非线性时变微弱信号处理与检测技术研究_航空航天

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前言

　　非线性时变微弱信号（风切变和湍流）作为一种独特的气象信号，其恶劣气象会严重影响飞机的飞行安全，甚至会造成机毁人亡的空难事故。具有探测和预警风切变和湍流功能的

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第1章　绪　论

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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

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1.2　研究背景及意义

恶劣的气象是飞机失事遇难的重要原因之一。据统计表明，自20世纪70年代以来，由微下冲暴流风切变和湍流造成的飞行事故共千次以上。低空风切变较多发生在飞机起飞或着陆

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1.3　国内外研究现状

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1.3.1　风切变目标建模与仿真

风切变是指大气中一段很小的距离内，风速、风向单独或两者同时发生急剧变化。ICAO于20世纪70年代中已提出将风切变目标建模与探测研究列为重点研究课题。在美国由F

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1.3.2　湍流建模与检测

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。最早对湍流研究做出重要贡献的是O.Reynolds，他从欧拉的观点出发，将流体

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1.3.3　地杂波建模与抑制

地杂波是指气象雷达下视工作时，天线波束照射区内地面散射体的回波通过天线进入接收机而形成的一种地杂波。目前，利用统计模型仿真相关雷达杂波的方法，较有代表性的主要有

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1.4　相关技术研究动态

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1.4.1　风切变探测与预警

风切变（Wind Shear，WS）是气象中一种独特的现象。它是指大气中一段很小的距离内，风速、风向单独或两者同时发生急剧变化。经大量研究表明，低空微下击暴流是

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1.4.2　大气湍流检测

湍流是一种气流运动，肉眼无法看见，而且经常不期而至。引发湍流的原因可能是气压变化、急流、冷锋、暖锋和雷暴，甚至在晴朗的天空中也可能出现湍流。湍流并非总能被预测出

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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—

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1.5　本书的研究工作和章节结构

通过对已有相关研究工作的分析总结，将主要在以下3个方面对气象雷达的关键技术进行深入研究： ①微下击暴流风切变会对飞机产生危害，严重时会机毁人亡，则先研究微下击暴

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第2章　气象雷达回波

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2.1　气象回波分析

气象雷达具有气象探测、气象回避、地形测量、地图测绘等功能，它是飞机重要的机载电子设备。它的回波主要包括云雨、湍流、微下击暴流风切变等气象回波。其观测回波示意图如

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2.1.1　云回波

云是指停留大气层上的水滴或冰晶胶体的集合体。云是地球上庞大的水循环有形的结果。太阳照在地球的表面，水蒸发形成水蒸气，一旦水汽过饱和，水分子就会聚集在空气中的微尘

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2.1.2　雾回波

雾是在水气充足、微风及大气层稳定的情况下，接近地面的空气冷却至某程度时，空气中的水汽便会凝结成细微的水滴悬浮于空中，使地面水平的能见度下降。雾滴和云滴一样，回波

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2.1.3　雨回波

雨是从云中降落的水滴，陆地和海洋表面的水蒸发变成水蒸气，水蒸气上升到一定高度之后遇冷变成小水滴，这些小水滴组成了云，它们在云里互相碰撞，合并成大水滴，当它大到空

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2.2　气象目标特性分析

气象雷达探测的主要任务是在于通过对气象目标回波信息的分析，气象目标具有微粒性、叠加性和随机性等特性［101-103］。(https://www.daowen.c

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2.2.1　微粒性

对于气象目标而言，其散射单元通常是空中悬浮的微粒，它们形体各异。为了研究方便，可用一个理想的球形粒子的模型来等效。设气象雷达与该球形粒子处于理想传播空间。若气

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2.2.2　叠加性

气象雷达探测常采取波束扫描的方式来获得空中气象目标的信息。气象目标范围宽阔，对于一束电磁波照射的区域，将会充满了雨滴，那么，雷达天线接收的信号并不是来自一个粒子

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2.2.3　随机性

由于雷达波束同时照射到多个空中悬浮的粒子，而这些粒子的分布具有很大的随机性。假设气象雷达波束同时照射到两个球形粒子，如图2.14所示。图2.14　两个球形粒

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2.3　机载雷达气象目标分析与检测

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2.3.1　雷达气象方程

当气象雷达发出的电磁波照射到云雨粒子上，它们就散射电磁波，其中后向的电磁波被雷达天线所接受，这就是雷达回波。雷达回波的强度除了取决于雷达的参数外，还取决于云雨的

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2.3.2　气象目标谱宽分析

在气象雷达对目标检测过程中，多采用气象目标多普勒速度谱的宽度进行检测分析。多普勒速度谱的宽度（简称谱宽）σv，表示有效照射体内不同大小的多普勒速度偏离其平均值V

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2.3.3　风切变

（1）微下击暴流风切变风切变是一种大气现象，是指风速在大小或方向上的突然改变；微下击暴流，是指小范围内的一股强烈的下冲气流，近地时因撞击地面而产生的外向发散气

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2.3.4　湍流

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。湍流运动极不规则、极不稳定，每一点的速度随机地变化着。对于这种运动，把任一点的

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2.4　本章小结

本章作为本书的理论基础，主要研究了气象雷达回波信号和目标检测的相关原理。首先分析了气象雷达探测气象回波的主要原理——多普勒效应。同时，重点分析了云、雾、雨回波

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第3章　风切变目标回波建模与仿真

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《非线性时变微弱信号处理与检测技术研究》简介

前言

目录

第1章　绪　论

1.1　引　言

1.2　研究背景及意义

1.3　国内外研究现状

1.3.1　风切变目标建模与仿真

1.3.2　湍流建模与检测

1.3.3　地杂波建模与抑制

1.4　相关技术研究动态

1.4.1　风切变探测与预警

1.4.2　大气湍流检测

1.4.3　地杂波建模与抑制

1.5　本书的研究工作和章节结构

第2章　气象雷达回波

2.1　气象回波分析

2.1.1　云回波

2.1.2　雾回波

2.1.3　雨回波

2.2　气象目标特性分析

2.2.1　微粒性

2.2.2　叠加性

2.2.3　随机性

2.3　机载雷达气象目标分析与检测

2.3.1　雷达气象方程

2.3.2　气象目标谱宽分析

2.3.3　风切变

2.3.4　湍流

2.4　本章小结

第3章　风切变目标回波建模与仿真