雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法
【專利摘要】一種雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法。其包括：首先根據(jù)風(fēng)電場中各風(fēng)輪機相對于雷達的位置關(guān)系確定風(fēng)輪機所在的雷達分辨單元，并分析這些雷達分辨單元的頻譜。根據(jù)各風(fēng)輪機所在雷達分辨單元的頻譜寬度，估算對應(yīng)的線速度，該速度為風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度。建立各風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向角對應(yīng)關(guān)系的方程。最后利用雷達與風(fēng)輪機間的位置關(guān)系，并利用風(fēng)電場中所有風(fēng)輪機朝向一致的特點求解方程而估計出風(fēng)輪機朝向角。風(fēng)輪機朝向角是雷達的風(fēng)電場雜波抑制中所需要的一個重要參數(shù)，本發(fā)明可以為有效抑制風(fēng)電場雜波對雷達系統(tǒng)的干擾奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說明】
雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng) 輪機朝向估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 研究表明風(fēng)電場作為一種特殊的高大障礙物，可能對包括航管監(jiān)視雷達、氣象雷 達、無線電導(dǎo)航設(shè)備在內(nèi)的無線電設(shè)備產(chǎn)生顯著影響，因此若能對航管監(jiān)視雷達、氣象雷達 等雷達系統(tǒng)中風(fēng)電場雜波進行有效抑制，對于保障雷達設(shè)備正常工作以及飛行安全無疑具 有重要意義。
[0003] 利用雷達信號處理機采用信號處理方法抑制風(fēng)電場雜波是減輕或消除風(fēng)電場雜 波干擾的一種成本相對低廉且有效的方法，采用信號處理方法獲取風(fēng)輪機朝向參數(shù)可以為 風(fēng)電場雜波抑制方法提供重要信息。
[0004] 目前已有的利用信號處理獲取風(fēng)輪機朝向的方法通常是先利用風(fēng)輪機雷達回波 信號的時頻譜特征獲取風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速，再利用由時頻譜得到的風(fēng)輪機葉尖相對雷達的最大 徑向線速度，以及由風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速和葉片長度推得的葉尖線速度，推算出風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面相對 雷達視線的夾角。
[0005] 但是，上述方法利用時頻譜特征獲取風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速時，需要利用凝視模式的雷達回 波數(shù)據(jù)，但實際雷達往往采用旋轉(zhuǎn)掃描方式工作，因此無法獲得凝視模式的數(shù)據(jù)，所以上述 獲取風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速的方法在實際中往往不可行。同時，目前的方法對于風(fēng)電場中各風(fēng)輪機間 的關(guān)系也未充分利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪 機朝向估計方法。
[0007] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法 包括按順序進行的下列步驟：
[0008] 步驟一:根據(jù)風(fēng)電場中各風(fēng)輪機相對于雷達的位置關(guān)系確定風(fēng)輪機所在的雷達分 辨單元，并分析這些雷達分辨單元的頻譜，然后根據(jù)各風(fēng)輪機所在雷達分辨單元的頻譜寬 度估算出對應(yīng)的線速度，該線速度為風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度；
[0009] 步驟二:對于每臺風(fēng)輪機，建立各風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向 角對應(yīng)關(guān)系的方程；
[0010] 步驟三:計算各風(fēng)輪機間的空間距離，將距離較近的兩臺或多臺風(fēng)輪機編為一組；
[0011] 步驟四：利用風(fēng)電場中所有風(fēng)輪機朝向一致的特點，聯(lián)立同一組中多臺風(fēng)輪機葉 片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向角對應(yīng)關(guān)系的方程組，估算出各臺風(fēng)輪機相一致的朝 向角，不同組風(fēng)輪機將估算出多個朝向角；
[0012] 步驟五:對估算出的多個朝向角進行篩選，將篩選后剩下的朝向角的均值作為最 終的朝向角估算結(jié)果。
[0013] 在步驟四中，所述的同一組中多臺風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向 角對應(yīng)關(guān)系的方程組為： \\ -m cos{〇, - a ) '，,=，cos民-漢）
[0014] J 2 ； ： 1 ⑴ ，"二cosfe - %)
[0015] 式中Vl(i = l，2,…，n)為第i臺風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度，0: (i = l，2,…，n)為雷達到第i臺風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面中心視線相對正北方向的方位角，為第j組 所有風(fēng)輪機相同的葉片尖端最大線速度，A為第j組所有風(fēng)輪機相同的朝向角。利用已知的 Vi，1求解風(fēng)輪機朝向角aj。
[0016] 在步驟五中，所述的對估算出的多個朝向角進行篩選，提高風(fēng)輪機朝向估計準確 度的方法為:對不同組風(fēng)輪機估算出的多個朝向角進行統(tǒng)計分析，計算其均值與標準差，并 計算由均值加減若干倍的標準差所確定的區(qū)間，剔除估計出的多個朝向角中不在該區(qū)間內(nèi) 的估計值。
[0017] 本發(fā)明提供的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法適用于航管一次監(jiān) 視雷達和多普勒天氣雷達，可以為上述雷達系統(tǒng)基于信號處理的風(fēng)電場雜波抑制方法，解 決風(fēng)輪機朝向角這一重要參數(shù)的估計問題。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法流程圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明中風(fēng)輪機朝向角定義。
[0020] 圖3為本發(fā)明中各風(fēng)輪機與雷達的位置關(guān)系。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝 向估計方法進行詳細說明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明提供的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法包括按 順序進行的下列步驟：
[0023] 步驟一:根據(jù)風(fēng)電場中各風(fēng)輪機相對于雷達的位置關(guān)系確定風(fēng)輪機所在的雷達分 辨單元，并分析這些雷達分辨單元的頻譜，然后根據(jù)各風(fēng)輪機所在雷達分辨單元的頻譜寬 度估算出對應(yīng)的線速度，該線速度為風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度。
[0024] 首先利用航管一次監(jiān)視雷達或多普勒天氣雷達的包括接收信號采樣頻率、脈沖重 復(fù)頻率、雷達旋轉(zhuǎn)速度、雷達仰角在內(nèi)的參數(shù)，計算出每一個雷達的距離、方位和高度分辨 單元的大小，并根據(jù)各風(fēng)輪機到雷達的空間幾何位置關(guān)系，確定出風(fēng)輪機所在的雷達分辨 單元。
[0025] 積累一定時間長度的回波信號，并利用傅立葉變換分析風(fēng)輪機所在雷達分辨單元 的頻譜。由于風(fēng)輪機所在雷達分辨單元中風(fēng)輪機葉片從輪轂到葉尖的線速度是連續(xù)變化的 且具有較寬的頻譜，因此提取出風(fēng)輪機所在雷達分辨單元的頻譜寬度，頻譜寬度對應(yīng)于葉 片尖端相對于雷達的最大徑向線速度，為葉片上各點的最大徑向線速度，由式
(1)
[0027] 可得葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度V，式中B為風(fēng)輪機所在雷達分辨單元 的頻譜寬度，X為雷達射頻頻率。
[0028] 步驟二:對于每臺風(fēng)輪機，建立各風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向 角對應(yīng)關(guān)系的方程。
[0029] 如圖2所示，風(fēng)輪機朝向角a定義為風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面與正北方向的夾角（-3T/2〈a<3T/ 2)，圖2中AB為風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面在地平面上的投影。圖3為各風(fēng)輪機及其旋轉(zhuǎn)面方向與雷達位 置關(guān)系的示意圖。圖3中，R為雷達天線中心位置，Wi、W 2、W3為各臺風(fēng)輪機葉片中心位置，AB、 CD、EF為各風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面在地平面上的投影，RW^RW^RWs為雷達到風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面中心視線 在地平面上的投影。由圖3可知，設(shè)雷達到風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面中心視線在地平面上的投影相對正 北方向的方位角為9(〇<9〈231)，則可以得到風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向 角對應(yīng)關(guān)系的方程為：
[0030] vi=miC〇s(9i-ai) (2)
[0031 ]式中Vi為第i臺風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度，mi為第i臺風(fēng)輪機 葉片尖端的最大線速度，I為雷達到第i臺風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面中心視線相對正北方向的方位角， ai為第i臺風(fēng)輪機的朝向角。式中mi與ai是未知的。
[0032]步驟三:計算各風(fēng)輪機間的空間距離，將距離較近的兩臺或多臺風(fēng)輪機編為一組。
[0033]計算各風(fēng)輪機間的空間距離，各風(fēng)輪機的位置通常由經(jīng)煒度和高度給出，可以使 用大地主題解算的方法計算出各風(fēng)輪機間受水平距離和高度差影響的空間距離，再將距離 較近的兩臺或多臺風(fēng)輪機編為一組。
[0034]若將距離較近的兩臺風(fēng)輪機編為一組，可建立已編組和未編組兩個列表，開始時 所有風(fēng)輪機均在未編組列表中。從未編組列表中取出任意一臺風(fēng)輪機，再在未編組列表中 選取與該風(fēng)輪機空間距離最近的風(fēng)輪機，將這兩臺風(fēng)輪機編為一組并放入已編組列表中。 類似地對所有風(fēng)輪機進行編組。若最后在未編組列表中只剩下一臺風(fēng)輪機，則將該風(fēng)輪機 舍去。
[0035]若將距離較近的多臺風(fēng)輪機編為一組，同樣建立已編組和未編組兩個列表，開始 時所有風(fēng)輪機均在未編組列表中。從未編組列表中取出任意一臺風(fēng)輪機，再在未編組列表 中選取與該風(fēng)輪機空間距離小于給定閾值的風(fēng)輪機，將這些風(fēng)輪機編為一組并放入已編組 列表中。類似地對所有風(fēng)輪機進行編組，最后舍去僅包含一臺風(fēng)輪機的編組?？臻g距離閾值 可根據(jù)實際情況取不同的值，以使每組中能包含數(shù)臺風(fēng)輪機并且盡可能取小為原則，例如 取10倍的風(fēng)輪機葉輪直徑。
[0036] 步驟四：利用風(fēng)電場中所有風(fēng)輪機朝向一致的特點，聯(lián)立同一組中多臺風(fēng)輪機葉 片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向角對應(yīng)關(guān)系的方程組，估算出各臺風(fēng)輪機相一致的朝 向角，不同組風(fēng)輪機將估算出多個朝向角。
[0037] 由于同一風(fēng)電場中所有風(fēng)輪機的朝向均一致，即式(2)中，所有風(fēng)輪機的朝向角^ 均相同。但同一時刻同一風(fēng)電場中不同風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速可能會有差異，相距較近的位置風(fēng)速 接近，同時距離相近的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速也接近，所以可以認為步驟三得到的同一組內(nèi)的風(fēng)輪機 轉(zhuǎn)速近似相等。又因為同一風(fēng)電場中通常均采用同一型號的風(fēng)輪機，葉片長度相同，因此風(fēng) 輪機轉(zhuǎn)速相同時葉片尖端的最大線速度也相同。即式(2)中同一組的風(fēng)輪機葉片尖端的最 大線速度nu也相同。聯(lián)立同一組中多臺如式(2)所示的風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與 風(fēng)輪機朝向角對應(yīng)關(guān)系的方程，即對于第j組風(fēng)輪機，有
(3)
[0039] 上述方程組中只需要兩個方程即可求出未知的第j組風(fēng)輪機葉片尖端的最大線速 度叫與風(fēng)輪機朝向角若多于兩個方程則求最小二乘解。不同組求得的風(fēng)輪機葉片尖端的 最大線速度與風(fēng)輪機朝向角一般也不同。
[0040] 步驟五:對估算出的多個朝向角進行篩選，將篩選后剩下的朝向角的均值作為最 終的朝向角估算結(jié)果。
[0041] 計算由步驟四求得的所有風(fēng)輪機朝向角A的均值泛與標準差〇，然后計算出由上述 均值加減若干倍的標準差所確定的區(qū)間，例如以風(fēng)輪機朝向角的均值泛加減1倍標準差的 區(qū)間為反- A泛+0*1，剔除不在該區(qū)間內(nèi)的風(fēng)輪機朝向角，以避免誤差較大的數(shù)據(jù)或錯誤 數(shù)據(jù)對估計結(jié)果造成干擾，最后重新計算剩下的風(fēng)輪機朝向角^的均值E[a]，該值即為最 終的朝向角估算結(jié)果。
【主權(quán)項】
1. 一種雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法，其特征在于:所述的方法包括 按順序進行的下列步驟： 步驟一:根據(jù)風(fēng)電場中各風(fēng)輪機相對于雷達的位置關(guān)系確定風(fēng)輪機所在的雷達分辨單 元，并分析這些雷達分辨單元的頻譜，然后根據(jù)各風(fēng)輪機所在雷達分辨單元的頻譜寬度估 算出對應(yīng)的線速度，該線速度為風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度； 步驟二:對于每臺風(fēng)輪機，建立各風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向角對 應(yīng)關(guān)系的方程； 步驟三:計算各風(fēng)輪機間的空間距離，將距離較近的兩臺或多臺風(fēng)輪機編為一組； 步驟四：利用風(fēng)電場中所有風(fēng)輪機朝向一致的特點，聯(lián)立同一組中多臺風(fēng)輪機葉片尖 端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向角對應(yīng)關(guān)系的方程組，估算出各臺風(fēng)輪機相一致的朝向 角，不同組風(fēng)輪機將估算出多個朝向角； 步驟五:對估算出的多個朝向角進行篩選，將篩選后剩下的朝向角的均值作為最終的 朝向角估算結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法，其特征在于： 在步驟四中，所述的同一組中多臺風(fēng)輪機葉片尖端最大徑向線速度與風(fēng)輪機朝向角對應(yīng)關(guān) 系的方程組為：(1 ) 式中vi(i = l，2，···，n)為第i臺風(fēng)輪機葉片尖端相對于雷達的最大徑向線速度，0i(i = 1,2，···，n)為雷達到第i臺風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面中心視線相對正北方向的方位角，n^為第j組所有風(fēng) 輪機相同的葉片尖端最大線速度，A為第j組所有風(fēng)輪機相同的朝向角;利用已知的^，9 1求 解風(fēng)輪機朝向角A。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達的風(fēng)電場雜波抑制中風(fēng)輪機朝向估計方法，其特征在于： 在步驟五中，所述的對估算出的多個朝向角進行篩選，提高風(fēng)輪機朝向估計準確度的方法 為:對不同組風(fēng)輪機估算出的多個朝向角進行統(tǒng)計分析，計算其均值與標準差，并計算由均 值加減若干倍的標準差所確定的區(qū)間，剔除估計出的多個朝向角中不在該區(qū)間內(nèi)的估計 值。
【文檔編號】G01S7/02GK105891784SQ201610225597
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】王曉亮, 何煒琨, 吳仁彪
【申請人】中國民航大學(xué)