[发明专利]基于空时协方差矩阵拟合的湍流目标速度谱宽估计方法

说明书

技术领域

本发明属于机载气象雷达气象目标检测技术领域，特别是涉及一种基于空时协方差矩 阵拟合的湍流目标速度谱宽估计方法。

技术背景

大气湍流是飞机在运行过程中时常会遇到的一种危险气象目标，它是由大气中急速 变换的气流引起的。因为湍流区域内气流运动速度向量有很大的差异，并且变化都相当 急剧，所以飞机一旦飞进湍流区域，轻则会产生颠簸，情况严重时飞机可能会短暂失控， 发生难以想象的后果。大气湍流危害性高、作用范围广(几公里至十几公里范围不等)， 飞行航班通过机载气象雷达(Airborne Weather Radar，AWR)对危险气象区域的湍流进行 提前探测发出预警，能够极大地降低航班事故发生率，是保障航空运输安全的重要环节。 航班飞行中经常遭遇到的大气湍流一般可分为三种：第一种叫风暴湍流，一般在热带气 旋、雷暴、冷暖峰及急流(空中的狭窄强风带)等天气情况下出现；第二种叫晴空湍流， 空气中不同速度或方向的大气团相遇，会在交接处产生晴空湍流；第三种叫地形湍流， 如有强风、海风或者强烈季候风吹过山脉和人工结构等情况会产生地形湍流。

上述三种大气湍流，前两种湍流属于高空大气湍流，第三种地形湍流由于常出现在 低空近地面，属于低空湍流。由于风暴湍流内部常布满雨滴、含水量高，又可称为湿性 湍流。目前装机使用的机载气象雷达能够探测出风暴湍流；而地形湍流一般出现在低空 近地面，可借助地基激光雷达进行探测。

然而对于晴空湍流和极少部分风暴湍流，由于内部含水量少、雷达反射率低，导致 信号回波信噪比低，因此机载气象雷达无法进行十分有效的检测。

为了提高大气湍流的探测概率与检测效率，人们在大气湍流检测方法的研究上做了 许多工作。脉冲对法(PPP)和快速傅里叶变化法(FFT)是目前常用的两种湍流检测算 法。脉冲对法是一种时域的多普勒处理方法，它利用信号慢时间采样数据的互相关函数 来估计湍流目标的速度谱宽。脉冲对法复杂度低，能够满足机载气象雷达的实时性，但 是它仅适用于高信噪比的情况。快速傅里叶变化法与脉冲对法最大的不同在于前者将回 波信号变换到频域进行多普勒处理，求出回波功率谱的二阶矩即可得到湍流的谱宽，因 此快速傅里叶变化法稍复杂，而且在低信噪比下估计性能也不太理想。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于空时协方差矩阵拟合的湍流目标 速度谱宽估计方法。

为达到上述目的，本发明提供的基于空时协方差矩阵拟合的湍流目标速度谱宽估计方 法包括按顺序进行的下列步骤：

1)初始化所有待检测距离单元的雷达回波数据，并由机载气象雷达上阵列天线接收 的待检测距离单元的雷达回波数据估计出雷达回波信号的协方差矩阵

2)根据上一步骤雷达回波数据中待检测距离单元的空间锥角，构造该距离单元湍 流目标信号的协方差矩阵参数化模型R_s(f_o,σ_f)；

3)利用上述步骤1)获得的协方差矩阵和步骤2)获得的协方差矩阵参数化模型 R_s(f_o,σ_f)构造代价函数，在目标参数范围内进行二维搜索找到使代价函数最大值的参数 组合根据参数组合中的多普勒谱宽得到该距离单元湍流目标的速度谱宽 估计值；

4)重复上述步骤1)至3)，逐距离单元对机载气象雷达接收的回波数据进行处理， 最终得到全距离单元内湍流目标速度谱宽估计结果。

在步骤1)中，所述的初始化所有待检测距离单元的雷达回波数据，并由机载气象雷 达上阵列天线接收的待检测距离单元的雷达回波数据估计出雷达回波信号的协方差矩阵 的方法是：利用机载前视阵几何模型，从湍流散射粒子的空间和时间角频率出发，给 出了机载前视阵湍流目标信号的接收数据，然后将湍流目标信号和噪声求和得到雷达回 波信号，最后通过求解雷达回波信号的自相关函数得到雷达回波信号的协方差矩阵

在步骤2)中，所述的根据上一步骤雷达回波数据中待检测距离单元的空间锥角， 构造该距离单元湍流目标信号的协方差矩阵参数化模型R_s(f_o,σ_f)的方法是：利用湍流目 标信号的分布特性，建立其空时二维协方差矩阵参数化模型，最后得到待检测距离单元 湍流目标信号的协方差矩阵参数化模型R_s(f_o,σ_f)。