韓雁飛 吳仁彪* 李 海

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基于雙門限控制的機載氣象雷達地雜波抑制方法

韓雁飛 吳仁彪李 海

(中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室 天津 300300)

針對機載氣象雷達工作于風切變模式時的地雜波抑制問題，該文提出了一種雙門限控制的自適應地雜波抑制方法。該方法在有效估計雜波譜中心和譜寬的基礎上，利用每個距離單元的回波功率信息設計雙門限控制的自適應凹口濾波器，在最大程度上濾除地雜波的同時，減小雜波殘余對風切變信號的影響。仿真結果表明，該方法具有良好的雜波抑制效果，并能有效地提高風切變信號風速估計的準確性。

機載氣象雷達；地雜波抑制；雙門限控制；自適應濾波器；風切變

1 引言

航空運輸業(yè)是在大氣中完成的，大氣的千變萬化直接影響到航空運輸的安全、正點及效益。低空風切變是人們公認的在航空器起飛和著陸階段對飛行安全危害最大的天氣現象，微下擊暴流就是一種典型的低空風切變現象，其在徑向上具有輻散速度特征，且正負速度差達到或以上，持續(xù)時間不超過min，此時氣流猶如發(fā)生了剪切運動一樣，如圖1所示。當飛機遇上低空風切變時，往往由于飛行高度太低，缺乏足夠的空間進行機動而發(fā)生機毀人亡的嚴重事故。目前裝機的機載氣象雷達已經具備前視風切變探測的功能，但是由于低空風切變具有發(fā)生突然、持續(xù)時間短、尺度小和不易檢測等特點，要實現有效的低空風切變檢測，仍有很多關鍵問題需要解決。

圖1 低空風切變對飛機的影響示意圖

機載氣象雷達是飛機探測前方災害天氣，保障飛行安全的重要機載導航設備。當機載氣象雷達下視工作時，天線波束照射區(qū)內地面散射體的回波通過天線進入接收機，形成地雜波。由于低空風切變通常發(fā)生在起飛和降落階段，微弱的氣象回波常會淹沒在很強的地雜波背景之中，給風切變檢測帶來困難。而且載機平臺的運動會導致回波信號中的地雜波頻譜發(fā)生偏移及展寬，更為有效地實現地雜波抑制增添了難度。因此，在嚴重而復雜的機場動、靜地雜波背景下，研究風切變模式下的地雜波抑制技術，對于有效地檢測低空風切變信號和改善機載氣象雷達系統(tǒng)性能都具有十分重要的現實意義。

地基氣象雷達的雜波抑制技術較為成熟，多采用FIR或IIR濾波器、橢圓濾波器和回歸濾波器等濾除零多普勒頻率附近的雜波成分。Siggia等人提出一種基于高斯型自適應處理(Gaussian Model Adaptive Processing, GMAP)的地雜波抑制方法，該方法是一種應用于地基氣象雷達的頻域濾波方法，在雜波頻譜展寬時該方法的抑制效果較差，且存在較大的雜波殘余。對于雙線性偏振多普勒地基氣象雷達，Svetlana M. Bachmann等人提出了一系列地雜波抑制的改進算法。由于機載平臺的運動會造成回波信號頻譜展寬，所以傳統(tǒng)的地基氣象雷達雜波抑制方法難以直接應用到機載氣象雷達的探測工作中。

新一代的機載相控陣火控或預警雷達重點研究的是點目標的檢測問題，除了采用動目標顯示(Moving Target Indication, MTI)和動目標檢測(Moving Target Detector, MTD)等方法，多采用空時2維自適應信號處理技術抑制雜波。但是對于單天線的機載氣象雷達，其探測的氣象目標是分布式的，故傳統(tǒng)的機載雜波抑制方法也難以直接應用在機載氣象雷達中。手動調整天線俯仰角是最基本的機載氣象雷達地雜波抑制方法，該方法雖然簡單，但是會削弱氣象回波信號強度，同時還會加重飛機操控人員的負擔。文獻[12]提出在數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)上利用地形可視性判斷算法計算地雜波距離單元的方法，在時域直接剔除回波中存在的地雜波，但該方法僅適用于機載氣象雷達工作于氣象模式時的地雜波抑制。文獻[13]和文獻[14]分別提出基于復系數格型濾波器和最小均方誤差噪聲相消器的自適應雜波抑制方法，該類方法的雜波抑制效果受參考信號的影響較大，合適的參考信號不易選取，限制了該類方法的工程應用。

從本質上說，有效地濾除雜波可等效為設計一個合適的雜波抑制濾波器?；谶@種思想，本文提出一種基于雙門限控制的自適應地雜波抑制方法。該方法利用極坐標質心法估計接收信號的譜中心與譜寬，并利用每個距離單元的回波功率信息，自適應地調整濾波器的凹口，以達到抑制地雜波的目的。通過仿真實驗證實，該方法在有效地濾除地雜波的同時，能夠減小雜波殘余對有用氣象信號的影響，從而提高低空風切變信號風速估計的準確性與可靠性。本文內容安排如下，第2節(jié)分析了機載氣象雷達地雜波的頻譜特點，第3節(jié)給出基于雙門限控制的自適應雜波抑制方法以及處理流程，第4節(jié)對本文的基于雙門限控制的自適應雜波抑制方法進行仿真實驗驗證，第5節(jié)是結論。

2 機載氣象雷達地雜波頻譜分析

在起飛和降落階段，風切變模式下的機載氣象雷達下視工作時，接收到的回波信號中不僅包括有用的氣象目標回波，還包括雜波信號和各種干擾噪聲等。假設回波信號由3部分組成：氣象目標信號、雜波信號和噪聲信號。因此，接收信號可理想化地描述為

為了有效地克服地雜波對氣象目標信號檢測的影響，首先必須了解地雜波信號的幅度特性和頻譜特性。

(1) 雜波幅度分布模型

當雷達接收信號用復信號表示時，可以認為地雜波的實部和虛部信號均為獨立同分布的高斯隨機過程，即地雜波的幅度(復信號的模值)符合瑞利分布。此時其概率密度函數可表示為

(2) 雜波頻譜分布模型

雷達雜波幅度的概率密度分布模型描述了雜波信號在時域的1維表示，為了更好地描述雜波的分布特性，選擇觀察雜波頻域的2維分布特性，即建立雜波的頻譜分布模型。一般認為，地雜波的頻譜可采用高斯模型表示，稱為高斯譜，其表達式為

3 基于雙門限控制的自適應雜波抑制方法

當機載氣象雷達工作于風切變模式時，探測的地面雜波區(qū)域面積較大，雜波強度遠大于目標信號強度。同時載機平臺的運動和天線掃描等因素會導致主雜波中心頻率發(fā)生多普勒頻移和主、副瓣雜波的頻譜展寬。由式(3)可知，高斯型雜波譜的頻譜特性僅由雜波譜中心頻率和雜波譜寬所決定。因此，可以將雜波抑制的濾波器設計問題轉化為雜波譜中心頻率和譜寬的估計問題。

直接對時域數據進行FFT處理，相當于用一組矩形窗濾波器進行濾波處理。由于矩形窗旁瓣較高，當雜波功率較大時，會存在因為旁瓣進入的雜波能量較大而淹沒有用信號的現象。本文采用窗函數加權的方法對接收到的數據進行預處理，再利用傅里葉變換將其變換到頻域。這種加窗預處理可以有效地減小強低頻分量對高頻分量的污染，即減小地雜波對有用氣象信號的影響。通過衡量窗函數的主瓣寬度和旁瓣峰值，本文選擇Hanning窗加權。

利用慣導系統(tǒng)和無線電高度表等機載導航設備提供的慣導參數和無線電高度等數據，可獲得精確的飛機俯仰、方位和地速等信息。將此作為先驗信息可粗略地估計出雜波區(qū)域和譜寬，利用地速信息可將雜波頻譜中心補償到零頻附近。然后采用“極坐標質心法”，在極坐標體系下利用譜線幅值對相應的頻率點進行加權，實現更加精確的雜波中心頻率和譜寬估計。最后利用每個距離單元的回波功率信息設計雙門限控制的自適應凹口濾波器，在濾除強雜波的同時，減少雜波抑制時對目標信號的白化?；陔p門限控制的自適應雜波抑制方法的工作原理框圖如圖2所示。

3.1雜波譜中心與譜寬估計

機載氣象雷達下視工作時，波束照射區(qū)域的雜波單元如圖3所示。假設飛機速度為，雷達發(fā)射波長為，天線方位向波束寬度為，雜波單元的方位角為，俯仰角為，飛機對地高度為，飛機到雜波單元的距離為，飛機速度矢量方向與地面雜波單元波束入射線之間的夾角為，并有。

由于載機平臺的運動和波束掃描時的方位與俯仰不同，所以每個單元的地雜波特性也不同，具體表現在不同距離單元的雜波譜的中心頻率和譜寬不同。主瓣雜波在分辨單元中的多普勒頻率為

圖3 機載氣象雷達的雜波單元示意圖

利用極坐標質心法估計的雜波譜中心頻率可以表示為

(6)

(8)

3.2自適應雜波抑制

由于飛機高度低，雜波的回波功率較強，微弱的低空風切變信號常會淹沒在地雜波中。使用固定凹口濾波器的傳統(tǒng)地雜波抑制方法，難以有效地濾除旁瓣雜波，存在很大的“雜波殘余”，并且在有用信號與雜波頻譜重疊和鄰近的區(qū)域，存在雜波濾除過剩，使有用信號的信息大量損失的現象?；陬l域處理的自適應雜波抑制方法認為高斯型雜波譜的雜波能量主要分布在范圍內，通過估計雜波譜寬，將對應的多普勒通道的輸出直接置零的方法抑制雜波。該方法在一定程度上減少了雜波抑制時，頻譜重疊和鄰近區(qū)域的有用信號損失，但是仍然存在雜波殘余較強，淹沒有用氣象信號，影響風速估計精度的現象。

由于地面結構不同和路徑衰減等原因，不同距離單元的回波功率強度是不同的?；夭üβ试酱笠馕吨摼嚯x單元的雜波信號越強，雜波對有用信號的影響也就越大。反之，回波功率小意味著該距離單元的雜波相對較弱，對有用信號的影響也相對較弱。為了在最大程度上濾除地雜波，提高風切變信號風速估計的準確性，本文在有效估計雜波譜中心和譜寬的基礎上，提出了一種“雙門限控制的自適應雜波抑制方法”。其思想在于利用不同距離單元信號的回波功率強度控制譜寬，使得雜波較強的距離單元的譜寬門限相對較大，雜波較弱的距離單元的譜寬門限相對較小。同時，利用回波功率強度設定幅度控制門限值，通過統(tǒng)計每個距離單元超限區(qū)域的多普勒通道數，設計自適應的凹口濾波器?？紤]波束照射的地面區(qū)域所對應的最大距離單元以內的雷達回波數據，基于雙門限控制的自適應地雜波抑制方法的基本流程如圖4所示，具體實現步驟如下：

(3) 利用控制因子調節(jié)譜寬門限，使得譜寬門限與雜波功率成正比。在雜波功率較強的距離單元，譜寬門限值較大，即該距離單元雜波抑制的區(qū)域較大。反之，雜波功率較弱的距離單元，雜波抑制的區(qū)域較小。由此實現最大程度上的濾除雜波，減少雜波殘余的目的。待分析的雜波區(qū)域譜寬門限表示為

(4) 計算每個距離單元的回波信號頻譜幅度的平均值

(10)

(5) 雜波功率較強的距離單元的頻譜幅度平均值相對較大，雜波功率較弱的距離單元的頻譜幅度平均值相對較小。以每個距離單元的回波信號頻譜幅度的平均值為參考值，利用控制因子調節(jié)幅度控制門限，使得幅度門限與雜波功率成反比，即回波功率強的距離單元的幅度門限略低，回波功率弱的距離單元的幅度門限略高，達到最大限度地減少雜波殘余的目的。幅度控制門限表示為；

(6) 統(tǒng)計每個距離單元的雜波區(qū)域中超過幅度控制門限的多普勒通道數；

(7) 利用超限的通道數目，設計自適應的凹口濾波器濾除雜波頻譜成份；

(8) 對雜波抑制后的回波進行風速估計及后續(xù)的風切變信號檢測步驟。

4 仿真結果及分析

參照WXR-2100型機載氣象雷達設定仿真參數：飛機高度，飛機速度，雷達發(fā)射功率，波束寬度，波束下視角，脈沖重復頻率，發(fā)射脈寬，天線增益，相干脈沖數，雜噪比，信噪比。按照文獻[18]和文獻[19]分別對一個相干脈沖時間內的風切變和地雜波信號進行仿真，工作于風切變模式下的機載氣象雷達回波信號頻譜如圖5所示。不同距離單元的回波幅度不同，且隨探測距離的增加呈下降趨勢。加入地速補償后，主雜波集中在零多普勒頻率附近，在處存在風切變信號，其水平風速沿距離呈現出反“S”特性。

圖4 雙門限控制的自適應雜波抑制方法的流程圖

按照不同距離單元信號的回波功率強度控制譜寬，從而確定待分析的雜波區(qū)域。同時，依據回波功率強度設定幅度控制門限值，通過統(tǒng)計每個距離單元超限區(qū)域的多普勒通道數，設計自適應的凹口濾波器。以第25, 40, 57和78號距離單元(和)的濾波器頻率響應為例，該方法按照不同距離單元的回波特點，自適應的形成凹口抑制地雜波信號。不同距離單元的自適應凹口濾波器頻率響應如圖6(a)所示。利用極坐標質心法估計濾波后信號的中心頻率，即估計風切變信號的水平風速。雜波抑制后速度估計結果隨距離的分布如圖6(b)所示。

圖5 風切變模式下的機載氣象雷達回波頻譜圖

圖6 雜噪比為的仿真結果

圖7 雜噪比為的仿真結果

圖8 不同方法抑制雜波后的風速估計偏差

5 結束語

本文在機載氣象雷達地雜波頻譜分析的基礎上，利用機載導航設備提供的先驗信息和極坐標質心法，有效地估計出雜波譜中心和譜寬。在此基礎上提出了采用雙門限控制的自適應雜波抑制新方法。 本文詳細介紹了該方法的基本流程，并通過仿真實驗證明了該雜波抑制方法的有效性與可靠性。與傳統(tǒng)的固定凹口濾波器和自適應的頻域置零方法相比，該方法大大改善了雜波的抑制效果，減小了雜波殘余對有用信號的影響和雜波抑制時有用信號的損失，最終實現了提高風速估計精度的目的。

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Ground Clutter Suppression with Dual-threshold Controlled Method for Airborne Weather Radar

Han Yan-fei Wu Ren-biao Li Hai

(Tianjin Key Laboratory for Advanced Signal Processing, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

In this paper, a new method of dual-threshold controlled adaptive clutter suppression is proposed for an airborne weather radar operated in the wind shear mode. To reliably estimate the center frequency and bandwidth of the clutter spectrum, the echo power in each range cell is used to design a dual-threshold controlled adaptive notch filter. This filter can reject the maximum amount of ground clutter, while reducing the effect of clutter residue on the wind shear signal. Results of our simulation have confirmed that this method has a superior clutter suppression performance, and can effectively improve the wind speed estimate accuracy of the wind shear signal.

Airborne weather radar; Ground clutter suppression; Dual-threshold controlled; Adaptive filter; Wind shear

TN959.4

A

2095-283X(2013)01-0097-08

10.3724/SP.J.1300.2013.20057

韓雁飛(1987-)，女，新疆烏魯木齊人，中國民航大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，主要研究方向為機載氣象雷達信號處理。E-mail: yfhan_yjs10@cauc.edu.cn

吳仁彪(1966-)，男，湖北省武漢市人，中國民航大學教授，博士生導師，IEEE高級會員，民航特聘專家，主要研究方向為自適應信號處理，高分辨率雷達成像與自動目標識別，民航無線電干擾檢測與自適應抑制，民航遙感信息處理與應用。E-mail: rbwu@cauc.edu.cn

李 海(1976-)，男，天津人，中國民航大學副教授，碩士生導師，主要研究方向為干涉合成孔徑雷達信號處理，空時自適應信號處理。E-mail: lihai1976@sina.com

2012-08-06收到，2012-09-13改回；2012-12-10網絡優(yōu)先出版

國家自然科學基金項目(61071194, 60979002)和中國民航大學基金項目(2011kyE06)資助課題

吳仁彪 rbwu@cauc.edu.cn