机载前视风切变雷达信号处理方法分析

　　1　引言

　　风切变是一种特殊的气象现象。低空风切变常指高度600米以下风向、风速突然变化的气象现象。由于低空风切变具有时间短、尺度小、强度大等特点,常规气象雷达很难进行探测,是一个航空气象难题。已有的报道表明,遭遇低空风切变是飞机失事以及旅客受伤甚至致命的主要原因之一[1]。为确保飞机在起飞及着陆阶段的安全,研究可以进行风切变探测和预警的机载前视风切变雷达具有重要的应用背景和意义。目前国外民用客机一般都装有3cm波长的气象雷达,具备风切变检测能力。机载前视风切变雷达在飞机起飞和着陆阶段探测风切变的存在,此时飞机高度很低(300米左右),杂波回波功率相当强。要在严重的机场动、静地杂波背景下探测十分微弱的、短暂存在的微下击暴流风切变危险区具有很大的技术难度。

　　在风切变探测技术的发展过程中,人们提出了许多信号处理方法,如脉冲对(Pulse PairProcessing, PPP)法、快速傅立叶变换(FastFourierTransform, FFT)法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法、模式分析法等[2]。目前在工程上,机载脉冲多普勒气象雷达采用最多的信号处理方法是PPP法和FFT法。

　　我国的风切变研究起步较晚,虽在低空风切变气象特征、危险评估、微下冲暴流数值模拟技术等方面取得了一定研究成果。但对其中一些技术含量较高的部分,如信号处理部分,还需要进一步的探索与研究。目前我国尚没有自主研制的机载风切变多谱勒雷达投入商业营运[3]。本文重点分析了机载前视风切变雷达信号处理方法的原理和特点,并用　风切变回波模拟数据对PPP法和FFT法进行了计算机仿真和性能对比分析,得出了一些有益的结论。

　　2　风切变雷达信号处理方法[4]

　　2. 1　脉冲对处理(PPP)法

　　PPP法是一种时域处理方法,是一种通过对气象回波信号的相关函数进行处理来估计谱矩的方法。PPP法实质上是极大似然无偏估计,通过目标回波数据的相关函数来估计其径向速度。该方法最初由Rummler提出,后经Miller,Rochwarger, Berge和Zrnic等人的研究和完善,现已得到广泛的应用,成为脉冲多普勒气象雷达重要的信号处理方法。

　　假定雷达回波的多普勒谱F(f)在(-1/2Ts,1/2Ts)内不存在频率模糊,fd为平均频率,Ts为采样间隔,由维纳—辛钦定理可知,回波信号的自相关函数是其功率谱密度的傅立叶反变换。

　　从上面可以看出,要得到平均多普勒速度和谱宽,只要测量时间间隔为Ts的相邻回波脉冲的复自相关就可以了。自相关的相位决定了回波信号的平均多普勒速度,而自相关的模值决定了回波信号的谱宽。