海杂波背景下基于MBMC的低空风切变风速估计方法
发布时间：2021-02-28 12:31
当机载气象雷达在海杂波背景下探测低空风切变时,海杂波信号会覆盖低空风切变信号,造成风速无法准确估计。针对上述问题,提出了一种在海杂波背景下基于多波束多级联（multi-beam multi-cascade,MBMC）的低空风切变风速估计方法。该方法首先利用空时插值算法矫正机载前视阵海杂波的距离依赖性,然后对空间多波束联合时域三次滑窗后的输出再级联多普勒滤波器,构造得到降维变换矩阵,执行空、时域联合自适应处理,最后通过构造代价函数估计得到风场速度。仿真结果表明,在海杂波背景下本文方法可以实现风场速度的准确估计,且具有较好的稳健性。
【文章来源】：系统工程与电子技术. 2020,42(11)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图６不同海面风速下的空时二维谱比较Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐｅｃｔｒｕｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ
·２４８６·系统工程与电子技术第４２卷??????????????????????????????????????????????????图６不同海面风速下的空时二维谱比较Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐｅｃｔｒｕｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ图７展示了在风速分别为２ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、８ｍ／ｓ海面下的低空风切变风速估计结果对比，当海面风速增加，本文方法依然可以获得较为准确的风速估计结果，具有较好的稳健性。图７不同海面风速下估计结果对比Ｆｉｇ．７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｓｔｉｍａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ表２给出了不同海面风速下的低空风切变风速估计均方根误差计算结果，从表中可以得到在不同海面风速下，本文所提方法可以得到较为准确的风速估计结果，具有较好的稳健性。表２不同海面风速下的风速估计结果均方根误差Ｔａｂｌｅ２Ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｒｒｏｒｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ不同海面风速／（ｍ／ｓ）均方根误差／（ｍ／ｓ）２１．４７５１．６８８２．７３５结束语机载气象雷达在海面环境下探测低空风切变时，由于海面存在内部运动速度，造成杂波谱展宽，进而引起低空风切变风速估计不准确，鉴于此，本文提出一种基于ＭＢＭＣ的低空风切变风速估计方法，通过构建降维变换矩阵，
于基于多波束多级联（ｍｕｌｔｉ－ｂｅａｍｍｕｌｔｉ－ｃａｓｃａｄｅ，ＭＢＭＣ）的低空风切变风速估计方法，此方法首先对机载前视阵回波数进行空时插值距离依赖性矫正，然后对空域主波束及其相邻多波束联合其时域三次滑窗的输出数据级联多普勒滤波器，构建空时降维变换矩阵，进行空时联合自适应处理，最后通过构造代价函数估计得到风场速度。仿真结果表明：当处于海杂波背景下时，本文方法可以准确的估计得到风场速度，且具有较好的稳健性。１机载前视阵雷达信号模型图１为海杂波背景下机载前视阵气象雷达下视探测低空风切变几何结构模型，其中Ｈ代表飞机高度，Ｖ代表飞机速度，天线阵列垂直于飞行方向，由Ｎ个等效阵元构成均匀线阵，相邻阵元间距ｄ＝λ／２，λ为雷达波长，海面散射单元相对于载机的俯仰角和方位角分别是φ和θ，φ０和θ０分别是低空风切变信号的俯仰角和水平方位角，假设一个相干处理间隔（ｃｏｈｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｔｅｒｖａｌ，ＣＰＩ）内时域采样数为Ｋ，脉冲重复频率为ｆｒ，那么第ｌ个距离单元内的回波数据可表示为Ｘｌ＝Ｃｌ＋Ｓｌ＋Ｎ（１）式中，Ｃｌ代表第ｌ个距离单元内海杂波回波数据；Ｓｌ代表第ｌ个距离单元内低空风切变回波数据；Ｎ为加性高斯白噪声。图１机载平台探测风切变结构示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗｉｎｄｓｈｅａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｎａｉｒｂｏｒｎｅｐｌａｔｆｏｒｍ１．１海杂波第ｌ个距离门内第ｎ个脉冲第ｋ个阵元所接收的海杂
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进最速下降LCMV算法的稳健波束形成[J]. 冯晓宇,谢军伟,张晶,王博. 传感器与微系统. 2018(04)
[2]基于多通道联合自适应处理的微下击暴流中心风速估计方法[J]. 李海,周盟,陈筱浅,吴仁彪. 电子与信息学报. 2017(07)
[3]基于空时自适应处理的低空风切变风速估计方法[J]. 吴仁彪,张彪,李海,卢晓光,韩雁飞. 电子与信息学报. 2015(03)
[4]机载前视风切变检测气象雷达的研究进展[J]. 吴仁彪,卢晓光,李海,韩雁飞. 数据采集与处理. 2014(04)
[5]时空相关K分布海杂波的建模与仿真[J]. 徐湛,苏芳,万建伟,成礼智. 系统仿真学报. 2011(05)
[6]基于空时插值的机载雷达杂波距离依赖性补偿方法[J]. 岳兵,李明,廖桂生. 系统工程与电子技术. 2010(08)
[7]基于Prony模型的低空风切变快速检测算法[J]. 白健,李勇,高霞,李滔,程宇峰. 计算机测量与控制. 2009(10)
[8]低空风切变与飞行安全[J]. 梁爱民,陈露. 中国民用航空. 2009(09)
[9]多波束时域滑窗空时自适应方法及其性能分析[J]. 陈建文,皇甫堪,周良柱,王永良. 国防科技大学学报. 1999(04)
博士论文
[1]分布式信号源参数估计技术研究[D]. 姚晖.解放军信息工程大学 2013
[2]非均匀杂波环境下机载雷达STAP方法研究[D]. 姜晖.西安电子科技大学 2010
本文编号：3055855
【文章来源】：系统工程与电子技术. 2020,42(11)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图６不同海面风速下的空时二维谱比较Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐｅｃｔｒｕｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ
·２４８６·系统工程与电子技术第４２卷??????????????????????????????????????????????????图６不同海面风速下的空时二维谱比较Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐｅｃｔｒｕｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ图７展示了在风速分别为２ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、８ｍ／ｓ海面下的低空风切变风速估计结果对比，当海面风速增加，本文方法依然可以获得较为准确的风速估计结果，具有较好的稳健性。图７不同海面风速下估计结果对比Ｆｉｇ．７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｓｔｉｍａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ表２给出了不同海面风速下的低空风切变风速估计均方根误差计算结果，从表中可以得到在不同海面风速下，本文所提方法可以得到较为准确的风速估计结果，具有较好的稳健性。表２不同海面风速下的风速估计结果均方根误差Ｔａｂｌｅ２Ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｒｒｏｒｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓ不同海面风速／（ｍ／ｓ）均方根误差／（ｍ／ｓ）２１．４７５１．６８８２．７３５结束语机载气象雷达在海面环境下探测低空风切变时，由于海面存在内部运动速度，造成杂波谱展宽，进而引起低空风切变风速估计不准确，鉴于此，本文提出一种基于ＭＢＭＣ的低空风切变风速估计方法，通过构建降维变换矩阵，
于基于多波束多级联（ｍｕｌｔｉ－ｂｅａｍｍｕｌｔｉ－ｃａｓｃａｄｅ，ＭＢＭＣ）的低空风切变风速估计方法，此方法首先对机载前视阵回波数进行空时插值距离依赖性矫正，然后对空域主波束及其相邻多波束联合其时域三次滑窗的输出数据级联多普勒滤波器，构建空时降维变换矩阵，进行空时联合自适应处理，最后通过构造代价函数估计得到风场速度。仿真结果表明：当处于海杂波背景下时，本文方法可以准确的估计得到风场速度，且具有较好的稳健性。１机载前视阵雷达信号模型图１为海杂波背景下机载前视阵气象雷达下视探测低空风切变几何结构模型，其中Ｈ代表飞机高度，Ｖ代表飞机速度，天线阵列垂直于飞行方向，由Ｎ个等效阵元构成均匀线阵，相邻阵元间距ｄ＝λ／２，λ为雷达波长，海面散射单元相对于载机的俯仰角和方位角分别是φ和θ，φ０和θ０分别是低空风切变信号的俯仰角和水平方位角，假设一个相干处理间隔（ｃｏｈｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｔｅｒｖａｌ，ＣＰＩ）内时域采样数为Ｋ，脉冲重复频率为ｆｒ，那么第ｌ个距离单元内的回波数据可表示为Ｘｌ＝Ｃｌ＋Ｓｌ＋Ｎ（１）式中，Ｃｌ代表第ｌ个距离单元内海杂波回波数据；Ｓｌ代表第ｌ个距离单元内低空风切变回波数据；Ｎ为加性高斯白噪声。图１机载平台探测风切变结构示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗｉｎｄｓｈｅａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｎａｉｒｂｏｒｎｅｐｌａｔｆｏｒｍ１．１海杂波第ｌ个距离门内第ｎ个脉冲第ｋ个阵元所接收的海杂
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进最速下降LCMV算法的稳健波束形成[J]. 冯晓宇,谢军伟,张晶,王博. 传感器与微系统. 2018(04)
[2]基于多通道联合自适应处理的微下击暴流中心风速估计方法[J]. 李海,周盟,陈筱浅,吴仁彪. 电子与信息学报. 2017(07)
[3]基于空时自适应处理的低空风切变风速估计方法[J]. 吴仁彪,张彪,李海,卢晓光,韩雁飞. 电子与信息学报. 2015(03)
[4]机载前视风切变检测气象雷达的研究进展[J]. 吴仁彪,卢晓光,李海,韩雁飞. 数据采集与处理. 2014(04)
[5]时空相关K分布海杂波的建模与仿真[J]. 徐湛,苏芳,万建伟,成礼智. 系统仿真学报. 2011(05)
[6]基于空时插值的机载雷达杂波距离依赖性补偿方法[J]. 岳兵,李明,廖桂生. 系统工程与电子技术. 2010(08)
[7]基于Prony模型的低空风切变快速检测算法[J]. 白健,李勇,高霞,李滔,程宇峰. 计算机测量与控制. 2009(10)
[8]低空风切变与飞行安全[J]. 梁爱民,陈露. 中国民用航空. 2009(09)
[9]多波束时域滑窗空时自适应方法及其性能分析[J]. 陈建文,皇甫堪,周良柱,王永良. 国防科技大学学报. 1999(04)
博士论文
[1]分布式信号源参数估计技术研究[D]. 姚晖.解放军信息工程大学 2013
[2]非均匀杂波环境下机载雷达STAP方法研究[D]. 姜晖.西安电子科技大学 2010
本文编号：3055855
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