基于空时幅相估计的低空风切变风速估计方法技术

一种基于空时幅相估计的低空风切变风速估计方法。其包括以下步骤：1)从关联的机载设备中读取飞行参数、雷达参数作为先验信息；2)选取待检测距离单元，利用杂波谱配准法处理接收数据，得到多个独立同分布样本；3)利用先验信息补偿飞机速度；4)构造空时APES滤波器，自适应地抑制地杂波并进行风速估计；5)重复步骤2)-4)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得到风速随距离的变化曲线。本发明专利技术方法可以在强杂波条件下有效地抑制地杂波，并精确估计出风场速度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种。其包括以下步骤：1)从关联的机载设备中读取飞行参数、雷达参数作为先验信息；2)选取待检测距离单元，利用杂波谱配准法处理接收数据，得到多个独立同分布样本；3)利用先验信息补偿飞机速度；4)构造空时APES滤波器，自适应地抑制地杂波并进行风速估计；5)重复步骤2)-4)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得到风速随距离的变化曲线。本专利技术方法可以在强杂波条件下有效地抑制地杂波，并精确估计出风场速度。【专利说明】
本专利技术属于机载气象雷达低空风切变检测
，特别是涉及一种基于空时幅 相估计的低空风切变风速估计方法。
技术介绍
风切变是一种风向、风速突然变化的危险气象现象，发生在600米以下时成为低 空风切变，通常是强气流由空中冲击到地面后向四周扩散的过程。低空风切变具有发生突 然、时间短、尺度小、强度大和不易检测等特点，当飞机起飞和着陆而进入到强低空风切变 区域时，会遭遇逆风到顺风的急剧变化，导致升力迅速减小乃至飞机高度迅速降低，这种情 况下就极易发生飞行事故。因此，低空风切变检测技术的研究已是航空运输领域的一项重 要课题。 机载气象雷达在前下视检测低空风切变时,有用信号功率远远小于地面回波功 率，强地杂波会对低空风切变的检测工作产生严重干扰。较早期的地杂波抑制方法有杂波 图法，此方法的缺点是需要存储的地形数据过多。多扫描方法通过调节雷达下视角减小地 面回波信号，但对于中远程杂波与风切变信号混淆在一起时效果较差。零陷滤波器法在频 域设置滤波器过滤地杂波成分，但此种方法对地杂波谱宽估计要求很高，且当机载平台运 动时抑制效果降低。利用模式分析的扩展Prony方法针对地杂波与低空风切变信号同时 存在的情况，建立了双峰谱模型，但当信杂比过低时，此种方法的风速估计能力也会大大降 低。韩雁飞等提出了一种基于压缩感知的低空风切变风速估计方法，该方法能够在脉冲数 较少时提高风速估计精度，但其需要确定杂波谱宽，且并未涉及风速估计过程中的强杂波 抑制问题。这些方法的本质都在于寻找合适的凹口抑制地杂波并尽可能地保留风切变信 号，但在强地杂波背景下，地杂波难以完全消除，低空风切变信号的多普勒信息仍会被参与 杂波覆盖掉，从而影响风速估计结果的准确性。 相对于传统机载气象雷达的单天线体制，相控阵天线体制具有灵活度高、扫描 速度快、易于波束赋形的优点，并且其回波信号中包含目标空间采样信息。目前，国外 正在研究相控阵体制的机载气象雷达，美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research, NCAR)表示其正在研究的下一代机载气象雷达采用相控阵体制，并 从2013年开始，NCAR陆续发表了关于相控阵机载气象雷达的可行性分析、工作波段分析等 研究报告。空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing, STAP)是机载相控阵雷达 杂波抑制与目标检测的关键技术，在我国，STAP技术在机载预警雷达上的应用已经颇为成 熟，但此种应用多针对点目标，不能直接用于低空风切变等分布式目标的检测与估计，且机 载气象雷达工作在前视状态，前视阵的杂波谱在距离上不平稳，因此传统的STAP方法不能 直接应用于机载气象雷达中。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种空时自适应处理方法，在高杂噪 t匕、低信噪比时，仍然可以精确估计风场风速的基于空时幅相估计的低空风切变风速估计 方法。 为了达到上述目的，本专利技术提供的基于空时幅相估计（APES)的低空风切变风速 估计方法包括按顺序进行的下列步骤： 1)从关联的机载设备中读取飞行参数、雷达参数等作为先验信息； 2)选取待检测距离单元，利用杂波谱配准法处理接收数据，得到多个独立同分布 样本； 3)利用先验信息补偿飞机速度； 4)构造空时APES滤波器，自适应地抑制地杂波并进行风速估计； 5)重复步骤2)-4)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得 到风速随距离的变化曲线。 在步骤1)中，所述的飞行参数为飞机速度V、飞行高度h ;雷达参数为天线扫描的 主瓣方位角Θ 〇、俯仰角ft和脉冲重复频率f；。 在步骤2)中，所述的选取待检测距离单元，利用杂波谱配准法处理接收数据，得 到多个独立同分布样本的方法是利用杂波谱配准法求取参考距离单元与待检测距离单元 的配准补偿矩阵，然后使用配准补偿矩阵处理参考距离单元回波数据，使其地杂波空时二 维分布特性与待检测距离单元趋于一致，之后依次处理所有参考距离单元数据，得到与待 检测距离单元地杂波分布特性相同的多个独立同分布样本。 在步骤3)中，所述的利用先验信息补偿飞机速度的方法是利用先验信息对接收 信号进行相位补偿，剔除机载平台运动带来的多普勒偏移，以消除机载平台的运动性对参 数估计的影响。 在步骤4)中，所述的构造空时APES滤波器，自适应地抑制地杂波并进行风速估计 的方法是推导风切变信号协方差矩阵的参数化模型，设定低空风切变信号多普勒谱宽与中 心频率后利用空时APES方法求取空时自适应处理器的权矢量；循环更新中心频率得到不 同空时处理器输出结果，最大输出信号功率对应的中心频率为待检测距离单元内的低空风 切变信号多普勒中心频率估计值。 本专利技术提供的基于APES的低空风切变风速估计方法是针对相控阵体制的机载气 象雷达，构造基于空时APES的自适应滤波器，自适应地抑制地杂波并估计低空风切变信号 的多普勒频率，进而求得风场速度及其随距离的变化曲线，本方法可以在强杂波条件下有 效地抑制地杂波，并精确估计出风场速度。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术提供的的实现框图； 图2为机载前视阵回波仿真示意图； 图3为本专利技术提供的的基本流程 图； 图4为补偿飞机速度后的仿真信号空时二维谱； 图5为杂波谱配准法补偿地杂波距离依赖性效果图； 图6为空时APES处理器频响特性； 图7为本专利技术方法多普勒估计结果； 图8为本专利技术方法风场速度估计结果。 【具体实施方式】 下面结合附图和具体实施例对本专利技术提供的基于空时幅相估计的低空风切变风 速估计方法进行详细说明。 如图1所示，本专利技术提供的包括按 顺序进行的下列步骤： 1)从关联的机载设备中读取飞行参数、雷达参数等作为先验信息： 从机载导航设备中读取飞机速度V、飞行高度h、天线扫描的主瓣方位角Θ ^、俯仰 角％和脉冲重复频率f；等作为信号处理的先验信息。 2)选取待检测距离单元，利用杂波谱配准法处理接收数据，得到多个独立同分布 样本： 在机载平台上沿航向垂直方向均匀放置N元线阵，阵元间距为半波长，如图2所 示。雷达回波信号可表示为： X = S+c+n(l)其中s为低空风切变信号，c为地杂波且假设杂波无起伏无模糊，η 为高斯白噪声。矩阵形式可写为： x= T⑵其中L为总距离门数，单距离门数据表示如下： X ⑴=T ⑶上式表示将每个距离门数据排成NKX1的列向量，其 中K为相干脉冲数。 杂波谱配准法通过利用配准补偿矩阵处理参考距离单元数据，使其地杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空时幅相估计的低空风切变风速估计方法，其特征在于：针对机载气象雷达的回波数据，所述的风速估计方法包括按顺序进行的下列步骤：1)从关联的机载设备中读取飞行参数、雷达参数作为先验信息；2)选取待检测距离单元，利用杂波谱配准法处理接收数据，得到多个独立同分布样本；3)利用先验信息补偿飞机速度；4)构造空时APES滤波器，自适应地抑制地杂波并进行风速估计；5)重复步骤2)‑4)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得到风速随距离的变化曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李海，张彪，吴仁彪，卢晓光，韩雁飞，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12