机载气象雷达的气象与地杂波的鉴别方法与流程

1.本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种机载气象雷达的气象与地杂波的鉴别方法。


背景技术：

2.与地形相关、分布范围广且强度大的地杂波是影响机载气象雷达探测性能的重要因素，也是机载气象雷达亟待解决和正在解决的关键问题。机载气象雷达在使用过程中，由于波束指向较低、地形条件等多种原因的影响，使地杂波成片出现在雷达显示器上，给飞行员辨认目标类别带来严重干扰。因此，地杂波抑制性能的好坏直接影响到飞行员的观测、判断与飞行安全，提升地杂波抑制性能对机载气象雷达具有及其重要的作用。
3.在现有公开的机载气象雷达地杂波抑制的相关资料上，早期是雷达操作人员通过手动调节天线俯仰角，观测雷达回波的变化情况来区分地杂波和气象目标。但这种方法增加了飞行员的负担，且依赖雷达操作人员的经验；随着多扫描技术的发展，能够实现平坦地形条件下的全程的无杂波显示。但多扫描技术在高原、山区等地形高度差异较大的区域使用时，会存在地杂波抑制不完全的问题，尤其是气象目标与地杂波混叠时情况更为复杂，无法获取准确的气象信息，难以满足使用需求。且由于地杂波与气象都属于分布式目标，在现有机载气象雷达体制的基础上无法利用目标回波特性来实现地杂波与气象目标的区别，且载机飞行过程中地杂波回波多普勒谱宽和气象回波的谱宽类似，频域多普勒滤波的同时会大大削弱气象目标的回波功率，导致目标显示错误。因此，急需研究一种能够适应各种复杂地形环境和气象环境的地杂波抑制技术，提升现有机载气象雷达地杂波抑制能力的鲁棒性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本说明书实施例提供一种机载气象雷达的气象与地杂波的鉴别方法，以达到实现气象回波和地杂波的鉴别。
5.本说明书实施例提供以下技术方案：一种机载气象雷达的气象与地杂波的鉴别方法，包括以下步骤：步骤一、地形高度信息提取，从地形高度数据库中提取当前雷达扫描方位对应的地形高度信息；步骤二、杂波区划分，根据地形高度信息计算各个地形点采样时相对于雷达的俯仰角度，根据俯仰角度进行杂波区划分；步骤三、回波高度估计，对杂波区进行回波高度估计；步骤四、气象回波与地杂波鉴别，利用高度分布特征进行气象回波与地杂波的鉴别，并提取混叠在地杂波中的气象回波目标。
6.进一步地，步骤一具体为：地形高度信息为其中，h
gnr
表示第nr(nr＝1,2,...,nr)个距离门对应的地形高度。
7.进一步地，步骤二包括：步骤2.1、通过
计算各个地形点采样时相对于雷达的俯仰角度，其中，表示第nr(nr＝1,2,...,nr)个距离门的地形点采样时相对于雷达的俯仰角度；h
plane
为载机飞行高度；r
detect
为各距离门相应的斜距；re为地球曲率；步骤2.2、通过对采样时波束覆盖范围内的地形情况和遮挡现象进行分析计算，判断出杂波区和非杂波区并进行标记。
8.进一步地，步骤2.2包括：定义一个长度与距离采样点数一致标记数组，标记数组初始化为flag(1:nr)＝0；找出满足和条件对应的最近距离门，并分别记为n
min
和n
max
，并通过公式flag(1:n
min-1 n
max
1:nr)＝1对非杂波区距离门进行标记；在波束搭地范围[n
min
:n
max
]内判断地形遮挡区并标记，当地形遮挡区无回波，则认为该区域为非杂波区，当地形遮挡区有回波，则判定回波为气象回波，并通过公式flag(n
gate
)＝1对遮挡区距离门所在进行标记，其中，n
gate
为地形遮挡区对应距离门。
[0009]
进一步地，步骤三包括：步骤3.1、通过公式n
range
＝find(flag＝＝0)提取杂波区对应的距离门；步骤3.2、利用单脉冲和差测角的方法，估计杂波区各距离门回波角误差，并将回波角误差数据进行滤波处理，滤波处理后的回波角误差为其中步骤3.3、修正回波俯仰角，利用波束指向角和滤波处理后的回波角误差修正杂波区各距离门的回波角度其中步骤3.4、通过公式估计回波高度，
[0010]
其中，为杂波区各距离门回波高度，长度为1
×nrange
。
[0011]
进一步地，步骤四包括：步骤4.1、设置随地形起伏的高度阈值h
threshold
，其中h
threshold
＝h
groud
h0，h0为工程化应用时的设计冗余值，与气象高度分布特性及雷达系统实际情况有关；步骤4.2、将回波高度与随地形起伏的高度阈值进行比较，并根据比较结果鉴别地杂波和气象回波。
[0012]
进一步地，步骤4.2具体为：对于第n(n∈n
range
)个距离门，若则鉴别为地杂波；对于第n(n∈n
range
)个距离门，若则鉴别为气象回波。
[0013]
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例引入地形高程数据库和气象目标特性数据库，根据载机飞行参数、探测参数等实时获取雷达探测场景下的地形信息，精确划分杂波区和非杂波区，并针对杂波区可能混叠气象回波的现象，利用单脉冲测角技术估计回波高度并利用气象和地形高度分布差异实现气象回波和地杂波的鉴别，提高地杂波抑制性能。
附图说明
[0014]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0015]
图1是本发明机载气象探测示意图；
[0016]
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
[0017]
下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
[0018]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0019]
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种机载气象雷达的气象与地杂波的鉴别方法，包括以下步骤：
[0020]
步骤一、地形高度信息提取，从地形高度数据库中提取当前雷达扫描方位对应的地形高度信息；
[0021]
步骤二、杂波区划分，根据地形高度信息计算各个地形点采样时相对于雷达的俯仰角度，根据俯仰角度进行杂波区划分；
[0022]
步骤三、回波高度估计，对杂波区进行回波高度估计；
[0023]
步骤四、气象回波与地杂波鉴别，利用高度分布特征进行气象回波与地杂波的鉴别，并提取混叠在地杂波中的气象回波目标。
[0024]
本发明实施例引入地形高程数据库和气象目标特性数据库，根据载机飞行参数、探测参数等实时获取雷达探测场景下的地形信息，精确划分杂波区和非杂波区，并针对杂波区可能混叠气象回波的现象，利用单脉冲测角技术估计回波高度并利用气象和地形高度分布差异实现气象回波和地杂波的鉴别，提高地杂波抑制性能。
[0025]
本发明实施例中，机载雷达气象探测过程中，某一时刻接收到的和俯仰差通道的原始回波数据分别记为s
∑
(na,nr)、s
δ
(na,nr)，其中na(na＝1,2,...,na)表示该数据第na个脉冲，na为一帧脉冲数；nr(nr＝1,2,...,nr)表示第nr个距离门，nr为距离门采样点数；距离门分辨率记为δr；当前波束俯仰角为波束覆盖范围记为
[0026]
步骤一具体为：
[0027]
地形高度信息为其中表示第nr(nr＝1,2,...,nr)个距离门对应的地形高度。
[0028]
在步骤一之后需要根据当前雷达探测区域内的地形高度信息，通过反向计算各个地形点采样时相对于雷达的俯仰角度，根据不同距离上俯仰角关系进行杂波区和非杂波区划分。具体如下：
[0029]
步骤二包括：
[0030]
步骤2.1、通过计算各个地
形点采样时相对于雷达的俯仰角度，其中，表示第nr(nr＝1,2,...,nr)个距离门的地形点采样时相对于雷达的俯仰角度；h
plane
为载机飞行高度；r
detect
为各距离门相应的斜距；re为地球曲率；
[0031]
步骤2.2、通过对采样时波束覆盖范围内的地形情况和遮挡现象进行分析计算，判断出杂波区和非杂波区并进行标记。
[0032]
具体地，步骤2.2包括：
[0033]
定义一个长度与距离采样点数一致标记数组，标记数组初始化为flag(1:nr)＝0；
[0034]
找出满足和条件对应的最近距离门，并分别记为n
min
和n
max
，并通过公式flag(1:n
min-1 n
max
1:nr)＝1对非杂波区距离门进行标记；波束搭地范围外认为是非杂波区，该区域仅存在气象回波，不做鉴别处理。
[0035]
在波束搭地范围[n
min
:n
max
]内判断地形遮挡区并标记，当波束探测时较高地形会对波束形成遮挡，遮挡区域无地面回波，则认为该区域为非杂波区，当地形遮挡区有回波，则判定回波为气象回波，并通过公式flag(n
gate
)＝1对遮挡区距离门所在进行标记，其中，n
gate
为地形遮挡区对应距离门。
[0036]
进一步地，步骤三包括：
[0037]
步骤3.1、通过公式n
range
＝find(flag＝＝0)提取杂波区对应的距离门；
[0038]
步骤3.2、利用单脉冲和差测角的方法，估计杂波区各距离门回波角误差，并将回波角误差数据进行滤波处理，滤波处理后的回波角误差为其中
[0039]
步骤3.3、修正回波俯仰角，利用波束指向角和滤波处理后的回波角误差修正杂波区各距离门的回波角度，其中
[0040]
步骤3.4、通过公式估计回波高度，
[0041]
其中，为杂波区各距离门回波高度，长度为1
×nrange
。
[0042]
优选地，步骤四包括：
[0043]
步骤4.1、设置随地形起伏的高度阈值h
threshold
，其中h
threshold
＝h
groud
h0，h0为工程化应用时的设计冗余值，与气象高度分布特性及雷达系统实际情况有关；
[0044]
步骤4.2、将回波高度与随地形起伏的高度阈值进行比较，并根据比较结果鉴别地杂波和气象回波。
[0045]
由于雷达波束宽度和探测场景的影响，波束采样体积内存在同一距离即有气象目标又有地杂波的情况，不同类型的目标其回波对应高度有所差异，因此利用高度分布特征可以实现气象回波和地杂波的鉴别，提取混叠在地杂波中的气象目标。
[0046]
进一步地，步骤4.2具体为：
[0047]
对于第n(n∈n
range
)个距离门，若则鉴别为地杂波；
[0048]
对于第n(n∈n
range
)个距离门，若则鉴别为气象回波。
[0049]
到此完成气象回波和地杂波的鉴别，在此基础上可实现精细化的地杂波抑制。
[0050]
本发明提供了一种基于知识辅助的精细化气象/地杂波鉴别方法，利用地形高度、气象目标特性等先验知识，同时考虑到波束与地形之间的遮挡现象，精细化划分杂波区和非杂波区，并利用地形和气象目标的高度分布特性，实现杂波区的回波鉴别，提取混叠在地杂波中的气象回波。该方法能够提升地杂波鉴别的精细化程度，有效改善后期地杂波抑制性能，还能提取出混叠在地杂波中的气象信息，避免了对重要气象目标的漏检情况，提高机载雷达气象探测性能和显示的可信度。
[0051]
本发明方法能够提升飞机在不同地域飞行时的气象探测、地杂波抑制能力，同时本发明方法原理简单，易于工程实现，有效提升气象探测性能，可应用于军用和民用雷达领域，具有良好的市场应用前景。
[0052]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。