機載氣象雷達(dá)地雜波抑制方法研究

摘 要：本文介紹一種機載氣象雷達(dá)地雜波抑制方法。

關(guān)鍵詞：地雜波；機載氣象雷達(dá)；多掃描對消；波束主瓣寬度；波束下沿切地面；地雜波抑制

1 研究背景及意義

機載氣象雷達(dá)是對飛機前方的氣象情況進(jìn)行探測和預(yù)警，以便飛機能夠及時的發(fā)現(xiàn)危險天氣，選擇安全的航路，保證機上人員的安全。近年來，地雜波抑制技術(shù)是機載氣象雷達(dá)系統(tǒng)中的一個研究熱點，無論在軍事上還是在民用中都具有非常重要的意義。

當(dāng)機載氣象雷達(dá)在低空或下視時，除了接收到氣象目標(biāo)的回波信號之外，雷達(dá)波束的旁瓣甚至主瓣會觸及地面，會被山丘及建筑物等阻擋。在這種情況下，雷達(dá)將會接收到這些地物的反射信號，形成地物回波。相對于氣象目標(biāo)的回波信號而言，這些都屬于干擾雜波。當(dāng)氣象目標(biāo)與地物不在同一個脈沖體積中時，兩種回波不可能同時被雷達(dá)接收；因此，在雷達(dá)顯示器熒光屏上能區(qū)分兩種回波。但當(dāng)氣象目標(biāo)與地物同處于一個脈沖體積中時，由于地雜波強度大，多普勒頻譜寬，會“淹沒” 降水回波，給定量測定降水強度造成誤差。因此，為了提高氣象雷達(dá)的探測性能，必須設(shè)法抑制地物雜波。

2 地雜波抑制原理

地雜波通常是指由地形、地物等產(chǎn)生的雷達(dá)不希望接收到的回波。根據(jù)實際情況，對地雜波存在區(qū)域進(jìn)行具體分析，將地雜波根據(jù)其特性分為三個區(qū)域：近距離區(qū)域、中距離區(qū)域及遠(yuǎn)距離區(qū)域；本文著重從近距離區(qū)域進(jìn)行具體的分析。

當(dāng)雷達(dá)照射遠(yuǎn)處云體目標(biāo)時，由于地球的彎曲，在某些特定情況下，波束將不會接觸地面，此時，雷達(dá)回波全部為氣象回波，不存在地雜波干擾。在中距離區(qū)域及遠(yuǎn)距離區(qū)域，氣象目標(biāo)與地物不在同一個脈沖體積中時，兩種回波不可能同時被雷達(dá)接收。因此，在雷達(dá)顯示器熒光屏上能區(qū)分兩種回波。在近距離區(qū)域，當(dāng)氣象目標(biāo)與地物同處于一個脈沖體積中時，由于地雜波強度大，多普勒頻譜寬，會“淹沒”氣象回波，給定量測定降水強度造成誤差。因此，為了提高氣象雷達(dá)的探測性能，必須設(shè)法抑制地物雜波。

2.1 機載氣象雷達(dá)云層和地雜波分布情況分析

機載氣象雷達(dá)在空中對氣象目標(biāo)進(jìn)行探測，當(dāng)俯仰角比較大的時候，雷達(dá)波束必然會照射到地面。由于機載氣象雷達(dá)作用距離相對于地球來說，地球曲率的影響已經(jīng)不能忽略，所以繪制機載氣象雷達(dá)地雜波和云層分布示意圖，如圖1所示。其中射線A與地面沒有交集，射線B與地面相切，射線C、D、E均照射到地面上。從圖1我們可以直觀的看出，當(dāng)雷達(dá)波束下沿照射在A與B之間區(qū)域時，雷達(dá)波束不會照射到地面上，雷達(dá)接收機不會接收到地物回波，因而在該區(qū)域內(nèi)不會存在地雜波干擾；當(dāng)雷達(dá)波束照射在B與C、D與E之間區(qū)域的時候，雷達(dá)波束均照射到了地面，所以雷達(dá)接收機會接收到強度很大的地物回波；當(dāng)雷達(dá)波束主體照射在C與D之間區(qū)域時，回波中會同時存在氣象回波和地物回波，但是由于地物回波與氣象回波不在同一距離上，因而在雷達(dá)顯示器的距離維上可以將地雜波與氣象回波區(qū)分開來。

圖1 機載氣象雷達(dá)地雜波和云層分布示意圖

2.1.1 不存在地雜波干擾區(qū)域

當(dāng)雷達(dá)照射遠(yuǎn)處云體目標(biāo)時，由于地球的彎曲，因而在某些特定的情況下，雷達(dá)波束將不會照射到地面上。此時雷達(dá)顯示器上顯示的回波都是氣象回波，不存在地雜波的干擾。

下面對不存在地雜波干擾的范圍進(jìn)行具體計算。圖2為不存在地雜波干擾范圍的示意圖。圖中陰影部分就是波束不接觸地面區(qū)域，也就是不存在地雜波干擾的區(qū)域。這一區(qū)域可以描述為：雷達(dá)波束俯仰角小于某一特定角度時雷達(dá)波束所照射區(qū)域，從圖中可以看出這一特定角度為雷達(dá)波束下沿與地球球面相切時所對應(yīng)的雷達(dá)俯仰角。圖2中所有符號的具體意義：R為地球半徑、？茲b為波束主瓣寬度、H為飛機飛行高度、？琢氣象雷達(dá)俯仰角、？琢0波束下沿切地面時氣象雷達(dá)俯仰角、R0波束探測距離、Rtouch波束下沿切地面時雷達(dá)與切點的距離。本文中后續(xù)圖中相同符號代表意義相同。

圖2 不存在地雜波干擾范圍的示意圖

根據(jù)余弦定理，可以求出：

根據(jù)勾股定理，可以求出：

由式2.1和式2.2可知不存在地雜波干擾的區(qū)域與波束俯仰角、氣象達(dá)載機飛行高度的關(guān)系。

根據(jù)matlab的仿真結(jié)果，表1給出了？琢0及Rtouch在1500m高度之內(nèi)每升高50m對應(yīng)值。

表1 ？琢0及Rtouch在1500m高度之內(nèi)每升高50m對應(yīng)值

由上面的推導(dǎo)關(guān)系，我們可以得到以下結(jié)論：當(dāng)探測距離R>Rtouch，俯仰角？琢<？琢0時，雷達(dá)回波全部為氣象目標(biāo)回波，不存在地雜波干擾。

2.1.2 氣象回波和地物回波不在同一距離單元的區(qū)域

當(dāng)雷達(dá)照射近處云體目標(biāo)的時候，由于氣象目標(biāo)（如云層、雷暴等）距離地面有一定的高度，會導(dǎo)致氣象回波和地物回波不在同一距離單元內(nèi)，從而在距離維上面可以將氣象回波和地物回波區(qū)分開來。

這種情況下，要考慮到兩種因素：一是一定區(qū)域處云體的主體被照射到時的俯仰角范圍；二是一定距離處無地雜波干擾時的俯仰角范圍。

2.1.2.1 一定區(qū)域處云體的主體被照射到時的俯仰角范圍

由于云層是體目標(biāo)，所以選取某一俯仰角角度范圍時都可以照射到云層的主體。圖3為氣象雷達(dá)探測飛機水平距離為弧長L處云層的示意圖。由于云體上部為冰晶體，反射率小，所以假設(shè)云的主體只是由水滴組成的部分。從波束主體照射到云體頂部開始，到波束主體照射到云體底部為止，這部分區(qū)域是云體主體被照射到的情形。

圖3 氣象雷達(dá)探測飛機水平距離為弧長L處云層的示意圖

圖3中所有符號的具體意義：α1波束主體照射到L處云體頂部時雷達(dá)的俯仰角、α2波束主體照射到L處云體底部時雷達(dá)的俯仰角、D1雷達(dá)距離云體頂部的斜距、D2雷達(dá)距離云體底部的斜距、C1云體頂部到飛機與地面鉛垂線的距離、C2云體底部到飛機與地面鉛垂線的距離、h云體高度、l云體底部距離地面的高度。endprint

下面對云體主體被機載氣象雷達(dá)照射到時雷達(dá)俯仰角的變化的分析計算。

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到以下式子：

（式2.3）

（式2.4）

將式2.3和式2.5帶入到式2.7中，得到

（式2.9）

同理，將式2.4和式2.6帶入到式2.8中，得到

（式2.10）

其中當(dāng)雷達(dá)俯仰角為α1時，波束主體剛好能夠照射到L處云體的頂部；當(dāng)雷達(dá)俯仰角為α2時，波束主體剛好能夠照射到L處云體的底部。通過上面分析我們可以得到以下結(jié)論：

在照射L處云體時，選取？琢1<？琢<？琢2，可以保證云體的主體部分能夠被照射到。

2.1.2.2 一定距離處無地雜波干擾時的俯仰角范圍

地雜波的產(chǎn)生是因為機載氣象雷達(dá)下視時，波束接觸到地面而產(chǎn)生的。因而，當(dāng)選取某些復(fù)合特定條件的俯仰角的時候可以保證機載氣象雷達(dá)波束在某一個距離上面不接觸地面，從而使得氣象雷達(dá)顯示器上該距離對應(yīng)位置處不存在地雜波干擾。

圖4為氣象雷達(dá)波束在距飛機水平距離為弧長L處剛剛接觸到地面上的示意圖。

圖4 氣象雷達(dá)波束在距飛機水平距離為弧長L處

圖4中所有符號的具體意義：C3接觸點到飛機與地面鉛垂線的距離、D3雷達(dá)距離接觸點的斜距。

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到以下式子：

將式2.11和式2.12帶入到式2.13中，得到

如果選擇機載氣象雷達(dá)俯仰角？琢<？琢3，就可以保證L處不存在地雜波干擾。

通過上面的分析，可以得出以下結(jié)論：

如果雷達(dá)波束俯仰角？琢同時滿足以下兩個條件：？琢1<？琢<？琢2且？琢<？琢3時，即可通過調(diào)整波束俯仰角度，使得氣象回波和地雜波不在同一距離單元內(nèi)，從而可以在距離維上對其加以區(qū)分。

2.2 氣象目標(biāo)與地物目標(biāo)隨俯仰角變化規(guī)律

通過前面的仿真和分析，我們知道對于不同的俯仰角，方位進(jìn)行掃描時，由于雷達(dá)波束的照射范圍不同，相同距離單元地雜波的回波范圍也不相同，在地雜波范圍之外的回波就是氣象回波。相同俯仰角，方位進(jìn)行掃描，地雜波會隨著俯仰角的變化在不同距離范圍上出現(xiàn)，通過仿真圖像可以觀測地雜波和氣象回波回波范圍的變化。通過改變飛機高度和俯仰角對同一距離范圍內(nèi)的目標(biāo)成像，然后通過對比消除達(dá)到濾除地雜波的目的。

3 利用多掃描對消方法進(jìn)行地雜波抑制

目前國內(nèi)外地物雜波抑制方法有很多種，比較常見的有相減方式抑制地雜波；多普勒頻率方式抑制地雜波；多角度掃描方式抑制地雜波等。本文介紹的多掃描對比消除地雜波抑制方法，通過判斷飛機當(dāng)前實時高度自動的調(diào)整天線角度，自動的進(jìn)行雜波抑制。其方法是：首先獲取一組機載氣象雷達(dá)原始數(shù)據(jù)并計算掃描波束與地面相切的角度，調(diào)整天線俯仰角度并計算云層與飛機的水平距離，計算天線俯仰角度范圍并均分，得到角度單元，然后對數(shù)據(jù)初始化后調(diào)整天線俯仰角度得到新的回波數(shù)據(jù)并進(jìn)行位置補償，將補償結(jié)果與原始數(shù)據(jù)對比，計算原始回波中每一個回波數(shù)據(jù)的置信值，調(diào)整俯仰角度并對置信度累加，根據(jù)累加結(jié)果識別地雜波并消除，通過多次掃描和回波過濾，將不同距離單元上出現(xiàn)的氣象回波擬合成一幅沒有地雜波的氣象信息回波圖像進(jìn)行顯示，實現(xiàn)自動抑制地雜波功能。

4 結(jié)論

本文公開了一種機載氣象雷達(dá)基于多掃描對消的地雜波抑制方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)抑制地雜波存在的問題。本方法能有效抑制氣象回波中的地雜波，減輕飛行員的操作負(fù)擔(dān)，保證飛行安全，已用于某機載氣象雷達(dá)。

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作者簡介：郭虎（1981-），男，陜西漢中，本科學(xué)歷，陜西長嶺電子科技公司工程師。endprint