6.1　研究总结

本书针对气象雷达中风切变、湍流和地杂波等非线性时变微弱信号进行了深入的研究。研究内容主要包括气象雷达回波特性分析、风切变目标回波特性建模仿真分析、湍流信号处理与检测方法、地杂波建模及其抑制算法。鉴于风切变现象存在的短暂性和不重复性带来的现场试验的高成本和高危险性，以及我国目前正在自主研制具有探测风切变、湍流等功能的气象雷达，因此，气象雷达回波特性与信号处理方法研究具有较强的现实意义。全文所做的主要研究成果总结如下：

①针对风切变现象存在的短暂性和不重复性带来的现场试验的高成本和高危险性，建立并模拟了一种能够反映实际风场及物理特性的变化风场，并在此基础上建立了一种风切变目标雨回波模型。建立了一种工程化的风场模型来模拟风切变中对飞行危害最大的微下击暴流，通过数学拟合并结合流体力学叠加得到了模型的数学形式。在此基础上，通过研究风场模型中各个参数对风场的影响，总结出通过修改X轴和Y轴扭曲因子可以改变风场形态，对其作适当地调整后仿真得到了对称风场和非对称风场中顺风、逆风、侧风以及偏风的风场情况。仿真结果表明，利用该模型得到的风场数据可较好地模拟出风切变的基本特征。

②分析了风切变目标雨回波信号产生的基本原理，从基本雷达方程入手推导了风切变雨回波平均功率及幅度，结合多普勒效应得到单个散射体雨回波的幅度和相位，从而得到了单个散射体雨回波信号表达式。利用网格划分的思想，经过距离向、方位向和俯仰向的积分得到单根扫描线总的目标雨回波。基于以上理论基础，仿真实现了对称风场、非对称风场，在建立的天线模型和给定的系统参数下，将风场数据由风场坐标系转换到天线坐标系，完成了对目标雨回波的仿真和分析。仿真结果表明，由该风场模型模拟的风场能够很好地反映风切变基本特征，由此得到的风切变目标雨回波信号速度谱分布可很好地反映出风速的切变状况，且与模拟风场径向速度分量一致。

③深入分析了湍流信号的检测算法。首先，建立了湍流数学模型，根据模型，仿真分析了湍流径向速度分布和三维谱等特性。其次，针对湍流特性，在特定的风场条件下对湍流模型进行了仿真，提出了基于FFT的湍流信号处理算法，用该算法对湍流回波信号进行了仿真分析。再次，在频域空间运用FFT的三维对称特性产生了零均值三维噪声，结合Von Karman模型的成型滤波器函数产生了空间湍流场数据。把湍流尺度和湍流强度引入气象雷达湍流信号处理仿真中，同时，由于湍流尺度和强度是随着飞机飞行高度而变化的，于是把空间距离无因次化。仿真结果显示，有因次情形下的湍流变化规律与无因次情形是相同的，但波动幅度要大于无因次情形，湍流场数据具有较好的统计特性，从而使飞机在湍流中的实时模拟更加真实。最后，分析了传统的脉冲对湍流检测方法，提出了一种新的湍流检测算法，并运用Monte Carlo方法仿真分析了新的湍流检测方法，并与脉冲对检测方法进行了比较。仿真结果表明，新的湍流检测方法的检测概率要大于传统的脉冲对湍流检测方法的检测概率。

④在地杂波建模与抑制算法方面，首先，分析了脉冲多普勒雷达的地杂波功率谱和主瓣杂波、旁瓣杂波、高度线杂波特性，并讨论了影响地杂波谱形状的因素。其次，建立了飞机与地面反射单元的相对坐标位置关系，导出了地杂波回波信号数学模型，提出了一种地杂波仿真算法，基于同向分量和正交分量回波仿真分析了在不同初始俯仰角和方位角下的地杂波的三维多普勒速度谱。仿真结果表明，本书提出的地杂波仿真算法可以有效分析地杂波功率谱的分布情况，建立的地杂波模型能较好地符合地杂波谱特征。再次，总结分析了目前常用的主波束上仰、设计低旁瓣天线、限制探测距离、单元到单元的AGC、滤波器抑制等地杂波抑制技术。最后，分析了最小均方（LMS）算法和自适应噪声对消器（ANC），研究了LMS-ANC和LSL-ANC两种地杂波抑制算法，从风速误差、信杂比以及运算时间3个方面分析了LMS-ANC和LSL-ANC滤波算法的性能；以风速误差为和信噪比为对比参数时，LMS-ANC和LSL-ANC方法要优于传统的MTI，AMTI滤波方法；但以运算时间为对比参数，传统的MTI，AMTI滤波方法的运算时间要小于LMS-ANC，LSL-ANC两种地杂波抑制算法。