[发明专利]一种机载雷达低空风切变风场回波风速的估计方法

摘要

本发明提供了一种机载雷达低空风切变风场回波风速的估计方法，风切变雷达回波信号由白噪声通过p阶全极点滤波器建模产生，计算低空风切变雷达回波信号的自相关系数，再计算自回归模型的系，由此得到风切变雷达回波功率谱，通过计算方程的极点，求出极点对应的速度，对极点的速度进行判断，即可输出功率和平均风速。本发明计算量小，克服了以往方案的局限，不需要对杂波进行滤波，保证了风场回波的准确性；不存在极点向地杂波方向的漂移，从而使结果更准确。从仿真结果容易验证，本发明提出的风速估计方法能够很好的反映出真实风速，方法有效、可靠，且适用于湍流情形和地杂波较强情况下的风切变信号处理。

主权项

1.一种机载雷达低空风切变风场回波风速的估计方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：定义高斯白噪声x(n)、距离门的数量N以及脉冲间隔Ts三个变量，风切变雷达回波信号y(n)由白噪声通过p阶全极点滤波器建模产生，表示为：式中，ak为滤波器的系数，k为系数向量；步骤2：计算低空风切变雷达回波信号的自相关系数，若滤波器为m阶，则自相关系数R(m)的公式为：其中，为x(n)的共轭，由此可得2阶AR模型里的第0、1、2个自相关系数R(0)、R(1)、R(2)分别为步骤3：计算自回归(Auto‑Regressive，AR)模型的系数用Levinson‑Durbin算法求解AR模型的系数，定义amk为m阶AR模型的第k个系数，ρm为m阶时的前向预测的最小误差功率，当AR模型为一阶时，有：ρ1＝(1‑|a11|2)R(0)    (8)定义第m阶时候的第m个系数为amm，取amm＝km，km称为反射系数，由Toeplitz矩阵的性质，得到如下Levinson‑Durbin递推算法：amk＝a(m‑1)k+kma(m‑1)(m‑k)    (10)其中a(m‑1)k为第m‑1阶时候的第k个系数，R(m‑k)为第m‑k个自相关系数；则对于二阶的AR模型，系数估计由公式(9)‑公式(11)得到，计算式如下：σ2＝(1‑|a11|2)R(0)    (13)其中，σ2是白噪声功率；步骤4：计算风切变雷达回波功率谱利用步骤3求出的二阶AR模型的系数计算风切变雷达回波功率谱，由于步骤1的y(n)是由白噪声通过滤波器得到的，因此噪声的谱函数就即滤波器的频率响应，滤波器的参数将完全决定p阶模型的功率谱Sy(f)：其中，σ2是白噪声功率，ai为滤波器的系数，f为频率自变量，i为系数向量，Ts为脉冲采样间隔；步骤5：计算方程的极点滤波器的极点由下面二阶特征方程的根决定：μ2+a21μ+a22＝0    (17)由公式(17)得到两个极点分别为：步骤6：求出极点对应的速度两个极点对应的速度v1，v2的计算公式为：v1＝cμ1    (20)v2＝cμ2    (21)式中，为常量，用于多普勒频率f和频谱的速度v之间的转换，其中λ为波长，考虑到μ代表复指数exp(j2πfT_s)，因此有：其中arg(μ1)、arg(μ2)分别为μ1、μ2的幅角；步骤7：对极点的速度进行判断若|v1|≥|v2|，则|v1|与|v2|值互换，且相应的|μ1|与|μ2|值也互换，并进入步骤8；否则，直接进入步骤8；步骤8：利用分类曲线g(v)对速度进行判断设计一个二阶多项式的判别曲线g(v)：其中，v为多普勒速度，g(v)为多普勒速度对应的幅值，以公式(25)做判决：其中g(v1)为速度v1对应的判别曲线，即当极点μ1幅值的平方小于等于判别曲线g(v1)时，该极点具有的多普勒速度v被置零；步骤9：输出功率和平均风速由步骤4得到回波信号功率谱P，由步骤8得到多普勒速度v，由此即可得到风切变雷达回波功率谱及风切变风场回波的风速估计值。