技术领域
[0001] 本
发明涉及气象雷达
信号处理技术领域，尤其是一种气象目标的探测方法。
背景技术
[0002] 机载气象雷达是商业飞机强制安装的机载
电子设备，能够实时探测飞机航路上的
湍流、雷暴、
冰雹等灾害性天气，也能探测起降阶段的
风切变，可以称得上是飞机的“双眼”，对于保障飞行安全具有举足轻重的作用。随着我国越来越多航线的开通，商业航班更加繁忙，对于机载气象雷达的要求也越来越高。传统的单扫描机载气象雷达，由于受到雷达地平线的限制，只能探测到雷达波束与地球表面相切范围内的气象目标。同时受制于雷达波束宽度的限制，无法同时显示载机前方全空域气象目标分布情况。
[0003] 为了能够探测全空域气象目标，传统方法是采用飞行员手动调节雷达波束仰
角的方法。调低仰角，探测载机前下方近距离空域气象目标，调高仰角，探测远距离空域气象目标。该方法虽然可以获取到全空域的气象目标分布情况，但获取到的分布情况并不直观，需要飞行员根据经验在大脑中合成。这种方法过于依赖飞行员经验，增加了飞行员的工作复杂度，容易出错，甚至可能会对飞行员其它更重要的操作产生影响。由于无法抑制雷达地平线处的地杂波，该方法也不能探测更远距离气象目标分布情况。
[0004] 多扫描技术是新型机载气象雷达的关键技术之一，其相关的
数字信号处理技术是研制新型雷达的关键所在，现有的多扫描技术未能与多重频技术有效结合，虽然能够探测远距离空域气象目标，却没能实现近距离空域的高
精度探测。与此同时，由于采用多扫描技术，数据量必然增加，将会影响处理速度。因此提出一种机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法，利用多扫描机载气象雷达，在垂直方向上采用低、中、高三波束进行扫描，探测载机前方近、远、中距离空域气象目标。三波束采用不同的脉冲重复
频率，兼顾探测距离与探测精度。
水平方向上采用变精度的扫描方法，载机航向及两侧区域上采用密集扫描，远离航向区域采用适当稀疏扫描，保证扫描精度同时尽量较少扫描和后续
数据处理时间。对获取的三波束扫描回波信号进行合成，得到载机前方全空域气象目标分布情况，为飞行安全提供有
力保障。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种适用于机载气象雷达的多扫描多重频全空域气象目标探测方法，利用多扫描机载气象雷达，在垂直方向上采取低、中、高三波束的扫描方法，最低仰角波束采用高重复频率脉冲，提高探测精度，探测近距离空域范围内气象目标1；中仰角波束采用低重复频率脉冲，提高雷达无模糊作用距离，探测远距离空域范围内气象目标3；最高仰角波束采用中重复频率脉冲，探测中距离空域易受地物杂波干扰的气象目标2。水平方向采取变
密度扫描，航向及两侧区域采用较密集扫描，提高探测精度，远离航向区域采用适当稀疏扫描，提高扫描和后续数据处理的速度。对获取的三波束扫描回波信号进行合成，获取载机前方全空域气象目标分布情况，为飞行安全提供有力保障。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括下述步骤：
[0007] 步骤一、根据载机高度和雷达波束垂直宽度确定低、中、高三波束的仰角：设θ为与地球表面相切波束的仰角，则θ＝arccos[r/(r+h)]，其中r为地球半径，h为载机高度，中仰角波束是与地球表面相切的波束，因此其仰角θ2＝θ＝arccos[r/(r+h)]，最低仰角波束的仰角为 最高仰角波束的仰角为 其中 为雷达波束垂直宽度，由雷达性能参数决定的；
[0008] 步骤二、根据机载气象雷达性能参数确定近距离空域、中距离空域、远距离空域的范围，确定低、中、高三波束的脉冲重复频率，设Re为雷达探测距离，则近距离空域是指：中距离空域是指： 远距离空域是指 设低、中、高三波束对应的
脉冲重复频率为f1、f2、f3，设临时频率变量 则f2在PRF1与ftemp之间任取一固定值，f3＝2f2，f1＝2f3，其中c＝3.0X108m/s，为大气中光速，PRF1为雷达性能参数中的脉冲重复频率最低值；
[0009] 步骤三、调节天线仰角到θ1
位置，即最低仰角波束的位置，设置脉冲重复频率为f1，完成一个周期即水平扫描角从0°到180°的水平扫描，存储扫描数据，存储的扫描数据为Data1＝(R1,θ1,γ,Pr1)，其中R1为雷达到目标点的斜距，R1取值范围在近距离空域范围之内，即 θ1为最低仰角波束的仰角，γ为水平扫描角，取值范围为0到180°，Pr1为最低仰角波束回波功率；
[0010] 步骤四、调节天线仰角到θ2位置，即中仰角波束的位置，设置脉冲重复频率为f2，完成一个周期即水平扫描角从0°到180°的水平扫描，存储扫描数据，存储的扫描数据为Data2＝(R2,θ2,γ,Pr2)，其中R2为雷达到目标点的斜距，R2的有效取值范围在近距离空域与远距离空域范围之内，即 和 内，θ2为中仰角波束的仰角，Pr2为中仰角波束回波功率；
[0011] 步骤五、调节天线仰角到θ3位置，即最高仰角波束的位置，设置脉冲重复频率为f3，完成一个周期即水平扫描角从0°到180°的水平扫描，存储扫描数据，存储的扫描数据为Data3＝(R3,θ3,γ,Pr3)，R3为雷达到目标点的斜距，R3的有效取值范围在近距离空域与中距离空域范围之内，即 和 内，θ3为最高仰角波束的仰角，Pr3为最高仰角波束的回波功率；
[0012] 步骤六、根据标准气象雷达方程和步骤三、四、五所存储的扫描数据Data1、Data2、Data3计算近、中、远距离空域的气象目标回波反射率因子：
[0013] 标准气象雷达方程为 其中，Z为气象雷达回波反射率因子，λ为雷达
波长，R是雷达到目标的斜距，Pr为雷达回波功率，|K|2是由散射粒子介电性质确定的常数，G0为天线波束中心方向上的增益，Pt为雷达发射功率，经过计算后所得到的数据为，Data1_1＝(R1,θ1,γ,Z1)，Data2_1＝(R2,θ2,γ,Z2)，Data3_1＝(R3,θ3,γ,Z3)，Z1、Z2、Z3为回波的反射率因子；
[0014] 步骤七、对步骤六计算得到的数据Data1_1、Data2_1、Data3_1做投影变换：
[0015] 将所探测到的气象目标斜距投影到以地心为圆心、地心与载机连线为半径的圆弧上；
[0016] 雷达波束与地球表面相切，设地球圆心为点O，气象目标位于点B，点A是载机所在位置，点A'是气象目标在载机航迹上的投影，则OA、OA'与地球表面和载机航迹分别垂直，则该气象目标点的斜距为r2＝AB，对应的投影弧长为 在ΔAOB中，设边长
[0017]
[0018] 则内角α＝∠AOA'＝arccos[((r+h)2+d2-r22)/2d(r+h)]
[0019] α同时也是l2对应的圆心角，可得
[0020] l2＝2πα(r+h)/360
[0021] 计算后得到的数据为Data1_2＝(L1,γ,Z1)，Data2_2＝(L2,γ,Z2)，Data3_2＝(L3,γ,Z3)，L1、L2、L3分别为R1、R2、R3在载机航迹上的投影；
[0022] 步骤八、根据步骤六计算得到的回波反射率因子Z1、Z2、Z3对近距离空域气象目标强度进行合成：
[0023] 近距离空域气象目标强度由低、中、高三波束回波反射率因子进行合成，其合成采用加权平均的方法，权值可由各波束自身强度确定，近距离空域气象目标强度得到数据Data_near＝(Ln,γ,Z)，其中
Ln取值范围为近距离空域，即
[0024] 步骤九、根据步骤六计算得到的目标回波反射率因子Z1、Z2、Z3对中距离空域气象目标回波强度进行合成：
[0025] 中距离空域气象目标强度Z＝Z3，得到数据Data_middle＝(Lm,γ,Z)，其中Lm取值范围为中距离空域，即
[0026] 步骤十、根据步骤六计算得到的目标回波反射率因子Z1、Z2、Z3对远距离空域气象目标回波强度进行合成：
[0027] 远距离空域气象目标强度Z＝Z2，得到数据Data_far＝(Lf,γ,Z)，其中Lf取值范围为远距离空域，即
[0028] 步骤十一、根据步骤八、步骤九和步骤十中得到的Data_near、Data_middle、Data_far获取载机前方全空域气象目标分布情况：
[0029]
[0030] 其中，γ为水平扫描角，取值范围为0到180°，Z为气象目标反射率因子，L是气象目标到载机的距离，Data就是最终获得的机载气象雷达探测数据。
[0031] 本发明的有益效果是利用多扫描机载气象雷达，在垂直方向上采用低、中、高三波束进行扫描，探测载机前方近、远、中距离空域气象目标，其中低、中、高三波束采用不同的脉冲重复频率，兼顾探测距离与探测精度；在水平方向上采用变密度的扫描方法、载机航向及两侧区域采用密集扫描、远离航向区域采用适当稀疏扫描，保证扫描精度同时尽量减少扫描和后续数据处理时间；对获取的三波束扫描回波信号进行合成，得到载机前方全空域气象目标分布情况，为飞行安全提供有力保障。本方法可提高机载气象雷达探测精度，增大探测距离，抑制地杂波干扰，获取全空域气象目标分布情况。
附图说明
[0032] 图1是本发明机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法示意图。
[0033] 图2是本发明水平变密度扫描示意图。
[0034] 图3是本发明波束仰角计算原理示意图。
[0035] 图4是本发明斜距投影计算方法示意图。
[0036] 图5是一种机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法扫描结果示意图。
[0037] 其中，101-载机；102-地球表面；103-近距离空域；104-气象目标1；105-低仰角波束；106-中仰角波束；107-高仰角波束；108-中距离空域；109-气象目标2；110-地物；111-远距离空域；112-气象目标3，201-航向及两侧区域；202-远离航向区域；203-水平扫描波束，301-载机高度；302-与地表相切波束仰角；303-地球半径；304-与地表相切波束；401-载机所在位置点；402-气象目标在载机航迹上的投影点；403-气象目标位置点；404-载机航迹；
405-波束；501-区域D；502-区域E；503-区域F；504-区域A；505-区域B；506-区域C。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0039] 本发明为一种机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法，在垂直方向上采取多波束的扫描方法，提高探测精度，增大探测距离，有效抑制地杂波干扰；水平方向采取变密度扫描，提高扫描和后续数据处理的速度。对获取的三波束扫描回波信号进行合成，获取载机前方全空域气象目标分布情况，为飞行安全提供有力保障。
[0040] 附图1为机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法示意图。利用多扫描机载气象雷达，在垂直方向上采取低、中、高三波束的扫描方法，最低仰角波束(105)采用高重复频率脉冲，提高探测精度，探测近距离空域(103)范围内气象目标1(104)；中仰角波束(106)采用低重复频率脉冲，提高雷达无模糊作用距离，探测远距离空域(111)范围内气象目标3(112)；最高仰角波束(107)采用中重复频率脉冲，探测中距离空域(108)易受地物(110)杂波干扰的气象目标2(109)。
[0041] 附图2为水平变密度扫描示意图。水平方向采取变密度扫描，航向及两侧区域(201)采用较密集扫描，提高探测精度，远离航向区域(202)采用适当稀疏扫描，提高扫描和后续数据处理的速度。对获取的三波束扫描回波信号进行合成，获取载机前方全空域气象目标分布情况，为飞行安全提供有力保障。
[0042] 本发明为一种机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法，包括下述步骤：
[0043] 步骤一、根据载机高度和雷达波束垂直宽度确定低、中、高三波束的仰角：附图3为波束仰角计算原理示意图，设θ(302)为与地球表面相切波束(304)的仰角，则θ＝arccos[r/(r+h)]，其中r(303)为地球半径，h(301)为载机高度，中仰角波束(106)是与地球表面(102)相切的波束，因此其仰角θ2＝θ＝arccos[r/(r+h)]，最低仰角波束(105)的仰角为最高仰角波束(107)的仰角为 其中 为雷达波束垂直宽度，由雷达性能参数决定的；
[0044] 步骤二、根据机载气象雷达性能参数确定近距离空域(103)、中距离空域(108)、远距离空域(111)的范围，确定低、中、高三波束的脉冲重复频率。设Re为雷达探测距离，则近距离空域(103)是指： 中距离空域(108)是指： 远距离空域(111)是指：设低、中、高三波束对应的脉冲重复频率为：f1、f2、f3，设临时频率变量
则f2可以在PRF1与ftemp之间任取一固定值，为了使探测距离有一定余量，应尽量将f2的取值靠近PRF1，f3＝2f2，f1＝2f3，其中c＝3.0X108m/s，为大气中光速，PRF1为雷达性能参数中的脉冲重复频率最低值；
[0045] 步骤三、调节天线仰角到θ1位置，即最低仰角波束(105)的位置，设置脉冲重复频率为f1，完成一个周期即水平扫描角从0°到180°的水平扫描，存储扫描数据，存储的扫描数据为Data1＝(R1,θ1,γ,Pr1)，其中R1为雷达到目标点的斜距，R1取值范围在近距离空域范围之内，即 θ1为最低仰角波束(105)的仰角，γ为水平扫描角，取值范围为0到180°，Pr1为最低仰角波束(105)回波功率；
[0046] 步骤四、调节天线仰角到θ2位置，即中仰角波束(106)的位置，设置脉冲重复频率为f2，完成一个周期即水平扫描角从0°到180°的水平扫描，存储扫描数据，存储的扫描数据为Data2＝(R2,θ2,γ,Pr2)，其中R2为雷达到目标点的斜距，R2的有效取值范围在近距离空域与远距离空域范围之内，即 和 内，θ2为中仰角波束(106)的仰角，γ为水平扫描角，取值范围为0到180°，Pr2为中仰角波束(106)回波功率；
[0047] 步骤五、调节天线仰角到θ3位置，即最高仰角波束(107)的位置，设置脉冲重复频率为f3，完成一个周期即水平扫描角从0°到180°的水平扫描，存储扫描数据，存储的扫描数据为Data3＝(R3,θ3,γ,Pr3)，R3为雷达到目标点的斜距，R3的有效取值范围在近距离空域与中距离空域范围之内，即 和 内，θ3为最高仰角波束(107)的仰角，γ为水平扫描角，取值范围为0到180°，Pr3为最高仰角波束(107)的回波功率；
[0048] 步骤六、根据标准气象雷达方程和步骤三、四、五所存储的扫描数据Data1、Data2、Data3计算近、中、远距离空域的气象目标回波反射率因子：
[0049] 标准气象雷达方程为 其中，Z为气象雷达回波反射率因子，λ为雷达波长，R是雷达到目标的斜距，Pr为雷达回波功率，|K|2是由散射粒子介电性质确定的常数，G0波束中心方向上的增益，Pt为雷达发射功率，经过计算后所得到的数据为，Data1_1＝(R1,θ1,γ,Z1)，Data2_1＝(R2,θ2,γ,Z2)，Data3_1＝(R3,θ3,γ,Z3)，Z1、Z2、Z3为回波的反射率因子；
[0050] 步骤七、对经过步骤六计算后得到的数据Data1_1、Data2_1、Data3_1做投影变换：
[0051] 将所探测到的气象目标斜距投影到以地心为圆心、地心与载机连线为半径的圆弧上，附图4为斜距投影计算方法示意图，雷达波束(405)与地球表面(102)相切，设地球圆心为点O，气象目标位于点B(403)，点A(401)是载机(101)所在位置，点A'(402)是气象目标在载机航迹(404)上的投影，则OA、OA'与地球表面(102)和载机航迹(404)分别垂直，则该气象目标点的斜距为r2＝AB，对应的投影弧长为 在ΔAOB中，设边长
[0052]
[0053] 则内角α＝∠AOA'＝arccos[((r+h)2+d2-r22)/2d(r+h)]
[0054] α同时也是l2对应的圆心角，可得
[0055] l2＝2πα(r+h)/360
[0056] 计算后得到的数据为Data1_2＝(L1,γ,Z1)，Data2_2＝(L2,γ,Z2)，Data3_2＝(L3,γ,Z3)，L1、L2、L3分别为R1、R2、R3在载机航迹(404)上的投影；
[0057] 步骤八、根据步骤六计算得到的回波反射率因子Z1、Z2、Z3对近距离空域气象目标强度进行合成：
[0058] 近距离空域气象目标强度由低、中、高三波束回波反射率因子进行合成，其合成采用加权平均的方法，权值可由各波束自身强度确定，近距离空域气象目标强度得到数据Data_near＝(Ln,γ,Z)，其中
Ln取值范围为近距离空域(103)，即
[0059] 步骤九、根据步骤六计算得到的目标回波反射率因子Z1、Z2、Z3对中距离空域气象目标回波强度进行合成：
[0060] 中距离空域气象目标强度Z＝Z3，得到数据Data_middle＝(Lm,γ,Z)，其中Lm取值范围为中距离空域(108)，即
[0061] 步骤十、根据步骤六计算得到的目标回波反射率因子Z1、Z2、Z3对远距离空域气象目标回波强度进行合成：
[0062] 远距离空域气象目标强度Z＝Z2，得到数据Data_far＝(Lf,γ,Z)，其中Lf取值范围为远距离空域(111)，即
[0063] 步骤十一、根据步骤八、步骤九和步骤十中得到的Data_near、Data_middle、Data_far获取载机前方全空域气象目标分布情况：
[0064]
[0065] 其中，γ为水平扫描角，取值范围为0到180°，Z为气象目标反射率因子，L是气象目标到载机的距离，Data就是最终获得的机载气象雷达探测数据。
[0066] 一种机载气象雷达多扫描多重频全空域气象目标探测方法，其一种具体实施例为：某一机载气象雷达发射机功率150W，天线增益35dB，波束宽度3.5°，三波束脉冲重复频率分别为200Hz、400Hz、800Hz，脉冲宽度依次为5μs、10μs、20μs，距离分辨能力为750m、1500m、3000m。近距离空域范围取为0—175Km，中距离空域范围取为175Km—350Km，远距离空域范围为取350Km—600Km。水平扫描时，载机航向方向120°范围内采用1.5°间隔进行扫描，其余范围采用3.0°间隔扫描。
[0067] 附图5为扫描结果示意图，区域A(504)内气象目标的距离
分辨率为750m，角度分辨率为1.5°，该区域是对载机(101)威胁最大的区域，其回
波数据是由三波束合成得到。区域B(505)内气象目标的距离分辨率为1500m，角度分辨率为1.5°，其回波数据主要来自最高仰角波束。区域C(506)内气象目标的距离分辨率为3000m，角度分辨率为1.5°，其回波数据主要来自中仰角波束。区域D(501)内气象目标的距离分辨率为750m，角度分辨率为3°，其回波数据是由三波束合成得到。区域E(502)内气象目标的距离分辨率为1500m，角度分辨率为3°，其回波数据主要来自最高仰角波束。区域F(503)内气象目标的距离分辨率为3000m，角度分辨率为3°，其回波数据主要来自中仰角波束。
[0068] 本发明主要解决了机载气象雷达对航路上气象目标探测的问题，可以提高机载气象雷达探测精度，增大探测距离，提高处理速度，抑制地杂波干扰，获取全空域气象目标分布，为飞行安全提供有力保障。
