基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法技術(shù)

一種基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法，主要包括以下步驟：1)從機(jī)載設(shè)備中提取飛機(jī)飛行參數(shù)、雷達(dá)工作參數(shù)作為先驗(yàn)信息；2)選取待檢測(cè)距離單元和多個(gè)參考距離單元，并對(duì)所有參考距離單元數(shù)據(jù)做全譜域補(bǔ)償以校正雜波距離相關(guān)性，由此獲得多個(gè)IID樣本：3)利用步驟1)中得到的先驗(yàn)信息對(duì)步驟2)得到的多個(gè)IID樣本進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后估計(jì)出待檢測(cè)距離單元的雜波協(xié)方差矩陣；4)利用步驟3)中估計(jì)出的雜波協(xié)方差矩陣構(gòu)造空時(shí)自適應(yīng)處理器，利用和差波束方法抑制地雜波并估計(jì)風(fēng)場速度：5)重復(fù)步驟2)-4)，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。本發(fā)明專利技術(shù)方法可以在低信噪比、強(qiáng)雜噪比條件下，有效地估計(jì)風(fēng)場速度，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于機(jī)載氣象雷達(dá)低空風(fēng)切變檢測(cè)
，特別是涉及一種基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法。
技術(shù)介紹
低空風(fēng)切變常指高度600m以下風(fēng)向、風(fēng)速突然變化的氣象現(xiàn)象，通常是由強(qiáng)氣流自空中沖擊到地面后向四周擴(kuò)散而形成的。飛機(jī)飛過低空風(fēng)切變區(qū)域時(shí)會(huì)經(jīng)歷逆風(fēng)與順風(fēng)的驟變過程，從而導(dǎo)致升力急劇降低，若缺乏足夠的調(diào)整空間就很容易發(fā)生墜機(jī)事故。目前，低空風(fēng)切變是航空界公認(rèn)的飛機(jī)在進(jìn)近著陸階段的“無形殺手”，因此對(duì)其檢測(cè)與預(yù)防技術(shù)的研究已成為航空運(yùn)輸領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。機(jī)載氣象雷達(dá)是飛機(jī)檢測(cè)航路天氣現(xiàn)象的核心設(shè)備，但由于低空風(fēng)切變具有尺度小、強(qiáng)度大、發(fā)生突然等特點(diǎn)，所以利用機(jī)載氣象雷達(dá)進(jìn)行低空風(fēng)切變檢測(cè)仍存在一些難點(diǎn)，比較突出的是雷達(dá)工作在前視狀態(tài)時(shí)有用信號(hào)被地雜波覆蓋的問題。較早期的地雜波抑制方法有雜波圖法，此方法的缺點(diǎn)是需要存儲(chǔ)的地形數(shù)據(jù)過多。多掃描方法是通過調(diào)節(jié)雷達(dá)下視角來減小地面回波信號(hào)，但對(duì)于中遠(yuǎn)程雜波與風(fēng)切變信號(hào)混淆在一起時(shí)效果較差。零陷濾波器法是在頻域設(shè)置濾波器以過濾掉地雜波成分，但此種方法對(duì)地雜波譜寬估計(jì)要求很高，且當(dāng)機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)抑制效果降低。利用模式分析的擴(kuò)展Prony方法針對(duì)地雜波與低空風(fēng)切變信號(hào)同時(shí)存在的情況建立了雙峰譜模型，可以有效地在地雜波背景中識(shí)別風(fēng)切變信號(hào)，但當(dāng)信雜比過低時(shí)，該方法估計(jì)效果也要受到影響。上述傳統(tǒng)方法的本質(zhì)在于尋找合適的凹口，在抑制地雜波的同時(shí)保留風(fēng)切變信號(hào)，但在強(qiáng)雜波背景下，地雜波難以完全消除，殘余雜波仍會(huì)覆蓋掉風(fēng)切變信號(hào)的多普勒信息，從而影響風(fēng)速估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。相控陣天線體制具有靈活度高、掃描速度快、易于波束賦形的優(yōu)點(diǎn)，2007年，美國國家大氣研究中心(National?Center?for?Atmospheric?Research，NCAR)的研究人員首次提出了利用機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行天氣探測(cè)的理論，詳細(xì)分析了該理論的可行性，并提出了可能適用于天氣探測(cè)工作的三種雷達(dá)波長：X波段、C波段以及包含有X波段和C波段的寬頻帶。2013年9月，NCAR表示，下一代機(jī)載氣象雷達(dá)將采用雙極化相控陣體制，其下屬地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室(Earth?Observing?Laboratory，EOL)的研究人員正在開發(fā)一個(gè)小型相控陣模型來驗(yàn)證此款未來機(jī)載氣象雷達(dá)的可行性。EOL的J.Vivek等人在研究報(bào)告中指出，綜合考慮采樣、靈敏度、成本、分辨率等多方面因素，機(jī)載相控陣氣象雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選用C波段。同時(shí)，NCAR的E.Loew等人在報(bào)告中指出，其已針對(duì)此機(jī)載相控陣氣象雷達(dá)系統(tǒng)作出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案且已有初步結(jié)果，包括LRU(線性可替換單元)陣列架構(gòu)、散熱孔電路板設(shè)計(jì)方案等。NCAR的研究邁出了機(jī)載相控陣體制應(yīng)用于氣象探測(cè)工作的第一步，雖然目前對(duì)于機(jī)載相控陣體制下的低空風(fēng)切變檢測(cè)方法的研究還沒有詳細(xì)展開，但相控陣天線體制已成為當(dāng)代雷達(dá)發(fā)展的大趨勢(shì)，繼機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)之后，機(jī)載氣象雷達(dá)也即將采納相控陣體制。針對(duì)此種體制的機(jī)載氣象雷達(dá)，對(duì)基于空時(shí)自適應(yīng)處理(Space?Time?Adaptive?Processing,STAP)的氣象目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)、危險(xiǎn)預(yù)警等技術(shù)的研究將會(huì)成為熱點(diǎn)。在我國，STAP技術(shù)在機(jī)載預(yù)警雷達(dá)上的應(yīng)用已經(jīng)頗為成熟，但此種應(yīng)用多針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)，不能直接用于低空風(fēng)切變等分布式目標(biāo)的檢測(cè)與估計(jì)。吳仁彪等對(duì)機(jī)載相控陣體制下的低空風(fēng)切變檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了初步的探索，分析了機(jī)載相控陣體制下，利用STAP方法檢測(cè)低空風(fēng)切變的可行性，給出了利用全空時(shí)域STAP方法估計(jì)風(fēng)場速度的相關(guān)步驟，但空時(shí)域的STAP方法運(yùn)算量過大，且對(duì)獨(dú)立同分布(Independent?and?Identically?Distributed,IID)樣本數(shù)目要求較高，從而限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。和差波束(Σ△-STAP)通過空域降維可用于相控陣?yán)走_(dá)，也可對(duì)現(xiàn)役的非相控陣體制的機(jī)載雷達(dá)(如E-2C或E-3A型AEW雷達(dá))的和波束與差波束進(jìn)行處理，以改善此類雷達(dá)的雜波抑制效果，是當(dāng)前工程條件下最為可行的實(shí)時(shí)處理方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決上述問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種在高雜噪比、低信噪比時(shí)仍然可以精確估計(jì)出風(fēng)速的基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法。為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：1)從機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備中提取出飛機(jī)飛行參數(shù)、雷達(dá)工作參數(shù)作為先驗(yàn)信息：2)選取待檢測(cè)距離單元和多個(gè)參考距離單元，并對(duì)所有參考距離單元數(shù)據(jù)做全譜域補(bǔ)償以校正雜波距離相關(guān)性，由此獲得多個(gè)IID樣本：3)利用步驟1)中得到的先驗(yàn)信息對(duì)步驟2)得到的多個(gè)IID樣本進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后估計(jì)出待檢測(cè)距離單元的雜波協(xié)方差矩陣；4)利用步驟3)中估計(jì)出的雜波協(xié)方差矩陣構(gòu)造空時(shí)自適應(yīng)處理器，利用和差波束方法抑制地雜波并估計(jì)風(fēng)場速度：5)重復(fù)步驟2)-4)，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。在步驟4)中，所述的利用步驟3)中估計(jì)出的雜波協(xié)方差矩陣構(gòu)造空時(shí)自適應(yīng)處理器，利用和差波束方法抑制地雜波并估計(jì)風(fēng)場速度的方法是：分析低空風(fēng)切變信號(hào)的譜分布特征，推導(dǎo)在和差波束模式下低空風(fēng)切變信號(hào)的協(xié)方差矩陣的參數(shù)化模型，以構(gòu)造適用于風(fēng)場目標(biāo)的空時(shí)自適應(yīng)處理器，最終達(dá)到地雜波抑制和風(fēng)速估計(jì)的結(jié)果。本專利技術(shù)提供的基于和差波束的低空風(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)，利用和差波束方法估計(jì)風(fēng)場速度，分析和差波束體制下低空風(fēng)切變信號(hào)的譜分布特點(diǎn)，以構(gòu)造適用于風(fēng)場目標(biāo)的空時(shí)自適應(yīng)處理器，其可以在強(qiáng)雜波背景中有效地估計(jì)風(fēng)場速度。附圖說明圖1為機(jī)載前視陣幾何模型圖；圖2為本專利技術(shù)提供的基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法流程圖；圖3(a)、(b)分別為機(jī)載氣象雷達(dá)天線和波束方向的俯視圖和三維圖；圖4(a)、(b)分別為機(jī)載氣象雷達(dá)天線差波束方向的俯視圖和三維圖；圖5為本專利技術(shù)方法的多普勒估計(jì)結(jié)果曲線圖；圖6為本專利技術(shù)方法與傳統(tǒng)方法的風(fēng)速估計(jì)結(jié)果對(duì)比曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)提供的基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖2所示，本專利技術(shù)提供的基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：1)從機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備中提取出飛機(jī)飛行參數(shù)、雷達(dá)工作參數(shù)作為先驗(yàn)信息：從機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備中提取出飛機(jī)速度V、飛行高度h、天線掃描的主瓣方位角θ0、俯仰角和脈沖重復(fù)頻率fr等參數(shù)以作為后續(xù)信號(hào)處理的先驗(yàn)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法，其特征在于：所述的風(fēng)速估計(jì)方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：1)從機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備中提取出飛機(jī)飛行參數(shù)、雷達(dá)工作參數(shù)作為先驗(yàn)信息：2)選取待檢測(cè)距離單元和多個(gè)參考距離單元，并對(duì)所有參考距離單元數(shù)據(jù)做全譜域補(bǔ)償以校正雜波距離相關(guān)性，由此獲得多個(gè)IID樣本：3)利用步驟1)中得到的先驗(yàn)信息對(duì)步驟2)得到的多個(gè)IID樣本進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后估計(jì)出待檢測(cè)距離單元的雜波協(xié)方差矩陣；4)利用步驟3)中估計(jì)出的雜波協(xié)方差矩陣構(gòu)造空時(shí)自適應(yīng)處理器，利用和差波束方法抑制地雜波并估計(jì)風(fēng)場速度：5)重復(fù)步驟2)?4)，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。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于和差波束的低空風(fēng)切變風(fēng)速估計(jì)方法，其特征在于：所述的風(fēng)速估計(jì)方
法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：
1)從機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備中提取出飛機(jī)飛行參數(shù)、雷達(dá)工作參數(shù)作為先驗(yàn)信息：
2)選取待檢測(cè)距離單元和多個(gè)參考距離單元，并對(duì)所有參考距離單元數(shù)據(jù)做全譜域
補(bǔ)償以校正雜波距離相關(guān)性，由此獲得多個(gè)IID樣本：
3)利用步驟1)中得到的先驗(yàn)信息對(duì)步驟2)得到的多個(gè)IID樣本進(jìn)行相位補(bǔ)償，
然后估計(jì)出待檢測(cè)距離單元的雜波協(xié)方差矩陣；
4)利用步驟3)中估計(jì)出的雜波協(xié)方差矩陣構(gòu)造空時(shí)自適應(yīng)處理器，利用和差波束
方法抑制...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李海，周盟，張彪，吳仁彪，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國民航大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12