机载气象雷达地杂波抑制方法研究

摘 要：本文介绍一种机载气象雷达地杂波抑制方法。

关键词：地杂波；机载气象雷达；多扫描对消；波束主瓣宽度；波束下沿切地面；地杂波抑制

1 研究背景及意义

机载气象雷达是对飞机前方的气象情况进行探测和预警，以便飞机能够及时的发现危险天气，选择安全的航路，保证机上人员的安全。近年来，地杂波抑制技术是机载气象雷达系统中的一个研究热点，无论在军事上还是在民用中都具有非常重要的意义。

当机载气象雷达在低空或下视时，除了接收到气象目标的回波信号之外，雷达波束的旁瓣甚至主瓣会触及地面，会被山丘及建筑物等阻挡。在这种情况下，雷达将会接收到这些地物的反射信号，形成地物回波。相对于气象目标的回波信号而言，这些都属于干扰杂波。当气象目标与地物不在同一个脉冲体积中时，两种回波不可能同时被雷达接收；因此，在雷达显示器荧光屏上能区分两种回波。但当气象目标与地物同处于一个脉冲体积中时，由于地杂波强度大，多普勒频谱寬，会“淹没” 降水回波，给定量测定降水强度造成误差。因此，为了提高气象雷达的探测性能，必须设法抑制地物杂波。

2 地杂波抑制原理

地杂波通常是指由地形、地物等产生的雷达不希望接收到的回波。根据实际情况，对地杂波存在区域进行具体分析，将地杂波根据其特性分为三个区域：近距离区域、中距离区域及远距离区域；本文着重从近距离区域进行具体的分析。

当雷达照射远处云体目标时，由于地球的弯曲，在某些特定情况下，波束将不会接触地面，此时，雷达回波全部为气象回波，不存在地杂波干扰。在中距离区域及远距离区域，气象目标与地物不在同一个脉冲体积中时，两种回波不可能同时被雷达接收。因此，在雷达显示器荧光屏上能区分两种回波。在近距离区域，当气象目标与地物同处于一个脉冲体积中时，由于地杂波强度大，多普勒频谱宽，会“淹没”气象回波，给定量测定降水强度造成误差。因此，为了提高气象雷达的探测性能，必须设法抑制地物杂波。

2.1 机载气象雷达云层和地杂波分布情况分析

机载气象雷达在空中对气象目标进行探测，当俯仰角比较大的时候，雷达波束必然会照射到地面。由于机载气象雷达作用距离相对于地球来说，地球曲率的影响已经不能忽略，所以绘制机载气象雷达地杂波和云层分布示意图，如图1所示。其中射线A与地面没有交集，射线B与地面相切，射线C、D、E均照射到地面上。从图1我们可以直观的看出，当雷达波束下沿照射在A与B之间区域时，雷达波束不会照射到地面上，雷达接收机不会接收到地物回波，因而在该区域内不会存在地杂波干扰；当雷达波束照射在B与C、D与E之间区域的时候，雷达波束均照射到了地面，所以雷达接收机会接收到强度很大的地物回波；当雷达波束主体照射在C与D之间区域时，回波中会同时存在气象回波和地物回波，但是由于地物回波与气象回波不在同一距离上，因而在雷达显示器的距离维上可以将地杂波与气象回波区分开来。

图1 机载气象雷达地杂波和云层分布示意图

2.1.1 不存在地杂波干扰区域

当雷达照射远处云体目标时，由于地球的弯曲，因而在某些特定的情况下，雷达波束将不会照射到地面上。此时雷达显示器上显示的回波都是气象回波，不存在地杂波的干扰。

下面对不存在地杂波干扰的范围进行具体计算。图2为不存在地杂波干扰范围的示意图。图中阴影部分就是波束不接触地面区域，也就是不存在地杂波干扰的区域。这一区域可以描述为：雷达波束俯仰角小于某一特定角度时雷达波束所照射区域，从图中可以看出这一特定角度为雷达波束下沿与地球球面相切时所对应的雷达俯仰角。图2中所有符号的具体意义：R为地球半径、？兹b为波束主瓣宽度、H为飞机飞行高度、？琢气象雷达俯仰角、？琢0波束下沿切地面时气象雷达俯仰角、R0波束探测距离、Rtouch波束下沿切地面时雷达与切点的距离。本文中后续图中相同符号代表意义相同。

图2 不存在地杂波干扰范围的示意图

根据余弦定理，可以求出：

根据勾股定理，可以求出：

由式2.1和式2.2可知不存在地杂波干扰的区域与波束俯仰角、气象达载机飞行高度的关系。

根据matlab的仿真结果，表1给出了？琢0及Rtouch在1500m高度之内每升高50m对应值。

表1 ？琢0及Rtouch在1500m高度之内每升高50m对应值

由上面的推导关系，我们可以得到以下结论：当探测距离R>Rtouch，俯仰角？琢<？琢0时，雷达回波全部为气象目标回波，不存在地杂波干扰。

2.1.2 气象回波和地物回波不在同一距离单元的区域

当雷达照射近处云体目标的时候，由于气象目标（如云层、雷暴等）距离地面有一定的高度，会导致气象回波和地物回波不在同一距离单元内，从而在距离维上面可以将气象回波和地物回波区分开来。

这种情况下，要考虑到两种因素：一是一定区域处云体的主体被照射到时的俯仰角范围；二是一定距离处无地杂波干扰时的俯仰角范围。

2.1.2.1 一定区域处云体的主体被照射到时的俯仰角范围

由于云层是体目标，所以选取某一俯仰角角度范围时都可以照射到云层的主体。图3为气象雷达探测飞机水平距离为弧长L处云层的示意图。由于云体上部为冰晶体，反射率小，所以假设云的主体只是由水滴组成的部分。从波束主体照射到云体顶部开始，到波束主体照射到云体底部为止，这部分区域是云体主体被照射到的情形。

图3 气象雷达探测飞机水平距离为弧长L处云层的示意图

图3中所有符号的具体意义：α1波束主体照射到L处云体顶部时雷达的俯仰角、α2波束主体照射到L处云体底部时雷达的俯仰角、D1雷达距离云体顶部的斜距、D2雷达距离云体底部的斜距、C1云体顶部到飞机与地面铅垂线的距离、C2云体底部到飞机与地面铅垂线的距离、h云体高度、l云体底部距离地面的高度。endprint

下面对云体主体被机载气象雷达照射到时雷达俯仰角的变化的分析计算。

根据几何关系，可以得到以下式子：

（式2.3）

（式2.4）

将式2.3和式2.5带入到式2.7中，得到

（式2.9）

同理，将式2.4和式2.6带入到式2.8中，得到

（式2.10）

其中当雷达俯仰角为α1时，波束主体刚好能够照射到L处云体的顶部；当雷达俯仰角为α2时，波束主体刚好能够照射到L处云体的底部。通过上面分析我们可以得到以下结论：

在照射L处云体时，选取？琢1<？琢<？琢2，可以保证云體的主体部分能够被照射到。

2.1.2.2 一定距离处无地杂波干扰时的俯仰角范围

地杂波的产生是因为机载气象雷达下视时，波束接触到地面而产生的。因而，当选取某些复合特定条件的俯仰角的时候可以保证机载气象雷达波束在某一个距离上面不接触地面，从而使得气象雷达显示器上该距离对应位置处不存在地杂波干扰。

图4为气象雷达波束在距飞机水平距离为弧长L处刚刚接触到地面上的示意图。

图4 气象雷达波束在距飞机水平距离为弧长L处

图4中所有符号的具体意义：C3接触点到飞机与地面铅垂线的距离、D3雷达距离接触点的斜距。

根据几何关系，可以得到以下式子：

将式2.11和式2.12带入到式2.13中，得到

如果选择机载气象雷达俯仰角？琢<？琢3，就可以保证L处不存在地杂波干扰。

通过上面的分析，可以得出以下结论：

如果雷达波束俯仰角？琢同时满足以下两个条件：？琢1<？琢<？琢2且？琢<？琢3时，即可通过调整波束俯仰角度，使得气象回波和地杂波不在同一距离单元内，从而可以在距离维上对其加以区分。

2.2 气象目标与地物目标随俯仰角变化规律

通过前面的仿真和分析，我们知道对于不同的俯仰角，方位进行扫描时，由于雷达波束的照射范围不同，相同距离单元地杂波的回波范围也不相同，在地杂波范围之外的回波就是气象回波。相同俯仰角，方位进行扫描，地杂波会随着俯仰角的变化在不同距离范围上出现，通过仿真图像可以观测地杂波和气象回波回波范围的变化。通过改变飞机高度和俯仰角对同一距离范围内的目标成像，然后通过对比消除达到滤除地杂波的目的。

3 利用多扫描对消方法进行地杂波抑制

目前国内外地物杂波抑制方法有很多种，比较常见的有相减方式抑制地杂波；多普勒频率方式抑制地杂波；多角度扫描方式抑制地杂波等。本文介绍的多扫描对比消除地杂波抑制方法，通过判断飞机当前实时高度自动的调整天线角度，自动的进行杂波抑制。其方法是：首先获取一组机载气象雷达原始数据并计算扫描波束与地面相切的角度，调整天线俯仰角度并计算云层与飞机的水平距离，计算天线俯仰角度范围并均分，得到角度单元，然后对数据初始化后调整天线俯仰角度得到新的回波数据并进行位置补偿，将补偿结果与原始数据对比，计算原始回波中每一个回波数据的置信值，调整俯仰角度并对置信度累加，根据累加结果识别地杂波并消除，通过多次扫描和回波过滤，将不同距离单元上出现的气象回波拟合成一幅没有地杂波的气象信息回波图像进行显示，实现自动抑制地杂波功能。

4 结论

本文公开了一种机载气象雷达基于多扫描对消的地杂波抑制方法，主要解决现有技术抑制地杂波存在的问题。本方法能有效抑制气象回波中的地杂波，减轻飞行员的操作负担，保证飞行安全，已用于某机载气象雷达。

参考文献

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[2]Merrill I SKolnik.雷达手册[M].北京：电子工业出版社.

[3]王洁.机载雷达杂波抑制技术的研究[M].北京：电子科技大学.

[4]段华军.机载气象雷达回波信号模拟与地杂波抑制方法研究[D].南京航空航天大学.

作者简介：郭虎（1981-），男，陕西汉中，本科学历，陕西长岭电子科技公司工程师。endprint