利用矩阵分解的机载气象雷达回波谱矩估计

作     者：赵倢 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：机载气象雷达 谱矩估计 矩阵分解 DFT L1-PCA 

摘      要：气象雷达是气象探测的重要手段,机载气象雷达（WXR）用于探测飞机前方航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域,其性能直接关系到飞行的舒适性和安全性。在影响飞行安全的众多危险气象中,诸如晴空湍流、干性低空风切变等不伴随可见天气现象,造成雷达回波信噪比很低,常规机载气象雷达尚无法有效检测,因此这些危险气象对飞行安全存在较大的威胁。机载气象雷达目标检测的本质是回波谱矩估计,气象目标类型和雷达回波的谱矩参数（平均多普勒频率和多普勒谱宽）密切相关。机载气象雷达回波谱矩估计方法研究,对于提升探测气象目标的准确性和有效性具有非常重要的意义。论文针对低信噪比情况下常规机载气象雷达回波谱矩估计方法误差大、计算量大和在数据异常时估计不准确等问题,构建雷达回波协方差矩阵的参数化模型,利用矩阵分解,提出了两种适用于不同背景下的机载气象雷达回波谱矩估计方法,并通过仿真实验证明了所提方法在各自适用的条件下可有效估计雷达回波谱矩。主要工作总结如下:1.提出了一种基于DFT的雷达回波谱矩快速估计方法,可用于低信噪比情况。通过对雷达回波的协方差矩阵特性进行分析,并对其进行分解变换得到一种闭合式的协方差矩阵,因为没有采用近似结构,该模型可以在谱宽值较大时仍能保持较好的适用性,并利用其具有范德蒙结构特性得出基于FFT的无需搜索代价函数计算流程,在估计代价函数时不需要进行频率分割,采用全部数据进行计算,在降低运算量的同时提高了估计性能。该方法适用于低信噪比和大谱宽场景下,在降低计算复杂度的同时能准确估计回波谱矩。2.提出了一种基于L1-PCA的雷达回波谱矩估计方法,可用于雷达接收回波数据异常并有较多离群点的情况。通过对数据异常时雷达回波协方差矩阵参数化模型进行分解,利用信号子空间与噪声子空间的正交性和1范数的稳定性构建代价函数,进而估计雷达回波谱矩。该方法在雷达回波数据异常有较多离群点的情况下仍能保持较好的估计性能。