CN106405513A - 基于多层扫描对比的地杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载气象雷达基于多层扫描对比的地杂波抑制方法，主要解决现有技术抑制地杂波存在的问题。其方法是：首先获取一组机载气象雷达原始数据并计算扫描波束与地面相切的角度，调整天线俯仰角度并计算云层与飞机的水平距离，计算天线俯仰角度范围并均分，得到角度单元，然后对数据初始化后调整天线俯仰角度得到新的回波数据并进行位置补偿，将补偿结果与原始数据对比，计算原始回波中每一个回波数据的置信值，调整俯仰角度并对置信度累加，根据累加结果识别地杂波并消除，实现自动抑制地杂波功能。本发明能有效抑制气象回波中的地杂波，减轻飞行员的操作负担，保证飞行安全，可用于机载气象雷达。

Description

基于多层扫描对比的地杂波抑制方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别是一种抑制地杂波的方法，可用于机载气象雷达。

背景技术

机载气象雷达是各种飞机上必不可少的飞行安全保障设备，它能在载机飞行过程中实时探测载机前方航路上一定空域范围内的气象目标和其他目标，如云、雨、雷暴区等的分布状况，并将探测到的目标的轮廓、雷雨区的降雨量、方位和距离等信息显示在显示器上，为飞行员提供危险气象条件预警等功能，可广泛应用于航空领域。

机载气象雷达天线通常安装在载机机头雷达天线罩内，在进行气象目标探测时，天线驱动器会进行周期性机械扫描，在扫描过程中雷达天线波束的主瓣或旁瓣不可避免的会接触地面，使气象目标回波湮没在地杂波中，造成地杂波和气象目标回波一起被雷达天线接收并经处理后显示在显示器上，造成大量地物目标被误判为气象目标。

现有的机载气象雷达对地杂波抑制主要采用基于地形数据库的抑制方法和利用地物回波与气象回波频谱特性的不同在频域进行区分，其中：

基于地形数据库的抑制方法，需要在雷达信号处理机中配置地形数据库，这种方法存在的两方面的缺点：一是完备的地形数据库通常需要占用较大的存储空间，在进行地形适配时检索不便；二是在地形数据发生变化后需及时更新地形数据库，给机载设备维护人员造成不便。

利用地物回波与气象回波频谱特性的不同在频域进行区分，这种方法在抑制的地杂波的同时也会抑制部分气象目标的回波，容易造成飞行员对气象条件的误判，危及飞安全。

大多数的机载气象雷达没有对地杂波抑制的功能，需要飞行员采取将天线俯仰调节设置为手动模式，人为的将天线俯仰角度调高，使雷达天线波束不接触地面，此时观察显示器显示画面，并将此画面与之前显示画面进行对比，凭借飞行员的个人经验，人为判断之前显示画面中哪些回波为气象目标回波，哪些为地杂波，从而规划飞行路线，规避危险气象区域，保障飞行安全。但这种方法操作复杂，过分依赖于飞行员的个人经验，且非常容易出现误判情况，威胁飞行安全。因此如何解决机载气象雷达探测过程中地杂波抑制问题是机载气象雷达使用过程中急需解决的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于多层扫描对比的地杂波抑制方法，以减小对气象条件的误判，提高对地杂波抑制的效果，保证目标飞行的安全性。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)获取一组机载气象雷达扫描波束的原始指向角θ、原始回波信号W和扫描波束宽度θ_b、载机的飞行高度H及飞行速度V，并进行保存；

2)根据地球半径R和载机的飞行高度H计算扫描波束与地面相切的角度α₀：

3)将天线俯仰角度调整为α₀，得到天线俯仰角度初始调整后的气象雷达回波信号W₀，并保存，此时雷达扫描波束不接触地面，且W₀中不含地杂波，仅含有云层相对载机的位置信息；根据W₀计算得到云层与飞机的水平距离L；

4)根据含雨云层距离地面的最低高度l、含雨云层常规分布高度h、云层与飞机的水平距离L、地球半径R和载机的飞行高度H，计算出能够区分地杂波和气象回波的天线俯仰角度范围为[α₁,α₂]，其中：

5)将俯仰角度范围[α₁,α₂]均分为n份，得到角度单元Δα：

6)将天线的俯仰角度初始化为：α＝α₁，初始化计数器的计数值i＝1，初始化原始回波信号W中每一个回波数据的置信值累加结果为τ_m＝0；

7)保持载机的飞行高度H和飞行速度V不变，将天线俯仰角度调整为α，得到天线俯仰角度再次调整后的机载气象雷达扫描波束的指向θ_i和回波信号W_i，并保存；根据H、V和θ_i这三个参数对W_i进行位置补偿，得到补偿后的回波信号W_ii，该补偿后的回波信号W_ii中每个回波数据与步骤1)中回波信号W中的每一个回波数据位置一一对应；

8)将补偿后的回波信号W_ii与原始回波信号W的每一个回波数据的强度值进行相减，根据相减结果计算原始回波信号W中每一个回波数据的置信值τ_im：

其中，m为回波信号W中每一个回波数据的编号，ξ为根据实际试验测试确定的常数；

9)令τ_m＝τ_m+τ_im；

10)保持载机的飞行高度H和飞行速度V不变，将天线的当前俯仰角度α与步骤4)中计算的最大俯仰角度α₂进行比较：

若α＜α₂，则将当前俯仰调节为α＝α₁+Δα，将计数器计为：i＝i+1，返回步骤7)；

若α＝α₂，则执行步骤11)；

11)根据实际试验测试数据设置置信度阀值φ,将原始回波信号中W的每一个回波数据的置信值累加结果τ_m与φ进行对比：若τ_m＞φ，则判定为地杂波，否则，为气象回波；

12)将地杂波从原始回波信号W中滤除，得到一组没有地杂波的回波信号W′，并进行显示；

13)重复步骤1)～步骤12)，实现地杂波的自动抑制。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明由于采用多层扫描对比进行回波数据中的地杂波的抑制，相对于现有基于地形数据库的地杂波抑制方法，不需要存储和定期更新地形数据库，减小了数据量，提高了对数据处理的实时性。

相比大多数没有对地杂波抑制的功能的机载气象雷达，不需要操作人员人为判定，减轻操作负担，减小了对气象条件的误判，提高了飞行的安全性。

试验表明，本发明具有良好的地杂波抑制效果。

附图说明

图1为本发明的使用场景图；

图2为多层扫描示意图；

图3为本发明的实现流程图。

具体实施方式

参照图3，本发明的实现步骤如下：

步骤1，获取一组机载气象雷达原始数据并计算扫描波束与地面相切的角度。

如图1所示，飞机在飞行的过程中相对地面有飞行高度和飞行速度，雷达工作过程中，发射机产生大功率电磁脉冲经天线向载机前方辐射出去，在电磁脉冲接触到障碍物后被反射回去，经天线接收并经数字化量化处理后，将回波数据显示在显示器上。

本步骤的具体实现如下：

1.1)根据飞机航姿系统获取机载气象雷达扫描波束的原始指向角θ，根据机载气象雷达接收机接收的数据获取原始回波信息W，根据雷达天线参数获取扫描波束宽度θ_b，通过综显任务机获取载机的飞行高度H及飞行速度V，并将这些参数保存在数组中；

1.2)根据1.1)获取的参数值和地球半径R，计算雷达扫描波束与地面相切的角度α₀：

步骤2，调整天线俯仰角度并计算云层与飞机的水平距离。

将天线俯仰角度调整为α₀，得到天线俯仰角度初始调整后机载气象雷达接收机接收数据获取气象雷达回波信号W₀，并保存，此时雷达扫描波束不接触地面，且W₀中不含有地杂波，仅含有云层相对载机的位置信息；

根据W₀中每一个回波数据的编号、电磁波传播速度c以及雷达采样时序，计算每一个回波数据距离载机平台的实际距离；

将所有回波数据距离载机平台的实际距离相加再取平均值，得到云层与飞机的水平距离L。

步骤3，计算天线俯仰角度范围。

为了能够通过多次扫描将步骤1中的原始回波信息W中的地杂波抑制，需要确定一个合适的角度范围，使天线俯仰角度在该角度范围内进行调整，完成多次扫描。

获得含雨云层距离地面的最低高度l和含雨云层常规分布的高度h，本实例取l＝1000米，h＝10000米；

根据步骤1得到的载机的飞行高度H和步骤2得到的云层与飞机的水平距离L，结合含雨云层距离地面的最低高度l、含雨云层常规分布高度h、地球半径R，参照图2计算出能够区分地杂波和气象回波的天线俯仰角度范围为[α₁,α₂]：

步骤4，均分天线俯仰角度范围，得到角度单元。

为了使天线俯仰角度能在步骤3的角度范围内多次变化，根据机载气象雷达天线俯仰精度设置常数n,将俯仰角度范围[α₁,α₂]均分为n份，得到角度单元Δα：

步骤5，数据初始化。

根据步骤3得到的α₁将天线俯仰角度α初始化为：α＝α₁，设置计数器的计数值i并初始化为：i＝1；

设置原始回波信号W中每一个回波数据的置信值累加结果τ_m，并初始化为：τ_m＝0，m为回波信号W中每一个回波数据的编号。

步骤6，调整天线俯仰角度得到新的回波数据并进行位置补偿。

为了实现多次扫描，并使天线俯仰角度在俯仰角度范围[α₁,α₂]内连续变化，需要调整天线俯仰角度，其步骤如下：

6.1)保持载机的飞行高度H和飞行速度V不变，根据步骤5将天线俯仰角度调整为α；

6.2)根据飞机航姿系统获取机载气象雷达扫描波束，得到第i次天线俯仰角度调整后的机载气象雷达扫描波束的指向θ_i；

6.3)根据机载气象雷达接收机接收数据获取当前回波信号W_i，并保存；

6.4)根据H、V和θ_i这三个参数对W_i计算出第i次调整天线俯仰角度后的回波信号W_i中每一个回波数据相对于原始回波信息W中的每一个回波数据的位置变化量Δs，以对当前回波信号W_i进行补偿，得到补偿后的回波信号W_ii，该补偿后的回波信号W_ii中每个回波数据与原始回波信号W中的每一个回波数据位置一一对应；其中Δs：

步骤7，对原始回波信号W中每一个回波数据的置信值进行累加。

为了能够判定原始回波信号W中每一个回波数据是否是地杂波，首先需要为原始回波信号W中的每一个回波数据设置一个置信值τ_im，通过多次扫描对τ_im进行累加得到置信值累加结果τ_m。其实现步骤如下：

7.1)获取原始回波信号中每一个回波数据的置信值，即补偿后的回波信号W_ii与原始回波信号W的每一个回波数据的强度值进行相减，根据相减结果和实际试验测试确定的常数ξ计算原始回波信号W中每一个回波数据的置信值τ_im：

7.2)对原始回波信号W中每一个回波数据的置信值进行累加，即τ_m＝τ_m+τ_im。

步骤8，在天线俯仰角度范围内调整天线俯仰角。

为了使当前天线俯仰角度在俯仰角度范围[α₁,α₂]内，需保持载机的飞行高度H和飞行速度V不变，将天线的当前俯仰角度α与步骤3中计算的最大俯仰角度α2进行比较：

若α＜α₂，则将当前俯仰调节为α＝α₁+Δα，将计数器计为：i＝i+1，返回步骤6)；

若α＝α₂，则执行步骤10；

步骤9，消除地杂波。

根据实际试验测试数据设置置信度阀值φ,将原始回波信号中W的每一个回波数据的置信值累加结果τ_m与φ进行对比：若τ_m＜φ，则判定为气象波；否则，为地杂波；

将地杂波从原始回波信号W中滤除，得到一组没有地杂波的回波信号W′，并进行显示；

步骤10，重复步骤1～步骤10，以实现对地杂波的自动抑制。

Claims (3)

1.一种基于多层扫描对比的地杂波抑制方法，包括：

1)获取一组机载气象雷达扫描波束的原始指向角θ、原始回波信号W和扫描波束宽度θ_b、载机的飞行高度H及飞行速度V，并进行保存；

2)根据地球半径R和载机的飞行高度H计算扫描波束与地面相切的角度α₀：

${\mathrm{\α}}_0=arccos\left(\frac{R}{R+H}\right)-\frac{{\mathrm{\θ}}_b}{2}$

3)将天线俯仰角度调整为α₀，得到天线俯仰角度初始调整后的气象雷达回波信号W₀，并保存，此时雷达扫描波束不接触地面，且W₀中不含有地杂波，仅含有云层相对载机的位置信息；根据W₀计算得到云层与飞机的水平距离L；

4)根据含雨云层距离地面的最低高度l、含雨云层常规分布高度h、云层与飞机的水平距离L、地球半径R和载机的飞行高度H，计算出能够区分地杂波和气象回波的天线俯仰角度范围为[α₁,α₂]，其中：

${\mathrm{\α}}_1=arccos\left(\frac{(R+h+l)\×\sin (L/R)}{\sqrt{{(R+H)}^2+{(R+h+l)}^2-2\×(R+H)\×(R+h+l)\×cos(L/R)}}\right)-\frac{{\mathrm{\θ}}_b}{2}$

${\mathrm{\α}}_2=arccos\left(\frac{(R+h)\×\sin (L/R)}{\sqrt{{(R+H)}^2+{(R+h)}^2-2\×(R+H)\×(R+h)\×cos(L/R)}}\right)+\frac{{\mathrm{\θ}}_b}{2}$

5)将俯仰角度范围[α₁,α₂]均分为n份，得到角度单元Δα：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}{n};$

6)将天线的俯仰角度初始化为：α＝α₁，初始化计数器的计数值i＝1，初始化原始回波信号W中每一个回波数据的置信值累加结果为τ_m＝0；

7)保持载机的飞行高度H和飞行速度V不变，将天线俯仰角度调整为α，得到天线俯仰角度第i次调整后的机载气象雷达扫描波束的指向θ_i和回波信号W_i，并保存；根据H、V和θ_i这三个参数对W_i进行位置补偿，得到补偿后的回波信号W_ii，该补偿后的回波信号W_ii中每个回波数据原始回波信号W中的每一个回波数据位置一一对应；

8)将补偿后的回波信号W_ii与原始回波信号W的每一个回波数据的强度值进行相减，根据相减结果计算原始回波信号W中每一个回波数据的置信值τ_im：

其中，m为回波信号W中每一个回波数据的编号，ξ为根据实际试验测试确定的常数；

9)令τ_m＝τ_m+τ_im；

10)保持载机的飞行高度H和飞行速度V不变，将天线的当前俯仰角度α与步骤4)中计算的最大俯仰角度α₂进行比较：

若α＜α₂，则将当前俯仰调节为α＝α₁+Δα，将计数器计为：i＝i+1，返回步骤7)；

若α＝α₂，则执行步骤11)；

11)根据实际试验测试数据设置置信度阀值φ,将原始回波信号中W的每一个回波数据的置信值累加结果τ_m与φ进行对比：若τ_m＞φ，则判定为地杂波，否则，为气象回波；

12)将地杂波从原始回波信号W中滤除，得到一组没有地杂波的回波信号W′，并进行显示；

13)重复步骤1)～步骤12)，实现地杂波的自动抑制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)中根据天线俯仰角度初始调整后的气象雷达回波信号W₀计算云层与飞机的水平距离L，是先根据W₀中每一个回波数据的编号、电磁波传播速度c以及雷达采样时序，计算每一个回波数据距离载机平台的实际距离；再对所有回波数据距离载机平台的实际距离取平均值，得到云层与飞机的水平距离L。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7)中根据飞行高度H、飞行速度V和机载气象雷达第i次调整天线俯仰角度后的扫描波束的指向θ_i这三个参数对第i次调整天线俯仰角度后的回波信号W_i进行位置补偿，按如下公式进行：

$\mathrm{\Δ}s=\frac{H}{{\mathrm{sin\θ}}_i}-\frac{H}{\sin \mathrm{\θ}};$

其中Δs是用于对第i次调整天线俯仰角度后的回波信号W_i中每一个回波数据相对于原始回波信息W中的每一个回波数据的位置变化量。