基于Capon的机载气象雷达回波谱矩估计

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1、第32卷第3期2014年6月中国民航大学学报JoURNALoFCIVILAVIATIONI"ⅡVERSITYoFCHINAV01．32No．3June2014基于Capon的机载气象雷达回波谱矩估计卢晓光(中国民航大学智能信号与图像处理天津市重点实验室，天津300300)摘要：机载气象雷达是飞机的“双眼“，对于保障飞行安全具有重大意义。机载气象雷达通过提取回波的功率、平均多普勒频率和谱宽等3个谱矩信息对气象目标实现检测。本研究利用回波的频谱服从高斯谱的特性建立了回波信号的协方差矩阵模型，推广了应用于线谱估计的Capon方法，提出了一种参数化的广义Capon谱矩估计方法。

2、实验结果表明．提出的参数化方法在信噪比较低的情况下仍有较好的估计性能。关键词：机载气象雷达；气象目标检测；回波谱矩；参数化估计方法中图分类号：TN974；V351．37文献标志码：A文章编号：1674—5590(2014)03—0027—04SpectralmomensestimationofairborneweatherradarbasedonCaponLUX讧lo一酗帆g(m把￡f谚Ⅲs劬以锄d‰q尹尸roc删i增Key￡曲铲nn巧执，倒∞，孔Ⅱ巧讯300300，∞iM)Abstract：Airbomeweatherradarisakeyequipmenttodet

3、ecttheturbulenceexistinginnightpathandisVeryimportantforaviationsafety．Theoperationofairbomeweatherradarismainlybasedontheestimationoffirstthreespectralmomensofradarechoes，includingpower，meanfkquencyandspectnlmwidth．Acovariancematrixmodeloftheradarechoesisdeducedf而mitsGaussianshapespectm

4、m．AndthentheCaponmethod，whichisusedinlinespectmmestimation，isemployedtoestimatethespectralmomens．Finally，MonteCarlosimulationsdemonstratetheproposedmethodhasagoodpeIfonnanceevenunderlowSNR．Keywords：airbomeweathermdar；weathertargetdetection；spectmlmomensestimation；parametricmethod天气与航空运输有

5、着密切的关系，是影响飞行安全的重要因素。暴雨、湍流和低空风切变是对飞行最大的危害天气，严重影响着飞行的安全性⋯。机载气象雷达是一种重要的航空电子设备，具有气象探测、湍流检测和风切变检测等功能，为航空运输的安全性提供了保障，是民航飞机的“双眼”。机载气象雷达对气象目标的检测是通过对气象目标反射的雷达回波进行一系列处理实现的。气象目标回波的3个谱矩与气象目标的类型密切相关，功率反映了降水强度，平均速度体现了目标和雷达间的相对径向速度，谱宽表征着气象目标内部的运动情况。机载气象雷达通过回波功率的大小判断飞行路径上降雨的强度，并以不同的颜色区分；通过计算平均速度随距离的变化率计

6、算风切变的危害因子，检测风切变的存在性；比较回波的谱宽与湍流的谱宽门限，给飞行员指示前方是否存在引起颠簸的湍流区域。因此，气象目标的检测本质上是气象雷达回波3个谱矩的估计，可对回波进行多普勒处理得到。目前在机载气象雷达系统中使用的方法是基于频域的计算方法嘲和脉冲对处理方法㈣，这两种方法计算简单且在高信噪比时眭能较好。但是，在低信噪比时性能较差【6】，因此目前的机载气象雷达无法检测晴空湍流【7】和干性风切变，此时需利用参数化的方法提高在低信噪比时的检测性能【8】。线谱估计方法中，大量超分辨率的估计方法正是利用了正弦信号的协方差矩阵的参数化模型【9]。气象目标回波是由大量的

7、散射粒子组成的，因此回波服从高斯谱分布，为研究气象雷达回波谱矩估计提供了参数化模型[10】。本文利用气象雷达回波服从高斯谱的特性，建立了回波信号的协方差矩阵模型，并推广线谱估计中的capon方法，提出了一种参数化的谱矩估计方法。最后，通过Montecarlo实验仿真分析了算法的性能。收稿日期：2013—04一10；修回日期：2013—05—24基金项目：国家自然科学基金项目(61071194)；中央高校基本科研业务费专项(zxH2012D006)作者简介：卢晓光(1983一)，男，山西忻州人，讲师，硕士，研究方向为机载气象雷达信号处理．一