1.4.3 地杂波建模与抑制
气象雷达的基本特点之一是在频域——时域存在着分布相当宽广和功率相当强的背景杂波中检测出有用的信号。这种背景杂波通常被称为脉冲多普勒杂波，其频谱密度是多普勒频率——距离的函数。当在考虑雷达的噪声和其他干扰时，信杂比很小的目标回波可能被淹没在强的杂波背景中。杂波频谱密度的形状和强度决定着雷达对具有不同多普勒频率的目标的检测能力［133-147］。
地杂波比较复杂，具有以下特点：
①雷达照射区域范围大，地杂波功率强且会影响目标的检测。
②地杂波单元相对于载机有不同的径向速度，地杂波频谱会大大展宽，影响了雷达的低速目标检测性能。
③由于地杂波随着载机运动而变化，地杂波过程将具有非平稳的特点。
④杂波多普勒频率与载机速度和天线扫描方向具有对应关系。
由此可见，地杂波严重影响了雷达的目标检测性能，要想从极强的杂波背景中检测和识别目标，杂波抑制便成为气象雷达信号处理必须首先要解决的问题。因此，研究地杂波的模型及其抑制方法显得至关重要。
由于地杂波的一些主要散射特性影响着对目标的检测和跟踪性能。因此，对地杂波模型是否具有精确性、通用性以及灵活性是衡量其性能的重要指标。地杂波的数字模拟对于测试雷达性能以及雷达系统的设计、分析以及测试都具有重要的意义。对于以杂波为主的雷达复杂背景及其信号处理方法的研究，雷达工作者已经作出了许多大量深入、细致的工作，但是仍然存在许多问题，主要表现在：
①形成杂波的物体种类较多，散射机理各不相同，很难用统一的模型来解释各类杂波的产生机理与分布特性；对于同一类物体形成的杂波，其特性依赖于物体本身存在的状态条件，它们一般是随时间和空间变化的，这使得进行特性分析和建模较为困难［118-123］。
②杂波的特性还依赖于特定应用背景下的雷达体制与工作状态，包括雷达的分辨率、工作判断、极化、入射角等。这决定了对杂波特性的研究不仅仅要寻求统一的模型，还要针对特定应用背景，进行具体分析。
③对于杂波特性的研究还取决于所采取的研究手段、方法和目的。
④杂波特性的不同使得杂波下的信号处理方法也有所不同，实际中有效的信号处理方法是利用了真实可靠的杂波先验知识［148-150］。
地平面上的反射面（不管是自然的，如地面本身或植被，还是人造的，如建筑群）都会将信号散射回雷达。通过天线主瓣进入雷达的寄生回波称为主瓣杂波，否则称为旁瓣杂波。杂波可分为重要的两类：面杂波和体杂波。面杂波包括树木、植被、地表、人造建筑群及海表面；体杂波通常拥有大的范围（尺寸），主要包括金属箔条、雨、鸟及昆虫。
地杂波回波是随机的，并具有类似热噪声的特性，因为单个的杂波成分（散射体）具有随机的相位和幅度。在很多情况下，地杂波信号强度要比接收机内的噪声强度大很多。因此，气象雷达在强杂波背景下检测目标的能力主要取决于信杂比，而不是信噪比。
多年来，人们研究了多种地杂波模型来描述机载雷达地杂波，比较流行的常用地杂波模型有以下5种［151-162］：
①Colema/Hetrich模型（C/H模型）。
②连续波（Continuous Wave，CW）近似模型。
③J.Roulston模型。
④Helgostam/Ronnerstam模型。
⑤Mitchel-Stone（M/S）模型。
Colema/Hetrich模型是一种最简单粗略的模型。在计算杂波反射区的有效面积时，难以确定系数Ka的精确值。天线增益和地面散射特性均用几个常数来拟合。应用该模型可以方便地估计出多普勒收敛区（杂波功率小于热噪声的区域），并可粗略地看到主波束杂波，旁瓣杂波及高度线杂波的变化趋势。该模型适合手算，是一种简略的杂波计算方法。
连续波近似模型（CW模型）是在高脉冲重复频率下汇集所有距离上的回波之后获得的杂波功率谱分布。这种分布的形状与具体情况下的谱分布形状相同，然后采用一加权系数来说明系统正在脉动的情况。使用该模型计算出的结果反映的是实际杂波谱分布的一种统计平均，因此在研究杂波的统计平均特性时，使用连续波法是合理的。
J.Roulston模型是近几年来发展起来的一种计算方法，使用它可方便地模拟出PD雷达工作的杂波环境，包括旁瓣杂波谱、主瓣杂波谱和高度线杂波谱。地面散射面积在距离向采用脉冲宽度限制，不像H/R模型有严格的数学推导，计算旁瓣杂波时，采用了均方根的天线特性，反映不出旁瓣宽度的影响。其优点是概念清楚，易于实现［143-147］。
Helgostam/Ronnerstam模型的复杂性和成熟程度均属中等，不需要后向散射图，但地形特征是可以构造的。它的数学推导是精确的，但比起连续波法和J.Roulston法仍有些复杂。
Mitchel-Stone（M/S）模型是一种精确的计算方法。将地面绘制成方位-距离栅格，并将天线方向图和后向散射图都绘制到栅格里，通过模糊距离和多普勒的叠加而得到各距离门——多普勒滤波器单元内的杂波。这种方法能模拟分布的和离散的杂波，并可实现调制对回波的影响，但该方法运算程序复杂，运算时间长，在小型计算机下难以实现。
在上述的几种比较典型的杂波模型中，因复杂性等原因，其实用性受到很大的影响，如M/S模型，因距离——多普勒单元的形状复杂和精度要求，使其应用受到一定得影响。Jen King Jao和William B.Gogginst在M/S模型基础上提出了一种简捷、高效的地杂波解析表达式。该表达式适用于低飞行高度、任意PRF波的雷达，甚至连续波雷达［148-153］。
气象雷达由于载机的运动和天线的扫描，使主波束频率在一个频率范围内变化。因此，与地面雷达不同，在抑制主瓣杂波之前必须对主瓣杂波频率进行跟踪，或去除飞机地速，将其移至零多普勒频率后再进行滤波。
机载雷达由于架设在运动的高空平台上，具有探测距离远、覆盖范围大、机动灵活等特点，应用范围相当广泛，可执行战场侦察、预警等任务。但由于机载雷达的应用面临非常复杂的杂波环境，杂波功率很强，载机的平台运动效应使杂波谱展宽。此外，飞机运动时，杂波背景的特性会随时间变化。有时弱的目标还可能被强杂波所淹没，使得目标变得难以检测，特别严重时，强杂波还会引起接收系统过载。因此，有效地抑制这种时间非平稳和空间非平均的杂波干扰是雷达系统有效完成地面目标和低空飞行目标检测必须解决的首要问题［164-170］。
机载雷达地杂波抑制技术发展可以追溯到20世纪50年代关于运动补偿的研究，直到90年代初形成研究热点的空时二维自适应处理方法以及现在已成为国际雷达系统与发展前沿动态的极化雷达和极化滤波处理技术。机载雷达杂波抑制方法主要可分为两类：一是在时间域（频域）作一维处理的方法；二是在空间-时间域进行联合处理（Space Time Adaptive Processing，STAP）的方法。
在雷达地杂波模拟中，地杂波的频谱特性、幅度分布特性以及散射系数随擦地角的变化关系都是重要模型，机载脉冲多普勒（Pulse Doppler，PD）气象雷达地杂波抑制也是基于这些模型的。如图1.3所示，典型的机载PD雷达地杂波抑制过程可分为3个步骤：首先通过地杂波对消器抑制很强的主瓣杂波；然后通过多普勒滤波器消除主瓣杂波剩余，并且降低旁瓣杂波幅度，提高信杂比；最后通过门限检测器进行恒虚警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）处理［171-175］。
图1.3 雷达的地杂波抑制过程
在机载下视雷达中，地面杂波的影响是十分严重的，它不仅强度大，而且不同方向的地杂波相对于载机的速度各异，从而使杂波谱大大展宽。为了克服这种强杂波环境，从中提取有用信息，产生了各种各样的地杂波抑制技术。目前，主要的地杂波抑制方法主要有以下5种［176-180］：
①主波束上仰。飞机以－3°下滑角着陆下滑，主波束搭地可产生极强的主瓣杂波。此时，可使天线主波束指向比机头下滑方向上仰1°～2°，形成距离截断，可有效地抑制一次主瓣杂波。因此，波束上仰会导致二次主瓣杂波进入接收机，但由于距离衰减较大，实际上可减弱数十分贝的杂波功率。
②设计低旁瓣天线。由于地杂波分布的频率范围很宽，至今为止，尚无任何一种有效的机载雷达体制能完全有效滤除地杂波，只能减弱地杂波的影响。因此，降低地杂波的有效方法是降低天线旁瓣电平，特别是俯仰方向指向下方的旁瓣电平。
③限制探测距离。比较低的杂信比（CSR）发生在飞机前下方近距离内。在这段距离范围内，天线主瓣波束尚未搭地，地杂波主要从天线旁瓣进来。采用时域波门将接收机回波信号距离限制在一定范围距离内，从时域上滤掉地杂波。
④单元到单元的AGC。地杂波随距离单元的变化是很大的。为了保持接收机的大动态范围和不饱和，每个距离单元都要计算同相和正交支路信号的脉冲序列，同时要通过AGC调节放大量，以实现调整不同距离单元的系统增益。为了在近场着陆时，从强地杂波中分出微弱的风切变回波信号，需要提取多普勒频率fd。接收机除了必须具备大动态跟踪范围，还必须保证单元到单元AGC的检波器工作在线性区域。单元到单元AGC的方法，可使接收机AGC达到最佳值，在有杂波的情况下，得到最佳的信噪比。
⑤采用滤波器抑制地杂波。采用高通滤波器可有效地降低杂波，这种滤波器对风速估计无影响，而对抑制地杂波有明显的效果。这种抑制地杂波方法，已由美国NASA研究中心的微下击暴流—地杂波—雷达模拟试验结果证明是行之有效的。