秦 娟 吳仁彪 蘇志剛 盧曉光①

①(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院 天津 300072)

②(中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300300)

③(天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 天津 300384)

1 引言

機(jī)載脈沖多普勒氣象雷達(dá)能夠有效地探測飛機(jī)前方存在的暴雨、湍流等氣象危害[1,2]，它的應(yīng)用極大地提高了氣象預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，已成為民航飛機(jī)必需的重要電子設(shè)備。但是由于其安置于飛機(jī)上，處于前視和下視工作狀態(tài)，面臨著比地基氣象雷達(dá)更嚴(yán)重的地(海)面雜波[3]，雜波分布范圍廣、強(qiáng)度大，情況復(fù)雜，給檢測氣象目標(biāo)和分析氣象條件等帶來很大困難，嚴(yán)重危害飛機(jī)的飛行安全。研究地雜波抑制技術(shù)，對于改善機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)性能，降低地雜波干擾和提高其系統(tǒng)檢測目標(biāo)的能力都具有十分重要的意義。

當(dāng)載機(jī)處于巡航階段時(shí)，氣象雷達(dá)通常工作于氣象模式[1,2]，為了探測較遠(yuǎn)的距離，通常設(shè)置較低的脈沖重復(fù)頻率和較寬的脈沖，距離單元較大。由于地雜波和氣象目標(biāo)都是分布式的，而且載機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的主瓣雜波頻移和雜波多普勒展寬造成回波頻譜混疊在一起[3-7]。因此，無法在頻域?qū)⑵浞蛛x，使得常規(guī)的頻域雜波濾波方法失效。但此時(shí)地雜波和氣象目標(biāo)回波位于不同的距離上，可以利用天線的俯仰信息進(jìn)行地雜波抑制[8]，通過控制天線俯角以減少地面的回波信號[9-12]，但是這種方法增加了飛行員的工作負(fù)擔(dān)，誤識率高；也可以通過計(jì)算得到地雜波所處的距離單元并剔除[13,14]，從而在時(shí)域抑制地雜波。文獻(xiàn)[13]提出的基于地形數(shù)據(jù)庫的地雜波抑制方法，需要進(jìn)行3維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括波束體(面)坐標(biāo)和地形庫中的坐標(biāo)比較對準(zhǔn)，進(jìn)行3維映射計(jì)算才能標(biāo)記地雜波的位置，計(jì)算復(fù)雜，工作量大。文獻(xiàn)[14]提出利用多掃描技術(shù)，將相近掃描俯角的回波功率進(jìn)行空時(shí)比較，對準(zhǔn)處理后標(biāo)記地雜波位置，但是基準(zhǔn)功率會(huì)引入誤差，嚴(yán)重影響對準(zhǔn)。剔除地雜波的關(guān)鍵就是地雜波所在距離的計(jì)算。基于這種思想，提出了在數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)上利用地形可視性判斷算法計(jì)算地雜波距離單元的方法，在時(shí)域直接剔除回波中存在的地雜波。

本文首先介紹機(jī)載雷達(dá)照射地面的情形，并分析地面點(diǎn)相對于載機(jī)的下視角的分布規(guī)律和利用視角信息特點(diǎn)判斷存在雜波的距離的可行性；然后在此基礎(chǔ)上提出利用視角信息和地形高程數(shù)據(jù)的地雜波剔除方法并給出具體實(shí)施過程；最后給出機(jī)載氣象雷達(dá)的實(shí)測數(shù)據(jù)的地雜波剔除結(jié)果，分析所提方法的性能。

2 基于DEM的下視角分析

機(jī)載氣象雷達(dá)在掃描工作中，波束沿指向傳播散開(如圖 1中深色區(qū)域所示)，其在地面的照射范圍返回的回波就是地雜波，體現(xiàn)在回波數(shù)據(jù)的距離維。如果能夠分析計(jì)算地雜波所在的距離單元，就可以將雜波在時(shí)域直接去除。

圖1 雷達(dá)波束方向的剖面圖

如圖1所示，雷達(dá)波束方向的剖面圖，地面可能為平坦區(qū)域也可能為起伏的山區(qū)等，采用 DEM表示。DEM給出了地面某位置(某個(gè)經(jīng)緯度)的高程數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確反映地形特征[15-17]。定義載機(jī)到地面點(diǎn)的連線與雷達(dá)水平線的夾角為下視角。在地球球體面均勻采樣，平坦地區(qū)地面由近到遠(yuǎn)各點(diǎn)對應(yīng)的下視角[18](圖1中實(shí)線表示的載機(jī)和地面的連線與水平線的夾角)越來越小，山區(qū)的迎面坡也有同樣的趨勢，即下視角單調(diào)遞減；但當(dāng)?shù)搅松絽^(qū)背面坡時(shí)，下視角(圖 1中虛線和水平線的夾角)將大于迎面坡的下視角角度，不具有單調(diào)遞減性。根據(jù)視線的可視判決[15]，由圖1還可以看出，平坦地區(qū)和迎面坡相對于載機(jī)可見，背面坡受到遮擋，對于載機(jī)不可見。因此，根據(jù)下視角的特點(diǎn)可分析計(jì)算飛機(jī)可視域，進(jìn)而計(jì)算雷達(dá)波束觸地的區(qū)域和該區(qū)域到飛機(jī)的距離，就是存在地雜波的距離單元。從前面的分析可以看出該距離取決于雷達(dá)波束俯角、地形的位置和高度信息等。雷達(dá)的參數(shù)可由機(jī)載電子設(shè)備獲取，地形高度可以從 DEM 數(shù)據(jù)中提取。下面結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，利用地形可視性分析方法來計(jì)算地雜波存在的單元并予以剔除。

3 基于下視角分析的地雜波剔除

DEM是地面地理位置及其高程的數(shù)據(jù)集，提取高度時(shí)必須先確定該點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。根據(jù)可視性的判斷方法計(jì)算雷達(dá)可視域時(shí)，需要計(jì)算分析地面點(diǎn)與飛機(jī)的LOS(Line Of Sight)下視角，因此需要計(jì)算波束指向上地面點(diǎn)的地理位置(經(jīng)緯度信息)和高度。由計(jì)算得到的經(jīng)緯度，提取 DEM 中對應(yīng)位置的地形高度，結(jié)合雷達(dá)的掃描剖面根據(jù)可視域的分析判斷地雜波存在的距離單元，即計(jì)算雜波帶。雜波帶獲得后，地雜波的剔除就簡單了。下面分別對這兩個(gè)過程進(jìn)行分析。

3.1 地面點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算

為了確定波束路徑上散射點(diǎn)的大地位置坐標(biāo)，建立如圖2所示的本地直角坐標(biāo)系。飛機(jī)到地面的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，東向?yàn)閄軸，北向?yàn)閅軸。M'是飛機(jī)M到地面的投影，M'M為Z軸，雷達(dá)沿MP1發(fā)射波束MP，其在地面的投影M'P。飛機(jī)的航向角ζ、天線的方位角θ投影到地面，可得到波束和東向的夾角γ。

圖2 本地直角坐標(biāo)系

選用球體的地球模型計(jì)算M'P經(jīng)過的地面點(diǎn)的經(jīng)緯度時(shí)，不能直接利用三角形關(guān)系。將M'P分成若干小段(如圖 3所示)計(jì)算，可忽略地球曲面的影響認(rèn)為地面是水平的，在三角形中逐點(diǎn)計(jì)算經(jīng)緯度。不管采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格還是規(guī)則正方形網(wǎng)格的DEM[16,17]，在原地形網(wǎng)格中分析可視性，數(shù)據(jù)點(diǎn)太稀會(huì)降低可視距離精度；數(shù)據(jù)點(diǎn)過密，又會(huì)增大數(shù)據(jù)量、處理的工作量和不必要的存儲(chǔ)量。按照機(jī)載氣象雷達(dá)的應(yīng)用要求，選取距離分辨率到地面的投影為地面點(diǎn)的取樣間隔，計(jì)算M'P上各點(diǎn)的經(jīng)緯度。

圖3 波束到地面投影后采樣分段

從M'點(diǎn)經(jīng)過ΔL到達(dá)P1點(diǎn)，經(jīng)度變化量為Δα1，緯度變化量為Δβ1。另外，由于對流層的存在使電磁波彎曲，采用地球的等效半徑來抵消對流層對電磁波的彎曲效應(yīng)，用Re表示。根據(jù)圖2的幾何關(guān)系可得，計(jì)算經(jīng)度變化量Δα1和緯度變化量Δβ1的公式為

經(jīng)過ΔL到達(dá)P1點(diǎn)后地面緯度由βM變化為β1后，緯線圈的半徑發(fā)生變化，即Re× c os(β1)，計(jì)算Δα2和Δβ2時(shí)式(1)不再適用。計(jì)算第2點(diǎn)以及第n點(diǎn)的經(jīng)緯度變化量的公式為

3.2 雜波帶計(jì)算

計(jì)算得到的各點(diǎn)地理位置坐標(biāo)(α,β)，就可以從GE(Google Earth)提取各點(diǎn) DEM 高度數(shù)據(jù)，GE數(shù)據(jù)是衛(wèi)星影像與航拍的數(shù)據(jù)整合，其全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，高程精度完全可滿足應(yīng)用要求。提取DEM數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)圖4計(jì)算地面點(diǎn)到飛機(jī)的下視角。飛機(jī)高度為ha，地面第n點(diǎn)Pn的地形高度為hpn,Pn點(diǎn)相對于飛機(jī)M的經(jīng)度和緯度變化量為(Δα,Δβ)，那么其兩點(diǎn)在地心的夾角η為

圖4 計(jì)算下視角的幾何關(guān)系

在ΔOAM中計(jì)算Pn點(diǎn)對應(yīng)的斜距Rn為

之后，計(jì)算各點(diǎn)的下視角ψn為

可以得到下視角向量Ψ= [ψ1,ψ2, …,ψn]。對下視角進(jìn)行搜索，將不符合單減特點(diǎn)的也就是山區(qū)背面對應(yīng)的下視角去除，形成新的單調(diào)遞減下視角向量，這些地面點(diǎn)對飛機(jī)也都是可見的。僅僅這樣還不能計(jì)算雷達(dá)波束的觸地位置和距離，在下視角向量中進(jìn)一步搜索，屬于雷達(dá)波束俯角主波束為雷達(dá)天線的 3 dB 波束寬度)內(nèi)，就是波束觸地的位置，其距離由式(4)計(jì)算，就是雜波在距離維的位置。上面計(jì)算中只是針對某一個(gè)方位角進(jìn)行的，對其他方位的計(jì)算方法一樣，即可計(jì)算得到一次完整掃描的雜波帶情況。

判斷出回波中雜波帶出現(xiàn)的位置后，地雜波抑制就變得容易了。在雷達(dá)屏幕顯示時(shí)將雜波帶對應(yīng)距離范圍內(nèi)的回波剪輯掉，以背景替代，屏幕上顯示的即為地雜波抑制后的畫面。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 仿真結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[19]的雷達(dá)回波仿真方法，在DEM數(shù)據(jù)上仿真機(jī)載氣象雷達(dá)的地雜波，由實(shí)測數(shù)據(jù)的參數(shù)來設(shè)置仿真參數(shù)。飛機(jī)高度3084 m，掃描開始時(shí)飛機(jī)位于(E 109.7438°, N 34.7212°)，航向北偏東約18°，雷達(dá)波束俯角向下6.5°，掃描的方位為[-64.4°,50°]，地雜波仿真結(jié)果如圖 5 所示。之后，利用本文提出的地雜波剔除方法進(jìn)行雜波抑制，其結(jié)果如圖 6 所示，可以看出地雜波完全被剪輯剔除，而且不影響其他位置的回波信號。驗(yàn)證了該方法的有效性。

4.2 實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

利用某型號機(jī)載氣象雷達(dá)實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證了提出方法的有效性，并分析其性能。如圖7所示，為某次完整掃描采集的雷達(dá)回波信號，實(shí)測數(shù)據(jù)通過最小可檢測電平門限，門限以下的數(shù)據(jù)用背景填充。由于是晴空時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)中只有地雜波。圖7可以清楚地看出地雜波帶的存在，位于大約18-28 km的距離范圍。

圖5 仿真的地雜波回波幅度

圖6 仿真數(shù)據(jù)的剪輯剔除結(jié)果

圖7 俯角6.5°的實(shí)測數(shù)據(jù)回波信號幅度

根據(jù) DEM 剔除地雜波的數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖 8所示，準(zhǔn)確判斷雜波的位置，將雜波用背景代替后的雷達(dá)信號顯示?？梢钥闯觯^大部分的地雜波單元已經(jīng)被剔除，但是有少量殘留，表明該方法是能夠準(zhǔn)確地判斷雜波帶的存在范圍并在時(shí)域剔除的。圖9是采用常規(guī)方法AMTI處理的結(jié)果，方位角0°左右抑制效果較好，但是掃描方位角增大后，抑制效果很差。這是因?yàn)闄C(jī)載雷達(dá)地雜波譜隨著方位角的增大有一定的展寬，即： Δfd= 0 .3 × (2va/λ)sinθ?cos?×?3dB(va,λ分別為載機(jī)速度和雷達(dá)波長)，而AMTI的頻域?yàn)V波的凹口并沒有隨之加寬，導(dǎo)致其濾波能力大大下降。

從圖8還可以看出，殘余雜波主要位于較近距離處，這是因?yàn)槲覀冎豢紤]了3 dB主瓣寬度。實(shí)際上主瓣并不是在半功率處陡然下降，而是緩慢下降，仍然能接收到近距離上的地雜波。將波束視角的范圍的小角邊界減小，即加寬波束的視角范圍，再對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其結(jié)果如圖10所示，殘余雜波大大減少，雜波去除效果好。

5 結(jié)論

機(jī)載氣象雷達(dá)工作于氣象模式時(shí)，其回波中地雜波和氣象目標(biāo)在距離是可分離的，即分別位于不同的距離單元。本文根據(jù)這一特性，利用可視性判斷算法，提出了基于地形可視性分析的時(shí)域地雜波抑制方法。該算法根據(jù)飛機(jī)位置和雷達(dá)參數(shù)，可以計(jì)算得到雜波所在距離單元，計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)，并可以在時(shí)域?qū)㈦s波剔除，克服了頻域?yàn)V波器凹口不隨方位角展寬的缺點(diǎn)。仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也表明該方法可有效剔除地雜波，與傳統(tǒng)方法AMTI相比，大大改善了地雜波抑制效果。

圖8 根據(jù)雷達(dá)主瓣波束寬度處理結(jié)果

圖9 利用 AMTI處理結(jié)果

圖10 將雷達(dá)波束視角加寬后處理結(jié)果

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