一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法、装置及雷达

技术领域

本公开涉及雷达技术领域，尤其涉及一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法、装置及雷达。

背景技术

机载毫米波雷达测云时，波束下视会导致大量地杂波，地杂波的存在会影响气象目标参数如反射率因子、速度和谱宽等的估计，因此，为了获取精确的气象目标参数估计，需要对雷达回波数据进行地杂波抑制。

一般而言，常规X波段机载气象雷达由于其波形特性，往往在时域进行地杂波抑制，该方法对回波信噪比低的目标检测能力较弱，且当气象回波和地杂波出现在相同距离段时，气象回波往往会被当成地杂波被抑制或者地杂波被当成气象回波被显示，都会造成显示偏差。频域滤波方法也有多种，如GMAP、 STAP等，GMAP方法假定地杂波的功率谱型为高斯型，利用谱型计算滤除的杂波点数，在实际应用中由于多种因素的影响会导致地杂波谱与理论高斯型差异较大，利用该方法会极易引起杂波残留，同时在气象功率谱与杂波谱混叠的条件下，会使气象回波谱信息损失；STAP技术能够有效提高慢动目标的检测能力，但是对于气象目标而言，气象回波谱和地杂波谱特性相似，气象回波可能被当成地杂波被抑制，造成气象信息损失，且计算复杂度较高，工程实现难度大。因此，急需一种易于工程实现的高精度地杂波抑制方法。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法、装置及机载毫米波测云雷达，至少部分解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本公开实施例提供了一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法，所述方法包括：

获取机载毫米波测云雷达的回波信号及其对应的距离-多普勒谱；

获取地杂波的距离分布区域；

估计所述地杂波距离分布区域内每个距离门的多普勒频率中心；

根据每个所述距离门的多普勒频率中心，在所述回波信号的距离-多普勒谱中估计所述距离门内地杂波的频率门范围；

剔除所述频率门范围内的地杂波。

可选的，所述获取地杂波的距离分布区域的步骤，包括：

根据所述机载毫米波测云雷达的飞行高度、俯仰波束指向和波束宽度，计算每个距离门的波束下沿高度；

提取每个距离门的地形高度；

若所述距离门的波束下沿高度小于或者等于所述距离门的地形高度，则将所述距离门标记为所述地杂波的距离分布区域内的距离门。

可选的，所述估计所述地杂波距离分布区域内每个距离门的多普勒频率中心的步骤，包括：

计算每个所述距离门的俯仰角；

计算所述距离门的多普勒中心的频率门。

可选的，根据公式

根据公式

其中：H

可选的，所述根据每个所述距离门的多普勒频率中心，在所述回波信号的距离-多普勒谱中估计所述距离门内地杂波的频率门范围的步骤，包括：

对所述回波信号的距离-多普勒谱中所述距离门的距离-多普勒谱进行平滑处理；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索满足预设边界条件的左边界频率门；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索满足预设边界条件的右边界频率门；

将所述左边界频率门和所述右边界频率门之间的频率门范围作为所述距离门内地杂波的频率门范围。

可选的，所述在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索满足预设边界条件的左边界频率门的步骤，包括：

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索大于噪声门限的目标频率门；

若存在相邻目标频率门的间隔大于或者等于间隔门限，则将所述相邻目标频率门的靠近所述多普勒中心的频率门作为所述左边界频率门；以及，

所述以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索满足预设边界条件的右边界频率门的步骤，包括：

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索大于噪声门限的目标频率门；

若存在相邻目标频率门的间隔大于或者等于间隔门限，则将所述相邻目标频率门的靠近所述多普勒中心的频率门作为所述右边界频率门。

可选的，所述剔除所述频率门范围内的地杂波的步骤，包括：

获取所述回波信号内非地杂波区域的平均噪声功率；

将所述距离门内地杂波的频率门范围的信号功率置为所述平均噪声功率。

第二方面，本公开实施例提供了一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取机载毫米波测云雷达的回波信号及其对应的距离 -多普勒谱；

第二获取模块，用于获取地杂波的距离分布区域；

第一估计模块，用于估计所述地杂波距离分布区域内每个距离门的多普勒频率中心；

第二估计模块，用于根据每个所述距离门的多普勒频率中心，在所述回波信号的距离-多普勒谱中估计所述距离门内地杂波的频率门范围；

剔除模块，用于剔除所述频率门范围内的地杂波。

可选的，所述第二估计模块用于：

对所述回波信号的距离-多普勒谱中所述距离门的距离-多普勒谱进行平滑处理；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索满足预设边界条件的左边界频率门；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索满足预设边界条件的右边界频率门；

将所述左边界频率门和所述右边界频率门之间的频率门范围作为所述距离门内地杂波的频率门范围。

第三方面，本公开实施例提供了一种机载毫米波测云雷达，包括雷达本体和处理器，所述处理器用于执行第一方面中任一项所述的机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法。

本发明针对常规地杂波抑制技术存在地杂波宽度估计误差、气象回波损失、地杂波残留等难题，提出了一种机载毫米波测云雷达频域地杂波抑制方法。该方法根据载机飞行参数、雷达参数等信息，结合地形数据库，提取当前条件下地杂波出现的距离范围，对该范围内的数据进行地杂波多普勒中心和宽度估计，将地杂波多普勒宽度范围内的数据进行剔除。该方法原理简单，实现方便，能够有效改善气象目标参数估计精度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法的流程示意图；

图2至图6为本发明实施例提供的机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法的过程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制装置的模块框图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

参见图1，为本公开实施例提供的一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：

S101，获取机载毫米波测云雷达的回波信号及其对应的距离-多普勒谱；

如图1和图2所示，原始数据预处理后得到回波数据的距离-多普勒谱。原始数据为雷达经A/D采样后得到的和路IQ回波数据，经过脉冲压缩、方位 FFT处理等预处理后，得到回波数据的距离-多普勒谱。

S102，获取地杂波的距离分布区域；

波束搭地才会产生地杂波，为了更加精确的进行地杂波抑制，仅对出现波束搭地的距离范围进行地杂波抑制处理。

可选的，所述获取地杂波的距离分布区域的步骤，包括：

根据所述机载毫米波测云雷达的飞行高度、俯仰波束指向和波束宽度，计算每个距离门的波束下沿高度；

提取每个距离门的地形高度；

若所述距离门的波束下沿高度小于或者等于所述距离门的地形高度，则将所述距离门标记为所述地杂波的距离分布区域内的距离门。

地杂波距离范围估计具体步骤如下：

根据载机飞行高度，雷达俯仰波束指向和波束宽度，计算波束照射方向每个距离门对应的波束下沿高度；

提取当前时刻波束指向下的地形信息。根据惯导提供的载机航向角等飞行参数、经纬高等位置参数以及波束指向角等雷达参数，提取当前波束照射方向每个距离门对应的地形高度；

按照距离门由近及远的顺序，将波束下沿高度与地形高度进行比较，若是波束下沿高度小于地形高度，则认为该距离门搭地，并进行标记。

S103，估计所述地杂波距离分布区域内每个距离门的多普勒频率中心；

机载毫米波测云雷达探测距离较近，地物回波的多普勒谱会在近距离呈现弯曲的现象，为了精确实现地杂波抑制，需要估计出每个距离门的多普勒中心。

可选的，所述估计所述地杂波距离分布区域内每个距离门的多普勒频率中心的步骤，包括：

计算每个所述距离门的俯仰角；

计算所述距离门的多普勒中心的频率门。

可选的，根据公式

根据公式

其中：H

S104，根据每个所述距离门的多普勒频率中心，在所述回波信号的距离- 多普勒谱中估计所述距离门内地杂波的频率门范围；

可选的，所述根据每个所述距离门的多普勒频率中心，在所述回波信号的距离-多普勒谱中估计所述距离门内地杂波的频率门范围的步骤，包括：

对所述回波信号的距离-多普勒谱中所述距离门的距离-多普勒谱进行平滑处理；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索满足预设边界条件的左边界频率门；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索满足预设边界条件的右边界频率门；

将所述左边界频率门和所述右边界频率门之间的频率门范围作为所述距离门内地杂波的频率门范围。

可选的，所述在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索满足预设边界条件的左边界频率门的步骤，包括：

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索大于噪声门限的目标频率门；

若存在相邻目标频率门的间隔大于或者等于间隔门限，则将所述相邻目标频率门的靠近所述多普勒中心的频率门作为所述左边界频率门；以及，

所述以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索满足预设边界条件的右边界频率门的步骤，包括：

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索大于噪声门限的目标频率门；

若存在相邻目标频率门的间隔大于或者等于间隔门限，则将所述相邻目标频率门的靠近所述多普勒中心的频率门作为所述右边界频率门。

(1)处理过程仅针对波束搭地范围内各个距离门回波多普勒谱进行，在多普勒中心估计的基础上，分别进行地杂波多普勒宽度估计和地杂波功率谱剔除。地杂波多普勒宽度估计采用主杂波边缘搜索的方法实现主杂波区域的精确定位。对于某个距离门数据，地杂波抑制处理具体步骤如下：

1)取出该距离门回波功率谱；

2)平滑处理，降低噪声起伏的影响。

3)左边界搜索。以该距离门对应的多普勒中心为原点，向左搜索大于噪声门限的频率门，并记录频率门数据，当相邻两个满足条件的频率门数据存在一定间隔时，搜索结束，并将靠近多普勒中心的频率门位置作为左边界；

(2)右边界搜索。以该距离门对应的多普勒中心为原点，向右搜索大于噪声门限的频率门，并记录频率门数据，当相邻两个满足条件的频率门数据存在一定间隔时，搜索结束，并将靠近多普勒中心的频率门位置作为右边界；

S105，剔除所述频率门范围内的地杂波。

可选的，所述剔除所述频率门范围内的地杂波的步骤，包括：

获取所述回波信号内非地杂波区域的平均噪声功率；

将所述距离门内地杂波的频率门范围的信号功率置为所述平均噪声功率。

将步骤3)和4)分别得到的左右边界范围内的多普勒频率门作为地杂波多普勒谱分布范围，将该范围内的信息置为平均噪声功率；

4)重复步骤1)～5)，直至完成所有搭地距离门的地杂波抑制处理。

在地杂波抑制的基础上进行反射率因子计算、速度谱宽的估计，最终实现毫米波测云雷达的云回波特征的精确估计。

下面结合图2至图6，通过一个具体示例对本发明做进一步详细说明，其中，图2为流程示意图，图3为未经过地杂波抑制处理的距离-多普勒谱数据，图4为经过本发明方法进行地杂波抑制处理后的距离-多普勒谱数据，地杂波区域用平均噪声功率填充；图5为未经过地杂波抑制处理的气象探测结果；图 6为经过本发明方法进行地杂波抑制处理后的气象探测结果。

1、原始数据预处理后得到回波数据的距离-多普勒谱。原始数据为雷达经 A/D采样后得到的和路IQ回波数据，经过脉冲压缩、方位FFT处理等预处理后，得到回波数据的距离-多普勒谱，记为SumData

2、地杂波距离范围估计。波束搭地才会产生地杂波，为了更加精确的进行地杂波抑制，提高运算效率，仅对出现波束搭地的距离范围进行地杂波抑制处理。地杂波距离范围估计具体步骤如下：

2.1、根据载机飞行高度，雷达俯仰波束指向和波束宽度，计算波束下沿沿距离向的高度；

其中，H

2.2、提取当前时刻波束指向下的地形信息。根据惯导提供的载机航向角等飞行参数、经纬高等位置参数以及波束指向角等雷达参数，计算当前波束照射方向每个距离门对应的地形点高度，记为H

2.3、提取波束范围内的地形信息。按照距离由近及远的顺序，将波束下沿高度H

n＝n+1

I

其中：n的初始值设为0；n＝1，2，…N，其中N为波束搭地范围内的距离门总数。

3、多普勒中心估计。机载毫米波测云雷达探测距离较近，地物回波的多普勒谱会在近距离呈现弯曲的现象，为了精确实现地杂波抑制，需要估计出每个距离门的多普勒中心，记为f

3.1、计算该距离门对应的俯仰角

3.2、计算该距离门的多普勒中心所在频率门

其中，H

4、地杂波抑制处理。该处理过程仅针对波束搭地范围I

4.1、取出该距离门回波功率谱；

T

其中：T

4.2、平滑处理，降低噪声起伏的影响。数据平滑长度设为N

4.3、左边界搜索。以该距离门对应的多普勒中心为原点，向左搜索大于噪声门限的频率门，并记录频率门数据，当相邻两个满足条件的频率门数据存在一定间隔时，搜索结束，并将靠近多普勒中心的频率门位置作为左边界，记为N

4.4、右边界搜索。以该距离门对应的多普勒中心为原点，向右搜索大于噪声门限的频率门，并记录频率门数据，当相邻两个满足条件的频率门数据存在一定间隔时，搜索结束，并将靠近多普勒中心的频率门位置作为右边界，记为N

4.5、地杂波剔除。将步骤4.3和4.4分别得到的左右边界范围内的多普勒频率门认为是地杂波多普勒谱的分布范围，将该范围内的信息置为平均噪声功率，即：

SumData

其中：P

4.6、重复步骤1)～5)，直至完成所有搭地距离门的地杂波抑制处理。

5、在地杂波抑制的基础上进行反射率因子计算、速度谱宽的估计，最终实现毫米波测云雷达的云回波特征的精确估计。

综上所述，本发明利用地形数据库，扫描过程中实现实时精确的地杂波范围估计，仅对该范围内的数据进行地杂波抑制处理，避免了无杂波区气象目标被抑制的情况，并降低运算量；采用搜索的方法估计杂波宽度，解决了地杂波谱宽度在不同距离上的分布差异，避免杂波残留；本发明方法原理简单，易于工程实现，地杂波抑制效果好，具有良好的市场应用前景；本发明方法适用于具有气象探测功能的军用和民用机载多普勒雷达。

参见图7，为本公开实施例提供的一种机载毫米波测云雷达地杂波抑制装置的模块框图。如图7所示，所述装置70包括：

第一获取模块701，用于获取机载毫米波测云雷达的回波信号及其对应的距离-多普勒谱；

第二获取模块702，用于获取地杂波的距离分布区域；

第一估计模块703，用于估计所述地杂波距离分布区域内每个距离门的多普勒频率中心；

第二估计模块704，用于根据每个所述距离门的多普勒频率中心，在所述回波信号的距离-多普勒谱中估计所述距离门内地杂波的频率门范围；

剔除模块705，用于剔除所述频率门范围内的地杂波。

可选的，所述第二估计模块用于：

对所述回波信号的距离-多普勒谱中所述距离门的距离-多普勒谱进行平滑处理；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向左搜索满足预设边界条件的左边界频率门；

以所述距离门的多普勒中心为原点，在所述距离门的距离-多普勒谱向右搜索满足预设边界条件的右边界频率门；

将所述左边界频率门和所述右边界频率门之间的频率门范围作为所述距离门内地杂波的频率门范围。

此外，本公开实施例提供了一种机载毫米波测云雷达，包括雷达本体和处理器，所述处理器用于执行上述实施例中任一项所述的机载毫米波测云雷达地杂波抑制方法。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。