如何使用波形分集雷達(dá)抑制風(fēng)力渦輪機(jī)干擾

風(fēng)力渦輪機(jī)擴(kuò)散產(chǎn)生的干擾正在成為地面中高脈沖重復(fù)頻率（PRF）脈沖多普勒空中監(jiān)視雷達(dá)的一個(gè)問(wèn)題。本文表明，將發(fā)射波形的某些參數(shù)從一個(gè)脈沖隨機(jī)化到另一個(gè)脈沖，可以設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器來(lái)抑制風(fēng)力渦輪機(jī)干擾和地面雜波。此外，單個(gè)相干處理間隔（CPI）足以進(jìn)行明確的范圍測(cè)量。因此，范圍消歧不需要多個(gè) CPI，就像交錯(cuò) PRF 技術(shù)一樣。首先，我們考慮具有固定PRF但應(yīng)用于每個(gè)發(fā)射脈沖的不同（隨機(jī)）初始相位的波形。其次，我們考慮具有不同（隨機(jī)）PRF的波形。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了理論結(jié)果。單個(gè)CPI中的雜波加干擾抑制和范圍消歧可能對(duì)聯(lián)邦航空管理局和沿海雷達(dá)具有吸引力。

第一節(jié) 簡(jiǎn)介

風(fēng)力發(fā)電供應(yīng)超過(guò)4.5美元，今天的美國(guó)電力組合。風(fēng)能是一種全國(guó)范圍內(nèi)負(fù)擔(dān)得起的自然資源，可在陸地和 近海;它是可再生的，具有健康和環(huán)境效益，因?yàn)樗鼫p少了空氣污染的排放和水 消費(fèi)，并且由于支持國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈，因此還具有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。它被設(shè)想 該風(fēng)力發(fā)電將提供?10%?到2020年全國(guó)最終用途電力需求，另一方面，風(fēng)電場(chǎng)給空中監(jiān)控帶來(lái)了挑戰(zhàn) 雷達(dá)。

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的能量與掃掠面積和風(fēng)速成正比。有了這些考慮 考慮到，效率更高的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)傾向于采用更大的葉片轉(zhuǎn)子和更高的渦輪機(jī)塔架。風(fēng) 渦輪旋轉(zhuǎn)葉片會(huì)產(chǎn)生干擾，表現(xiàn)為兩者的廣譜多普勒頻移 直接路徑和多路徑離開(kāi)地面。地面反彈不會(huì)改變干擾多普勒頻率，但 可能會(huì)改變其功率譜。這些影響會(huì)對(duì)脈沖多普勒空中/地面監(jiān)視產(chǎn)生重大影響 雷達(dá)，例如空中交通管制 （ATC） 雷達(dá)，導(dǎo)致目標(biāo)信噪比 （SNR） 損失和降低 檢測(cè)概率，更高的誤報(bào)率，以及丟失的蹤跡。關(guān)于如何減輕整個(gè)變化對(duì)附近雷達(dá)的影響已經(jīng)有很多研究 在雷達(dá)信號(hào)處理中。上述論文中提出的技術(shù)涉及修改 在探測(cè)器階段區(qū)分真實(shí)目標(biāo)和風(fēng)力渦輪機(jī)干擾。。

在本文中提出了在發(fā)送端使用波形分集，在接收端使用相干處理。用于機(jī)載目標(biāo)監(jiān)視的地面雷達(dá)，以解決距離模糊并壓制地面 雜亂，以及風(fēng)力渦輪機(jī)的干擾。

傳統(tǒng)上，脈沖多普勒雷達(dá)在相干處理間隔（CPI）內(nèi)收集多個(gè)脈沖，使用 固定波形和脈沖重復(fù)頻率 （PRF）。需要中高PRF來(lái)明確測(cè)量 機(jī)載目標(biāo)徑向速度，但距離測(cè)量變得模糊不清。要解決范圍歧義，多個(gè) 不同的PRF需要CPI [8]。范圍模糊性中的目標(biāo)，沒(méi)有 當(dāng)所有范圍模糊折疊成一個(gè)區(qū)間時(shí)，很難檢測(cè)到風(fēng)力渦輪機(jī)干擾，因?yàn)?如圖 1 所示。

距離-多普勒空間顯示由于選擇PRF而出現(xiàn)的四個(gè)模糊區(qū)域。目標(biāo)位于 第四個(gè)區(qū)域。當(dāng)使用常規(guī)雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)，目標(biāo)、地面雜波和風(fēng) 渦輪機(jī)干擾折疊到單個(gè)測(cè)量范圍區(qū)域。

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如圖2所示，施加到每個(gè)脈沖的隨機(jī)發(fā)射初始相位可以設(shè)計(jì)出一種濾波器，該濾波器可以抑制地面雜波并明確測(cè)量空中目標(biāo) 使用單個(gè) CPI [9]?的范圍。本文擴(kuò)展了[9]中的工作，包括對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)干擾的抑制，它沿著 隨著地面雜亂，可能是范圍模糊的。范圍模糊度可以通過(guò)處理單個(gè)唯一確定 CPI，對(duì)每個(gè)范圍模糊性應(yīng)用適當(dāng)?shù)亩嗥绽諡V波器。目標(biāo)檢測(cè)可在任何地方進(jìn)行 圖1中上圖的空白區(qū)域。請(qǐng)注意，還可以檢測(cè) 非常慢（甚至零徑向速度）的機(jī)載目標(biāo)超出地面雜波地平線。每個(gè)停留可能有兩個(gè) CPI 仍然需要，因?yàn)?a target="_blank">接收器在脈沖傳輸過(guò)程中消隱。此外，對(duì)于相同的停留 傳統(tǒng)雷達(dá)的時(shí)間，這兩個(gè)CPI中的每一個(gè)都可以處理更多的脈沖，從而改善 由于信噪比增加而進(jìn)行檢測(cè)。本文使用目標(biāo)概率評(píng)估算法性能 檢測(cè)信干加噪聲比 （SINR） 損耗，多普勒濾光片模式。

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還可以通過(guò)隨機(jī)化脈沖來(lái)執(zhí)行明確的距離測(cè)量和地面雜波抑制 重復(fù)間隔 .這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在傳輸過(guò)程中不會(huì)通過(guò)消隱來(lái)持續(xù)遮擋目標(biāo)，因此使用 單一消費(fèi)物價(jià)指數(shù)。在本文中，我們將隨機(jī)PRI的使用擴(kuò)展到存在風(fēng)力渦輪機(jī)干擾的情況。

A. 在風(fēng)力渦輪機(jī)干擾存在下的其他技術(shù)綜述

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種不同的方法來(lái)抑制幾類(lèi)風(fēng)力渦輪機(jī)的干擾 監(jiān)視雷達(dá)，用于區(qū)分目標(biāo)和風(fēng)力渦輪機(jī) 干擾，一般在檢測(cè)階段。在中，風(fēng)力渦輪機(jī) 通過(guò)在預(yù)檢測(cè)、檢測(cè)和 檢測(cè)后階段。這些技術(shù)包括使用兩個(gè)通道進(jìn)行高程判別（預(yù)檢測(cè)），一個(gè) 增強(qiáng)恒定誤報(bào)率（CFAR）探測(cè)器和增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)器（MTD）算法（檢測(cè)）， 以及改進(jìn)的跟蹤和分類(lèi)算法（后檢測(cè)）。在 CFAR 檢測(cè)器中，計(jì)算閾值 將電池中顯示極大功率的回波替換為平均噪聲功率后。增強(qiáng)的 MTD算法在每個(gè)單獨(dú)的多普勒濾波器中使用自適應(yīng)雜波圖來(lái)抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的干擾。動(dòng)態(tài)雜波圖的估計(jì)也在ATC雷達(dá)的中提出。提出了一種用于干擾抑制的信號(hào)分解方法，其中雷達(dá)信號(hào)被分解為振蕩分量的疊加（移動(dòng)目標(biāo)具有 傅里葉變換域中的稀疏表示）和瞬態(tài)分量（風(fēng)力渦輪機(jī)干擾） 在短時(shí)傅里葉變換域中具有稀疏表示）。目標(biāo)和干擾組件為 通過(guò)?L1?范數(shù)最小化進(jìn)行估算 非線性成本函數(shù)的問(wèn)題，使用迭代數(shù)值算法求解。

為氣象雷達(dá)提出的另一種方法試圖識(shí)別受污染的風(fēng)力渦輪機(jī)干擾 距離-多普勒光譜或距離-方位角-多普勒光譜中的細(xì)胞，用于重建 天氣信號(hào)，使用插值?或回歸 技術(shù)。相控陣和最小方差無(wú)失真響應(yīng)中提出了多普勒天氣干擾抑制的方法 雷達(dá)。

第二節(jié).具有相位分集的固定地面雷達(dá)

考慮一個(gè)固定的地面雷達(dá)，由于選擇PRF，其范圍模糊。本文采用 以下表示法約定：非粗體字母表示標(biāo)量，粗體小寫(xiě)字母表示向量，以及 粗體大寫(xiě)

圖3顯示了相對(duì)于隨機(jī)相序的平均值。此下限表示最壞情況，作為 目標(biāo)歸一化多普勒頻率，對(duì)于每個(gè)范圍模糊。請(qǐng)注意，靜止目標(biāo)（或零徑向速度） 在第三個(gè)范圍內(nèi)，模糊的損失最小，因?yàn)樵搮^(qū)域沒(méi)有地面雜波。這是一個(gè)獨(dú)特的 相干相位分集雷達(dá)的特性，能夠解決距離模糊，從而分離 目標(biāo)來(lái)自位于不同歧義中的混亂。還顯示了恒定相位脈沖多普勒雷達(dá)的第三個(gè)模糊中的 SINR 損耗，類(lèi)似于前兩個(gè)歧義中相位分集雷達(dá)的損耗，其中雜波是 目前。出于比較目的，恒相雷達(dá)處理所有脈沖，包括雜波填充脈沖。在 第三種模糊性和對(duì)于雜波區(qū)域之外的多普勒頻率，相位分集的性能 雷達(dá)僅比恒相雷達(dá)的性能低幾分貝。

相位分集雷達(dá)的檢測(cè)概率如圖4所示，與定義的目標(biāo)信噪比的函數(shù)關(guān)系一致 具有恒定相位雷達(dá)的檢測(cè)概率。?在第一種情況下，目標(biāo)多普勒頻率在雜波區(qū)域之外，允許 用于來(lái)自恒相雷達(dá)的檢測(cè)，否則將無(wú)法在雜亂中檢測(cè)到目標(biāo)。這 第二個(gè)示例表示只有相分集方法才能進(jìn)行檢測(cè)的情況。雜亂無(wú)章 區(qū)域，相位分集雷達(dá)相對(duì)于恒相雷達(dá)需要略高的信噪比，以便 實(shí)現(xiàn)相同的檢測(cè)概率。該結(jié)果與圖3所示的結(jié)果一致，顯示相位分集雷達(dá)的信噪比損耗 僅比恒相雷達(dá)的 SINR 損耗低幾分之一 dB。這種最小的損失是要支付的懲罰 解決距離模糊問(wèn)題，并允許在模糊性中以零多普勒頻率進(jìn)行檢測(cè)，而不會(huì)產(chǎn)生混亂，?還比較了隨機(jī)相位和恒定相位雷達(dá)的檢測(cè)概率，結(jié)果表明隨機(jī)相位雷達(dá)相對(duì)于 恒相位雷達(dá)。雜波模糊的數(shù)量更大，并且雜波填充脈沖被丟棄。但是，我們無(wú)法 使用相同的參數(shù)值復(fù)制 中的結(jié)果。

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圖7顯示了相分集雷達(dá)和信噪比在三個(gè)模糊區(qū)域中的信噪比損耗。恒相雷達(dá)第三區(qū)域的損耗。恒相雷達(dá)的性能在所有方面都是相似的 歧義區(qū)域，因此為了清楚起見(jiàn)，它僅在第三個(gè)區(qū)域中顯示。相位分集雷達(dá)在第二個(gè)和 第三個(gè)區(qū)域是由以下事實(shí)引起的：這些模糊性中的信號(hào)在干擾中具有更大的成分子空間，相對(duì)于第一個(gè)模糊性中的信號(hào)。事實(shí)上，如果我們使用 特征值比噪聲功率高 2 dB 的特征向量，我們計(jì)算信號(hào)的功率 投影到干擾擾動(dòng)上。

能夠檢測(cè)低速目標(biāo)的懲罰是檢測(cè)損失的概率，相對(duì)于 恒相雷達(dá)用于雜波多普勒擴(kuò)散之外的目標(biāo)。在本例中，需要 大約 2 dB 的額外目標(biāo) SNR 以獲得與恒相雷達(dá)相同的探測(cè)概率， 對(duì)于雜波多普勒擴(kuò)散之外的目標(biāo)。

圖9顯示了三個(gè)模糊區(qū)域的多普勒模式，當(dāng) 篩選器與目標(biāo)匹配。為清楚起見(jiàn)，請(qǐng)注意，與圖5中的旁瓣相比，旁瓣更高，其中僅將雜波添加到熱噪聲中。旁瓣較高的原因是現(xiàn)在更多 自由度已被用于消除干擾。

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為了保持平均功率恒定，脈沖長(zhǎng)度可以 減半。總之，增加PRF 在存在風(fēng)力渦輪機(jī)干擾的情況下，即使對(duì)檢測(cè)目標(biāo)沒(méi)有興趣，也可能是有益的 在更高的多普勒頻率下。

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B. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果

理論結(jié)果使用相分集和常規(guī)恒定相。有一個(gè)發(fā)光的風(fēng)力渦輪機(jī)， 地面雜亂，以及與風(fēng)力渦輪機(jī)不同范圍內(nèi)的機(jī)會(huì)目標(biāo)模糊性。渦輪機(jī)有三個(gè)葉片，轉(zhuǎn)子直徑相等 到 82 m。最大轉(zhuǎn)速為 14.4 r/min，對(duì)應(yīng)于最大刀尖速度等于 61.8 m/s，最大多普勒頻率等于 4 kHz。觀測(cè)到的最大多普勒頻率低于 4 kHz，由于葉片旋轉(zhuǎn)速度較慢，或旋轉(zhuǎn)平面相對(duì)于雷達(dá)的方向， 或雷達(dá)測(cè)量過(guò)程中葉片的位置，或上述原因的組合。為了更快 旋轉(zhuǎn)葉片，將觀察到更高的多普勒頻率，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)多普勒濾波器。

圖 11 和 12 顯示了 距離–分別沒(méi)有相位分集和帶相位分集的多普勒?qǐng)D像，其中dB標(biāo)度歸一化為熱 噪聲，僅顯示風(fēng)力渦輪機(jī)附近的范圍。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際上處于第七個(gè)歧義 36.8 公里，但它在圖 4 中在 45.11 公里的范圍內(nèi)折疊成第一個(gè)模糊，從而掩蓋了附近的任何目標(biāo)。地面雜波是 在零多普勒頻率下清晰可見(jiàn)。圖 12 顯示了以下結(jié)果：相分集分別位于4.45公里和36.8公里附近。請(qǐng)注意，圖 11 中的風(fēng)力渦輪機(jī)圖像與圖 12（b） 中第七范圍模糊中的圖像非常相似。此外，圖12（b）中的圖像對(duì)應(yīng)于雜波視界之外的范圍模糊，因此沒(méi)有地面雜波 目前。

使用恒定相位波形的距離-多普勒?qǐng)D。地面雜波和風(fēng)力渦輪機(jī)干擾是 在明確的區(qū)域中重疊?？赡艿睦婺繕?biāo)被范圍模糊的回報(bào)所掩蓋 風(fēng)力渦輪機(jī)。

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（a） 距離-多普勒?qǐng)D使用相位分集表示第一距離模糊，其中地面雜波和 存在兩個(gè)感興趣的目標(biāo)，對(duì)于（b）第七范圍模糊，其中只有風(fēng)力渦輪機(jī)干擾 目前。范圍測(cè)量已消除歧義。

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第三節(jié).具有PRI分集的地面靜止雷達(dá)

II和II-A部分中的相位分集方法可以推廣到任意不同的發(fā)射波形，具有 不規(guī)則脈沖調(diào)制和可變 PRI。使用任意波形進(jìn)行雜波抑制的通用框架 在[10]中提出。這種不同波形的適用性是 在這里擴(kuò)展以抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的干擾。

任意波形具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如目標(biāo)檢測(cè)既是距離又是多普勒頻率 明確且無(wú)范圍多普勒頻率盲區(qū)，因此可在單個(gè) CPI 中進(jìn)行監(jiān)控。與傳統(tǒng)脈沖多普勒相比，處理這些波形具有更高的計(jì)算復(fù)雜性 處理和上面討論的相分集處理。未來(lái)的工作可能包括為開(kāi)發(fā) 將提高計(jì)算效率的次優(yōu)技術(shù)。

CPI中發(fā)射波形樣本的模量，具有恒定的脈沖寬度和可變的PRI值。

在這里，II節(jié)和II-A節(jié)中使用的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)推廣到任意發(fā)射波形，而以前我們 考慮由$N$規(guī)則間隔脈沖組成的傳輸，我們現(xiàn)在將處理由$N$規(guī)則間隔的樣本組成的波形。為 這種多脈沖波形，傳輸時(shí)間的間隙由發(fā)射波形中的零值表示 向量。任意定義允許不均勻的脈沖間隔，如本例所示。當(dāng)雷達(dá)不能 同時(shí)發(fā)送和接收，接收信號(hào)矢量中的許多樣本在接收信號(hào)向量期間將具有零值（消隱） 傳輸。
當(dāng)接收器關(guān)閉時(shí)，相關(guān)接收信號(hào)的某些部分將丟失， 這將導(dǎo)致食損失。傳統(tǒng)的脈沖多普勒波形也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的損耗。

第四節(jié).總結(jié)

發(fā)射波形分集使中高PRF地面雷達(dá)能夠測(cè)量目標(biāo)范圍 明確使用單個(gè)CPI并過(guò)濾掉地面雜波和風(fēng)力渦輪機(jī)干擾。這可能是 有利于避免在大量目標(biāo)人群下運(yùn)行的雷達(dá)出現(xiàn)消除歧義錯(cuò)誤。取決于外行 風(fēng)力渦輪機(jī)的下降，額外的好處是能夠與附近的風(fēng)電場(chǎng)共存。此外，沒(méi)有 需要將隨機(jī)相序從 CPI 更改為 CPI。雖然這里沒(méi)有研究，但任何具有低電平的相序列 自相關(guān)旁瓣，例如隨機(jī)雙相調(diào)制，是 同等有效。相位分集雷達(dá)的性能已經(jīng)過(guò)全面評(píng)估，并與 恒相雷達(dá)在風(fēng)力渦輪機(jī)干擾下的性能。此外，波形分集 隨機(jī) PRI 的示例也被證明可以提供范圍消歧。理論與仿真 結(jié)果已通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證。

未來(lái)的工作可能包括推導(dǎo)隨機(jī)相序，這些隨機(jī)相序具有更好的旁瓣特性。距離-多普勒區(qū)域和可能的計(jì)算復(fù)雜性降低。進(jìn)一步的改進(jìn)可能是應(yīng)用 知識(shí)輔助雷達(dá)技術(shù)，包括渦輪機(jī)的已知特性、風(fēng)速和 環(huán)境 。?此外，相序也可以導(dǎo)出為動(dòng)態(tài)/瞬時(shí)知識(shí)輔助的輸出 優(yōu)化技術(shù)。

編輯：黃飛

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