大气湍流是民航客机执行飞行任务过程中时常遇到的一种危险气象目标,它具有随机性、间歇性、不规则性。机载气象雷达对大气湍流风场进行探测时,将信号回波的谱宽作为衡量湍流强度的标准。然而对于回波信噪比低的大气湍流,目前的机载气象雷达无法进行十分有效的探测预警。针对上述问题,本论文提出了两种湍流谱宽估计方法,在低信噪比情况下能够获得较理想的估计结果,提高湍流的检测概率。首先,研究了大气湍流场的特性、介绍了几种常用的大气湍流风场建模方法及其应用背景,并选取Von Karman湍流模型进行仿真。其次,对机载相控阵气象雷达的回波接收数据模型进行了研究,推导出大气湍流回波模型并对回波信号进行了仿真,同时对几种常见的湍流风场检测方法进行了介绍与分析。再次,论文提出了一种基于协方差矩阵拟合的大气湍流谱宽估计方法。在湍流目标回波的频谱符合高斯谱特性的基础上,构造湍流目标参数化协方差矩阵模型;然后利用回波信号的子空间正交特性将估计的回波协方差矩阵与湍流目标协方差矩阵的参数化模型进行拟合,通过求解代价函数来估计湍流谱宽。该方法在回波信噪比低时依然可以获得精确的谱宽估计结果,而且使用的脉冲数越多,估计性能越好。最后,论文提出了一种基于压缩感知的低复杂度大气湍流谱宽估计方法,该方法基于大气湍流回波的空时特征建立了风场速度谱宽的过冗余空时字典;然后利用压缩感知原理实现了回波信号的重构。该方法在低信噪比下能够获得较精确的谱宽估计,而且相较于上一章方法,在性能损失有限的情况下,降低了运算复杂度。