晴空湍流(clear air turbulence,CAT)被称为飞机的“隐形杀手”,而且研究发现随着全球气候变暖CAT发生频率日益增加,CAT对航空安全威胁巨大。CAT不伴有明显天气现象,常规机载气象雷达很难探测。现有机载气象雷达探测湍流仅根据回波的多普勒谱宽进行判断。美国航空无线电技术委员会新修订的DO-220A增加了机载气象雷达检测湍流的规范,要求检测量需考虑飞机特性的因素。基于此规范,本论文研究了基于垂直载荷因子的晴空湍流检测方法,这对机载气象雷达准确探测CAT具有实际意义。首先,分析了晴空湍流对飞行的影响及其危害,并结合垂直载荷因子的定义,从理论上推导了垂直载荷因子与晴空湍流对飞行危害程度的直接关系,还利用航班ADS-B数据验证分析了这一关系的合理性。继而,设计了将垂直载荷因子作为检测量的机载气象雷达湍流检测流程。研究了基于垂直载荷因子的增强型湍流检测方法,并针对湍流检测门限,基于贝叶斯准则推导得出了基于统计特性的阈值确定准则。在此基础上,设计了细化的增强型湍流检测步骤并进行了仿真分析。仿真验证表明,本文设计的增强型湍流检测流程能够满足DO-220A的要求。最后,针对垂直载荷因子计算中所需的雷达回波谱宽的估计,研究了低信噪比下的机载气象雷达回波谱宽估计方法,解决了晴空湍流雷达回波信噪比低造成谱宽估计误差大的问题。在雷达引入空时体制的基础上,提出了一种基于降秩多级维纳滤波器(reduced-rank multistage wiener filter,RR-MWF)的回波谱宽估计方法。该方法利用空时联合处理提高信噪比,构造了适用于分布式气象目标的自适应RR-MWF权矢量来处理雷达回波,可有效估计低信噪比的晴空湍流回波谱宽的同时降低空时处理的运算量。