1.1　引　言

气象雷达主要用于飞机在飞行中实时探测航路上的气象状况，可探索前方的非线性时变微弱信号（风切变、湍流等），是保证飞机飞行安全的重要机载电子设备之一。气象雷达是大气监测的重要手段，在突发性的灾害监测、预报和预警中具有极为重要的作用。因此，先进的气象雷达是飞机上必不可少的电子系统。随着航空事业，尤其是民用航空事业的迅速发展，航班密度日趋增大，低空风切变的探测与预警已被提到议事日程上来。历史资料表明，飞机在起飞、着陆的终端空域是空难事故的多发空域，而风切变（尤其是低空风切变）和湍流等突发性灾害天气，是造成空难事故的主要原因。据FAA统计，在美国死于风切变空难事故的人数占全美空难人数的40％左右［1-3］。

风切变是一种大气现象，是指风矢量在水平和垂直方向的突变，其衡量标准是两点之间单位距离的风速矢量变化值［4-7］。风切变的主要成因有大气运动和地形环境因素两类。其中，大气运动主要包括雷暴、积雨云等强对流天气、锋面天气和辐射逆温型的低空急流天气等几类；地形因素主要包括山地地形、高大建筑物等几类。据统计，对飞行安全危害最大的风切变类型为微下击暴流，是一种特别强的下降气流。经大量研究表明，低空微下击暴流是风切变中最危险的。微下击暴流是一股小而强烈的下冲气流冲到地面附近便在所有方向上产生水平外翻的气流［8-10］。微下击暴流的存在时间十分短暂，只有几分钟，可分为湿（降雨量大）和干（降雨量小）两种类型。不论着陆还是起飞的飞机，碰到微下击暴流都是一个严重的问题。因为飞机还在低空，飞行速度又只比失速速度快约25％。微下击暴流接近地面时形成一股强冷下冲发散气流。飞机一开始先碰到加大迎角的逆风，结果升力增大，使得飞机高出预定的飞行路线。飞行员为补偿这一航线偏离可能会减小推力。但是，当飞机进入微下冲中心时，逆风的消失和随之而来的强下冲气流都会使飞机迅速向地面坠落，这两个因素给飞机的操纵带来较大困难，这时想完全避开危险区域已不可能了。风切变是导致飞行事故的大敌，特别是低空风切变。国际航空界公认低空风切变是飞机起飞和着陆阶段的一个重要危险因素，被人们称为“无形杀手”。有资料表明［11-20］，在1970—1985年的16年间，在国际定期和非定期航班飞行以及一些任务飞行中，据不完全统计，至少发生过28起与低空风切变有关的飞行事故，绝大多数都发生在飞行高度低于300m的起飞和着陆阶段，其中尤以着陆为最多。在28起飞行事故中，着陆占22起，约占78％；起飞为6起，约占22％。在这28起飞行事故中，现代中、大型喷气运输机的风切变飞行事故比重较大，其中，DC-8和B7O7、727等飞机占了绝大多数。1991年4月25日，南方航空公司B757/2801号飞机在昆明机场进近中遇到中度风切变，飞机着陆严重受损。2000年6月22日，武汉航空公司运货飞机在武汉王家敦机场进场中遇到雷暴云，受微下击暴流影响坠地失事。2004年9月12日20时30分左右，从长沙飞往上海的MU5302航班，在即将降落时遭遇气流，飞机剧烈颠簸，致使机上8名旅客及机组人员受伤被送往医院救治。专家呼吁上海空港应安装预警激光雷达为飞行安全上保险。2004年5月19日的10时2分30秒，据民航部门介绍，阿塞拜疆失事货机的黑匣子仍完好存在失事货机的机身后面。据介绍，飞机起飞前在100m以下有低空风切变。大量的事实表明，低空风切变是飞行的“无形杀手”，过去因低空风切变造成了严重的生命和财产损失，世界各国加强对风场的监测。因此，建立全天候的低空风切变测试系统，既可保证航班起飞和降落的安全，减少飞机和乘客的生命和财产损失，又能够缩短飞机起降间隔，从而增加机场的运输能力，具有显著的社会效益和经济效益，其意义重大。

湍流是指在一定区域内大气中微粒的速度方差较大的气象目标，是大气的一种剧烈运动形式［11-12］。湍流相当于风矢量在风矢量均值两侧进行的方差较大的无规则波动，因此，检测的不是气象目标的绝对速度，而是目标内包含的粒子的速度分布。速度分布越宽，则整个目标内的气流波动越大，因此湍流又称大气乱流。湍流通常发生在大气底层的边界处、对流云的云体内、对流层的上部等几个区域［13-15］。主要包括飞机尾流、热力湍流和动力湍流3种，飞机尾流显然就是由于大型飞机的尾流所造成的大气湍流，热力湍流就是指由于大气温度在垂直面上的不一致造成的空气对流，而动力湍流则是风遇到变化的地形等阻碍时所造成的大气波动。

要产生湍流则目标周围的气团需要满足一定的条件，主要包括热力学和动力学两个方面，即空气层必须具有不稳定性，尤其是大气温度随着高度下降增大的情况下特别容易造成大气的垂直对流，进而产生湍流；对于动力学方面，空气团中需要具有明显的风速的切变，强烈的湍流常伴随着雷暴，在雷暴区垂直剖面的中部湍流强度最强，在雷暴的外侧边缘也可能存在湍流。一般湍流分为晴空湍流和湿性湍流两大类。

湍流对飞行最主要的危害就是剧烈的大气波动会造成飞机的颠簸，影响飞行的舒适性，在严重的情况下也会造成飞机的仪表失准，进行使飞行员失去对飞机的控制能力，导致飞机失事。轻度的湍流会引起飞机的颠簸，影响乘客的舒适性，造成客舱内饮料的泼洒、乘客摔倒等后果，这种情况下一般会提前通知乘客不要离开座位并系好安全带［16-23］。对于由飞机尾流产生的湍流，如果其他飞机不慎进入尾流区，会出现飞机的抖动、发动机失控等严重后果，不过这种类型的湍流一般对体积较小的战斗机影响较大。不慎进入前方飞机的尾流区会致飞机的仪表失准，甚至会使飞机坠毁，不过对于大型的民用运输机一般都会保持飞机之间的尾距，从而避免这种湍流的危害。高空的晴空湍流一般强度很大，对飞机造成的颠簸会很严重。

气象雷达的主要任务是获取气象目标信息，其信号处理系统的首要任务是干扰抑制和信号检测。由于气象雷达所面临的地杂波环境通常是错综复杂的，它不仅随不同的地理位置而不同，还会因为在不同的时间里天气的变化而不同［24-30］。为了能在地杂波中对气象目标信号进行有效的检测，需综合运用现代信号处理的各种方法，研究气象雷达信号检测的新概念、新机理，提出新方法、新技术。对气象雷达地杂波的研究自然是其中的一个重要的环节，且已经越来越受到人们的重视。高度小于600m的低空风切变是飞机起飞和降落过程中遇到的主要恶劣气象目标，这种情况下，由于气象雷达平台的运动和雷达主波束的下视照射，造成风切变等气象目标信号容易被地杂波所掩盖，因此，对地杂波进行分析、建立准确的杂波统计模型以及相应的仿真方法和抑制算法显得至关重要。

在低空中，由于地杂波信号的强度一般要超过气象目标信号，并且地杂波功率谱常常接近于气象目标，同时还受到气象雷达设备参数的影响，这些因素增大了雷达对地杂波的处理难度。