每个距离单元信号的回波功率控制谱宽，使得杂波较强的距离单元的谱宽门限相对较大，杂波较弱的距离单元的谱宽门限相对较小。同时，利用回波功率设定幅度控制门限值，通过统计每个距离单元超限区域的多普勒通道数，自适应地调整滤波器的凹口，以实现最大程度上滤除地杂波的目的。另外，本发明具有方法简单，杂波抑制效果良好，能够有效地减小杂波抑制时对目标信号的白化和杂波残余对风切变信号的影响。

附图说明

图1为本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法工作原理框图；

图2为机载气象雷达波束照射区域的杂波单元示意图；

图3为本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法流程图；

图4为风切变模式下的机载气象雷达回波频谱图；

图5为不同距离单元的自适应凹口滤波器的频率响应；

图6为采用三种不同方法抑制杂波后的速度估计对比；

图7至图9分别为上述三种不同方法抑制杂波后的风速估计偏差。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法进行详细说明。

如图3所示，本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)从惯导系统和无线电高度表等机载导航设备中读取惯导参数和无线电高度等数据作为先验信息：飞机高度h和速度V，机载气象雷达扫描的俯角ψ和方位角θ。

2)利用机载导航设备提供的上述先验信息将杂波频谱中心补偿到零多普勒频率附近，并得到杂波区域和谱宽估计的初值。机载气象雷达下视工作时，波束照射区域的杂波单元如图2所示。设定雷达发射波长为λ，天线方位向波束宽度为θ_B，杂波单元的俯仰角为φ，飞机到杂波单元的距离为R，并有cosψ＝cosφcosθ。主瓣杂波在分辨单元中的多普勒频率为：

$f_d=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\ψ}=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

3)考虑波束照射的地面区域所对应的最大距离单元以内的雷达回波数据，计算每个距离单元的回波功率。假设第k个距离单元的第n个脉冲回波信号为Z_nk＝I_nk+jQ_nk，其中j为虚数单位，I_nk与Q_nk分别为回波信号的同相分量与正交分量，则Z_nk的功率谱S(f_i)可通过傅里叶变换得到：

$S\left(f_i\right)={\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{nk}}\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{ni}}{N})\right|}^2---\left(2\right)$

4)采用极坐标质心法对每个距离单元的回波数据实现更加精确的杂波谱中心频率和谱宽估计。利用极坐标质心法估计的杂波谱中心频率可以表示为：

${\hat{f}}_c=\frac{1}{2{\mathrm{\πT}}_r}\arg \left(\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}S\left(f_i\right)\exp \left({j2\mathrm{\πf}}_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}S\left(f_i\right)}\right)---\left(3\right)$

式中，T_r表示脉冲重复时间，f_i表示归一化的频率值，M表示计算的多普勒通道总数。类似的，谱宽估计结果可以表示为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}_c^2=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2{T}_r}\arg \left(\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}S\left(f_i\right)\exp \left({j4\mathrm{\π}}^2{(f_i-{\hat{f}}_c)}^2\right)}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}S\left(f_i\right)}\right)---\left(4\right)$

此时，杂波谱的均方根带宽σ_c与高斯杂波谱的3dB带宽之间的关系为：

${\mathrm{\Δf}}_{3\mathrm{dB}}=2\sqrt{2\ln 2}{\mathrm{\σ}}_c\≈{2.355\mathrm{\σ}}_c---\left(5\right)$

5)根据回波功率设定控制因子。P_k表示第k个距离单元的回波功率，其中0≤k≤K，K表示波束照射的地面区域所对应的最大距离单元数。以P_k的最小值P_min作为参考值，设定控制因子η_k＝P_k/P_min，即得到每个距离单元相对于最小回波功率所在单元回波强度的比例系数。

6)利用控制因子计算谱宽门限和幅度控制门限。根据回波功率与地杂波信号强度的关系，利用控制因子调节谱宽门限，使得谱宽门限与杂波功率成正比。待分析的杂波区域谱宽门限表示为：

${\mathrm{\σ}}_k={\mathrm{\Δf}}_{3\mathrm{dB}}{\mathrm{\η}}_k=2\sqrt{2\ln 2}{\mathrm{\σ}}_c\frac{P_k}{P_{\min }}---\left(6\right)$

计算每个距离单元的回波信号频谱幅度的平均值：

${\stackrel{\‾}{S}}_k=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{nk}}\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{ni}}{N})\right|---\left(7\right)$

以每个距离单元的回波信号频谱幅度的平均值

为参考值，利用控制因子调节幅度控制门限，使得幅度控制门限与杂波功率成反比，幅度控制门限表示为

即回波功率强的距离单元的幅度控制门限略低，回波功率弱的距离单元的幅度控制门限略高，达到最大限度地减少杂波残余的目的。

7)计算每个距离单元的杂波区域中超过门限的多普勒通道数。

8)利用超过门限的多普勒通道数设计自适应的凹口滤波器，即实现滤除机载气象雷达的地杂波。

9)重复步骤4)-8)，依次对范围内的所有距离单元进行杂波抑制处理，并对杂波抑制后的回波信号进行风速估计及后续的风切变信号检测步骤。

图1为本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法工作原理框图。如图1所示，本发明方法是利用惯导系统和无线电高度表等机载导航设备提供的惯导参数和无线电高度等数据来获得精确的飞机俯仰、方位和地速等信息，将此信息作为先验信息而将杂波频谱中心补偿到零多普勒频率附近，并得到杂波区域和谱宽估计的初值。然后采用“极坐标质心法”，在极坐标体系下利用谱线幅值对相应的频率点进行加权，实现更加精确的杂波谱中心频率和谱宽估计。最后利用每个距离单元的回波功率信息设计双门限控制的自适应凹口滤波器，在滤除强杂波的同时，能够有效地减小杂波抑制时对目标信号的白化和杂波残余对风切变信号的影响。

图2为机载气象雷达波束照射区域的杂波单元示意图。机载气象雷达下视工作时，由于载机平台的运动和波束扫描时的方位与俯仰不同，所以每个单元的地杂波特性也不同。其中h和V分别为飞机高度和速度，ψ和θ分别为雷达扫描的俯角和方位角，θ_B为天线方位向波束宽度，φ为杂波单元的俯仰角，并且cosψ＝cosφcosθ。

图3为本发明提供的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法流程图。其中关键步骤在于，考虑波束照射的地面区域所对应的最大距离单元以内的雷达回波数据，利用不同距离单元信号的回波功率控制谱宽，使得杂波较强的距离单元的谱宽门限相对较大，杂波较弱的距离单元的谱宽门限相对较小。同时，利用回波功率设定幅度控制门限值，通过统计每个距离单元超限区域的多普勒通道数，设计自适应的凹口滤波器，最终实现有效滤除杂波，提高检测精度的目的。

参照WXR-2100型机载气象雷达设定仿真参数：飞机高度600m，飞机速度75m/s，雷达发射功率100W，波束宽度3.5°，波束下视角2.75°，脉冲重复频率7000Hz，发射脉宽1μs，天线增益30dB，相干脉冲数128，杂噪比30dB，信噪比5dB。

图4为风切变模式下的机载气象雷达回波频谱图。由图可见，不同距离单元的回波幅度不同，且随探测距离的增加呈下降趋势。加入地速补偿后，主杂波集中在零多普勒频率附近，在3-11km处存在风切变信号，其水平风速沿距离呈现出反“S”特性。

图5为不同距离单元的自适应凹口滤波器的频率响应。以第25，40，57和78号距离单元(3.75km，6km，8.55km和11.7km)的滤波器频率响应为例，本发明按照不同距离单元的回波特点设定谱宽门限和幅度控制门限，通过统计每个距离单元超限区域的多普勒通道数，自适应地形成凹口抑制地杂波信号。

图6为采用上述三种不同方法抑制杂波后的速度估计对比。分别采用固定凹口滤波器、自适应频域置零方法和本发明方法对仿真数据进行杂波抑制处理，并利用极坐标质心法估计滤波后信号的中心频率，即估计风切变信号的水平风速。

与无杂波时的速度估计结果相比，上述三种方法在0-2km和11-15km处的速度估计均存在较大波动，这是由于该区域没有风切变信号，只有噪声和杂波信号，可以认为此处估计的是噪声速度。重点观察存在风切变信号的区域(3-11km处)，在风切变信号频谱与地杂波频谱重叠和邻近区域(6-8km处)，采用固定凹口滤波器抑制杂波的方法在抑制杂波的同时损失了大量有用信号的频谱信息，从而使得风速估计结果产生较大偏差；采用自适应频域置零抑制杂波的方法，虽然在频谱重叠区域的估计效果较好，但是对于杂波功率较强区域(4-6km处)，杂波残余较强，淹没了有用信号，使得速度估计的偏差较大；本发明方法，既保证了在杂波功率较强区域有效地抑制杂波，减少杂波残余，也兼顾到在频谱重叠区域，通过缩减凹口宽度减少杂波抑制时对有用信号的白化。

图7至图9分别为上述三种不同方法抑制杂波后的风速估计偏差。其中图7是固定凹口滤波器滤除杂波后风速估计偏差的概率分布图。图8是自适应频域置零方法滤除杂波后风速估计偏差的概率分布图。图9是本发明方法滤除杂波后风速估计偏差的概率分布图。由仿真结果可见：采用固定凹口滤波器和自适应频域置零方法滤除杂波后的风速估计精度较低；本发明方法在风速估计偏差为零时的概率最大，速度偏差多集中在零值附近，并且最大的速度偏差均小于其余两种方法。即本发明方法在有效滤除杂波的同时，得到了较高的风切变信号风速估计精度。

Claims (7)

1.一种基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，所述的抑制方法包括：

1）从作为机载导航设备的惯导系统和无线电高度表中读取惯导参数和无线电高度数据作为先验信息:飞机高度和速度、机载气象雷达扫描的俯角和方位角；

其特征在于：所述的抑制方法还包括按顺序进行的下列步骤：

2）利用机载导航设备提供的上述先验信息将杂波频谱中心补偿到零多普勒频率附近，并得到杂波区域和谱宽估计的初值；

3）考虑机载气象雷达波束照射的地面区域所对应的最大距离单元以内的雷达回波数据，计算每个距离单元的回波功率；

4）采用极坐标质心法精确地估计每个距离单元的杂波谱中心频率和谱宽；

5）根据回波功率设定控制因子；

6）利用控制因子计算谱宽门限和幅度控制门限；

7）计算每个距离单元的杂波区域中超过门限的多普勒通道数；

8）利用超过门限的通道数设计自适应的凹口滤波器，即滤除机载气象雷达的地杂波；

9）重复步骤4）-8），依次对范围内的所有距离单元进行杂波抑制处理，并对杂波抑制后的回波信号进行风速估计及后续的风切变信号检测步骤。

2.根据权利要求1所述的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其特征在于：所述的步骤4）中的极坐标质心法是在极坐标体系下利用谱线幅值对相应的频率点进行加权。

3.根据权利要求1所述的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其特征在于：所述的步骤5）中根据回波功率设定控制因子的方法是：以步骤3）中计算的每个距离单元的回波功率中功率的最小值作为参考值设定控制因子，即得到每个距离单元相对于最小回波功率所在单元回波强度的比例系数。

4.根据权利要求1所述的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其特征在于：所述的步骤6）中利用控制因子计算谱宽门限和幅度控制门限的方法是：根据回波功率与地杂波信号强度的关系，利用上述控制因子调节谱宽门限，使得谱宽门限与杂波功率成正比，同时利用控制因子调节幅度控制门限，使得幅度控制门限与杂波功率成反比。

5.根据权利要求4所述的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其特征在于：所述的幅度控制门限是以每个距离单元的回波信号频谱幅度的平均值作为参考值。

6.根据权利要求1所述的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其特征在于：所述的步骤8）中利用超限的通道数设计自适应的凹口滤波器的方法是：根据上述谱宽门限和幅度控制门限，统计每个距离单元中谱宽门限内超过幅度控制门限的多普勒通道数，即利用双门限设计自适应的凹口滤波器。

7.根据权利要求1所述的基于双门限控制的机载气象雷达地杂波抑制方法，其特征在于：所述的步骤9）中依次对范围内的所有距离单元进行杂波抑制处理方法是：考虑波束照射的地面区域所对应的最大距离单元以内的雷达回波数据，从最近的距离单元开始。

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