[发明专利]基于迭代自适应处理的低空风切变风速估计方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别是涉及一种基于迭代自适应处理的低空风切变风速估计方法。

背景技术

风切变是一种发生在很短一段距离内的微小气象现象，即在大气中相对较短的距离内的风速和(或)方向的急速变化。风切变尤其是低空风切变，对飞机的飞行(尤其是起降阶段)有重大影响。当飞机靠近风切变场时，首先进入逆风区域，此时飞机升力增加，飞行员会降低发动机功率，当飞机飞出逆风区域进入顺风区域时，局部逆风减弱，降低了飞机的空速并增加了下沉速率，这时飞机处于低功率快速下降状态。如果飞机太低而无法在接触地面之前增加升力，则可能导致事故。发生在低空的风切变是飞机起飞和着陆阶段的一个重要危险因素，被人们称为“无形杀手”。

机载气象雷达能够沿航路实时感知暴雨、湍流、风切变等有害自然现象并及时发出预警，可以称得上是飞机的“眼睛”。但当其处于“前视”模式时也使得雷达接收地杂波的空时分布与距离相耦合，此时地杂波产生了距离依赖性(即不同距离单元内杂波的空时分布不同)，这种非均匀特性使得可用于估计杂波协方差矩阵的IID样本数量大大减少。空时自适应处理技术主要用于机载气象雷达中抑制杂波及多种干扰，从而可以有效地检测空中与地(海)面的目标，其利用雷达回波中的时域信息和空域信息进行二维联合自适应处理，最大限度地提高了待检测目标的输出信噪比，具有很强大的灵活性。但由于系统维数较高，难以应用于实际工程中。减少空时自适应处理技术运算量的手段主要是通过设计次优的降维处理器以实现运算量级的降低，主要方法有辅助通道法、2 维Capon法、局域联合处理法等。目前，空时自适应处理技术主要被应用于点目标的参数估计上，而低空风切变属于分布式气象目标范畴。分布式信号伴随着源发生一定的角度扩展和频率扩展，往往比点信号源具有更复杂的空间分布特征。但目前尚缺少相应的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够保证参数估计精度，同时降低运算复杂度的基于迭代自适应处理的低空风切变风速估计方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于迭代自适应处理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)根据雷达接收数据，构造空时二维导向矢量，并获得空时导向矢量完备矩阵；

2)根据上述空时导向矢量完备矩阵对待检测距离单元的雷达接收数据进行迭代自适应处理，得到高分辨率空时二维功率谱；

3)利用邻近距离单元的空时二维谱功率确定地杂波功率水平，并设计中值滤波器，以检测风切变信号；

4)将上述经过中值滤波器滤波的信号利用频率质心法获得风切变场的中心风速估计值及分布情况。

在步骤1)中，所述的根据雷达接收数据，构造空时二维导向矢量，并获得空时导向矢量完备矩阵的方法是：首先，依据雷达接收数据设定角度域与多普勒频率域的扫描点数为雷达接收数据的慢时间-脉冲数的二倍，然后，依照角度域与多普勒频率域各个扫描点对应的角频率构造空时导向矢量，并用各个扫描点对应的导向矢量构造一个空时导向矢量完备矩阵。

在步骤2)中，所述的根据上述空时导向矢量完备矩阵对待检测距离单元的雷达接收数据进行迭代自适应处理，得到高分辨率空时二维功率谱的方法是：首先，使用待检距离单元的雷达接收数据与空时导向矢量以波束形成的方式初始化对应于空时导向矢量完备矩阵的功率对角矩阵的估计值，其次，通过空时导向矢量完备矩阵与功率对角矩阵来计算自适应协方差矩阵，然后，利用计算得到的协方差矩阵再重新估计功率对角矩阵，并反复进行迭代，最后，经过迭代多次得到一个收敛的自适应协方差矩阵。

在步骤3)中，所述的利用邻近距离单元的空时二维谱功率确定地杂波功率水平，并设计中值滤波器，以检测风切变信号的方法是：首先，选取待检测距离单元前后各3个邻近的距离单元作为保护单元，其次，选取待检测距离单元前后除保护单元外的各5个邻近的距离单元作为参考单元，并通过迭代自适应过程求得各自的功率对角矩阵，最后，使用各参考单元的功率对角矩阵的中值确定地杂波功率水平，并将地杂波功率水平作为滤波门限设计中值滤波器。

在步骤4)中，所述的将上述经过中值滤波器滤波的信号利用频率质心法获得风切变场的中心风速估计值及分布情况的方法是：首先，利用迭代自适应处理得到的自适应协方差矩阵估计待检测距离单元目标方向上的多普勒频谱，其次，利用频率质心法求出该距离单元内风切变场的中心风速估计值，最后，循环处理全部距离单元内所有多普勒通道的雷达接收数据，得到待检测区域内风切变场的中心风速分布情况。