摘 要：本文介紹一種機載氣象雷達地雜波抑制方法。

關(guān)鍵詞：地雜波；機載氣象雷達；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

機載氣象雷達是對飛機前方的氣象情況進行探測和預(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。

當機載氣象雷達在低空或下視時，除了接收到氣象目標的回波信號之外，雷達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。相對于氣象目標的回波信號而言，這些都屬于干擾雜波。當氣象目標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接收；因此，在雷達顯示器熒光屏上能區(qū)分兩種回波。但當氣象目標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)域及遠距離區(qū)域；本文著重從近距離區(qū)域進行具體的分析。

當雷達照射遠處云體目標時，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)域及遠距離區(qū)域，氣象目標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接收。因此，在雷達顯示器熒光屏上能區(qū)分兩種回波。在近距離區(qū)域，當氣象目標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，為了提高氣象雷達的探測性能，必須設(shè)法抑制地物雜波。

2.1 機載氣象雷達云層和地雜波分布情況分析

機載氣象雷達在空中對氣象目標進行探測，當俯仰角比較大的時候，雷達波束必然會照射到地面。由于機載氣象雷達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，當雷達波束下沿照射在A與B之間區(qū)域時，雷達波束不會照射到地面上，雷達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；當雷達波束照射在B與C、D與E之間區(qū)域的時候，雷達波束均照射到了地面，所以雷達接收機會接收到強度很大的地物回波；當雷達波束主體照射在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

當雷達照射遠處云體目標時，由于地球的彎曲，因而在某些特定的情況下，雷達波束將不會照射到地面上。此時雷達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：雷達波束俯仰角小于某一特定角度時雷達波束所照射區(qū)域，從圖中可以看出這一特定角度為雷達波束下沿與地球球面相切時所對應(yīng)的雷達俯仰角。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、？琢氣象雷達俯仰角、？琢0波束下沿切地面時氣象雷達俯仰角、R0波束探測距離、Rtouch波束下沿切地面時雷達與切點的距離。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：當探測距離R>Rtouch，俯仰角？琢<？琢0時，雷達回波全部為氣象目標回波，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

當雷達照射近處云體目標的時候，由于氣象目標（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，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處云體頂部時雷達的俯仰角、α2波束主體照射到L處云體底部時雷達的俯仰角、D1雷達距離云體頂部的斜距、D2雷達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照射到時雷達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）

其中當雷達俯仰角為α1時，波束主體剛好能夠照射到L處云體的頂部；當雷達俯仰角為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??？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下視時，波束接觸到地面而產(chǎn)生的。因而，當選取某些復(fù)合特定條件的俯仰角的時候可以保證機載氣象雷達波束在某一個距離上面不接觸地面，從而使得氣象雷達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 氣象目標與地物目標隨俯仰角變化規(guī)律

通過前面的仿真和分析，我們知道對于不同的俯仰角，方位進行掃描時，由于雷達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)的目標成像，然后通過對比消除達到濾除地雜波的目的。

3 利用多掃描對消方法進行地雜波抑制

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，通過判斷飛機當前實時高度自動的調(diào)整天線角度，自動的進行雜波抑制。其方法是：首先獲取一組機載氣象雷達原始數(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擔(dān)，保證飛行安全，已用于某機載氣象雷達。

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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