基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法技术

一种基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法。其包括对相控阵体制下的机载脉冲多普勒气象雷达的湍流回波进行建模，从而获得湍流场的气象雷达回波数据；分别构造适用于湍流场的广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，从而得到其空时导向矢量；结合步骤2)中构造的空时导向矢量，构造空时最优处理器，处理雷达回波数据，抑制非气象因子产生的干扰同时保证由湍流目标造成的雷达回波的功率不变，并估计出湍流谱宽；依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得到各距离单元的速度谱宽估计结果等步骤。本发明专利技术方法可以有效抑制非气象因子产生的频谱扩展干扰，准确地估计湍流谱宽，仿真实验验证了该方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达信号处理
，特别是涉及一种基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法。技术背景湍流指叠加在平均风上的连续随机脉动，是飞行过程中经常遇到的一种大气扰动现象，通常由大气快速、不规则的流动引起。这种湍流容易使飞机产生颠簸，甚至令其大幅度偏离预定航线，因此对飞行安全极为不利。机载气象雷达可以探测飞行器航路前方一定扇区内包括湍流、风切变、雷雨等在内的危险气象区域，给飞行员提供危害天气的方位及强度等信息，以作为预警和回避危险区域的参考。对机载气象雷达而言，湍流是一种微粒速度偏差较大的气象目标。速度偏差可理解为速度的波动范围或谱宽，谱宽越大，湍流强度越大。目前湍流检测通常利用估计回波谱宽并与检测门限对比的方法实现，由此可见，谱宽估计结果的准确与否会直接影响检测性能的好坏。因此，尽可能提高湍流谱宽估计的准确度对有效探测和预警有湍流的危险气象区域是十分必要的。在湍流检测过程中，湍流目标的运动并非导致频谱扩展的唯一因素，天线方位角和天线波束宽度等非气象因子也会引起频谱展宽，从而影响真实湍流谱宽估计结果的准确度。目前，常用于谱宽估计和湍流检测的方法主要有基于时域分析的脉冲对法(Pulse-pairProcessing，PPP)和基于频域分析的快速傅里叶变换(FastFourierTransformation，FFT)法等。虽然这些方法计算简单且在高信噪比条件下性能较好，但是当存在干扰或信噪比较低时，其谱宽估计性能急剧下降，且这些方法均未考虑由非气象因子引起的谱宽扩展，容易造成对湍流真实谱宽的过估计。与传统的单天线体制相比，相控阵体制的脉冲多普勒气象雷达的天线阵面由多个阵元组成，每个阵元的相位可控，波束指向灵活，其回波信号包含目标的空间采样信息。通过充分利用信号的空域与时域信息，可以对雷达扫描过程中引起的频谱扩展进行自适应抑制，能够更好地实现对目标的精确检测。
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基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法包括按顺序进行的下列步骤：1)对相控阵体制下的机载脉冲多普勒气象雷达的湍流回波进行建模，从而获得湍流场的气象雷达回波数据；2)基于湍流目标的空域和时域分布特性，分别构造适用于湍流场的广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，从而得到其空时导向矢量；3)利用空时自适应处理原理，结合步骤2)中构造的空时导向矢量，构造空时最优处理器，处理步骤1)中的雷达回波数据，抑制非气象因子产生的干扰同时保证由湍流目标造成的雷达回波的功率不变，并估计出湍流谱宽；4)重复步骤2)到步骤3)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得到各距离单元的速度谱宽估计结果。2.根据权利要求1所述的基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的利用空时自适应处理原理，结合步骤2)中构造的空时导向矢量，构造空时最优处理器，处理步骤1)中的雷达回波数据，抑制非气象因子产生的干扰同时保证由湍流目标造成的雷达回波的功率不变，并估计出湍流谱宽的方法是：分析引起湍流回波谱宽扩展的因素及其对湍流真实谱宽估计结果的影响，构造适用于湍流目标的空时最优处理器，对雷达回波进行滤波处理，最终对非气象因子造成的谱宽扩展进行抑制，同时保证由湍流目标造成的雷达回波的功率不变，并利用多普勒频率和谱宽的非耦合特性估计出速度谱宽。本专利技术提供的基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法是针对相控阵体制的机载气象雷达，基于湍流的分布式气象目标特性，利用空时自适应处理原理构造最优处理器，估计湍流谱宽。本专利技术方法可以抑制非气象因子产生的干扰，较精确地估计湍流谱宽，仿真实验验证了本方法的有效性。附图说明图1为湍流的几何观测图。图2(a)、(b)分别为雷达湍流信号的空时二维谱图，其中图2(a)为俯视图，图2(b)为三维视图。图3为点目标的空时导向矢量的空时域响应图。图4为分布式气象目标的空时导向矢量的空时域响应图。图5为第75号距离单元湍流风场回波的空时二维谱图。图6是本专利技术方法与传统脉冲对法的谱宽估计结果对比图。具体实施方法下面通过具体实例对本专利技术提供的基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法进行详细说明。本专利技术提供的基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法包括按顺序进行的下列步骤：1)对相控阵体制下的机载脉冲多普勒气象雷达的湍流回波进行建模，从而获得湍流场的气象雷达回波数据；假设机载脉冲多普勒气象雷达(以下简称雷达)的飞行速度为Va，沿航向垂直方向放置N元均匀线阵，脉冲重复频率为fr，相干处理脉冲数为K，发射脉冲波长为λ。在本专利技术中，xl表示第l(l＝1,2,…,L)个距离单元的NK×1维空时快拍数据，其表达式如下：xl＝sl+nl(1)其中，sl、nl分别表示第l个距离单元的湍流空时快拍与噪声，假设噪声为加性高斯白噪声。对于第l个距离单元内的湍流场，雷达对其的采样数据可以写成一个N×K的矩阵Sl。其中，矩阵Sl的第n行、第k列元素sl(n,k)表示雷达第n(n＝1,2,…N)个阵元、第k(k＝1,2,…K)个脉冲对第l个距离单元的采样数据，当该距离单元内雷达的波束照射范围内共有Q个气象散射粒子时，其具体表达式如下：其中和分别表示第q(q＝1,2,…,Q)个气象散射粒子的空间角频率和时间角频率，θq、分别表示该气象散射粒子相对于雷达的方位角和俯仰角，Rq为第q个气象散射粒子与设置雷达的飞机的斜距，为雷达天线接收方向图，vq表示第q个气象散射粒子相对于雷达的径向速度。将上面的矩阵Sl展开成为NK×1维列向量，即为湍流场空时快拍sl。则雷达全距离单元内的回波信号可以表示为：X＝[x1x2…xL]T(3)多普勒速度谱宽是表征雷达波束照射范围内不同大小的多普勒速度偏离其平均值的程度，实际上它是由散射粒子具有不同的径向速度引起的，径向速度vq弥散于某一中心速度附近，是影响速度谱宽的主要因素。然而，在雷达扫描过程中，当扫描角度存在一定展宽时，也会造成频谱扩展，如果不考虑由此造成的频谱展宽，会导致对湍流真实谱宽的过估计。如图1所示，雷达以恒定的飞行速度Va沿X轴以直线飞行，雷达天线方位角为αa，那么对于波束照射范围内的某一个静止散射粒子J，其相对于雷达的径向速度为vq＝Va，多普勒频移为：F(α)=2Vaλcosα---(4)]]>其中，α为散射粒子J的方位角，λ为发射脉冲波长。由雷达天线波束宽度Δα、雷达天线方位角αa导致的频谱扩展可以表示为：ΔFant=F(αa-Δα2)-F(αa+Δα2)≈2VaΔαλsinαa---(5)]]>用σa表示相应的速度谱宽，则有：σa=ΔFantλ2=VaΔαsinαa---(6)]]>若将雷达天线波束宽度Δα、雷达天线方位角αa等非气象因子与湍流对回波速度谱宽的贡献近似看作相互独立，那么湍流场雷达回波的速度谱宽σv可表示为：σv≈σT2+&s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法，其特征在于，所述的谱宽估计方法包括按顺序进行的下列步骤：1)对相控阵体制下的机载脉冲多普勒气象雷达的湍流回波进行建模，从而获得湍流场的气象雷达回波数据；2)基于湍流目标的空域和时域分布特性，分别构造适用于湍流场的广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，从而得到其空时导向矢量；3)利用空时自适应处理原理，结合步骤2)中构造的空时导向矢量，构造空时最优处理器，处理步骤1)中的雷达回波数据，抑制非气象因子产生的干扰同时保证由湍流目标造成的雷达回波的功率不变，并估计出湍流谱宽；4)重复步骤2)到步骤3)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，估计得到各距离单元的速度谱宽估计结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于空时最优处理器的湍流谱宽估计方法，其特征在于，所述的谱宽估计方法包括按顺序进行的下列步骤：1)对相控阵体制下的机载脉冲多普勒气象雷达的湍流回波进行建模，从而获得湍流场的气象雷达回波数据；2)基于湍流目标的空域和时域分布特性，分别构造适用于湍流场的广义空间导向矢量和广义时间导向矢量，从而得到其空时导向矢量；3)利用空时自适应处理原理，结合步骤2)中构造的空时导向矢量，构造空时最优处理器，处理步骤1)中的雷达回波数据，抑制非气象因子产生的干扰同时保证由湍流目标造成的雷达回波的功率不变，并估计出湍流谱宽；4)重复步骤2)到步骤3)，依次处理雷达工作范围内所有距离单元的回波数据，...

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