面向AESS的机载气象雷达仿真激励系统关键算法研究

摘要

机载气象雷达是飞机环境监视系统(AESS)的一个重要部分,对于安全飞行至关重要。但直接研发耗资大,时间周期长。真实的雷达模拟仿真系统可以减少研发成本,研究人员可以测试信号处理技术的稳定性和局限性,同时还可以检查在设计过程中可能忽略的因素。本文面向AESS机载气象雷达模拟仿真系统,根据飞行前方的卫星云图,来动态反演所在区域的天气信息(云场,风场),并把这些数据信息作为机载气象雷达模拟仿真系统的外部激励。
　　本文重点研究了机载气象雷达模拟仿真系统的数据激励关键算法:风场反演,云场微物理建模,以及云场动态仿真。
　　风场的反演中,分别采用了有限差分法,投影法和低维流体运动估计法。有限差分和投影法,能快速的求解N-S方程,在此基础上实现对两帧图片间任意时刻上速度场的重现;低维流体运动估计法中,引入了光流的低维参数化表达来处理相邻两帧图片,比传统光流计算精度高,得到的速度场作为N-S方程求解时的初值。这两种方法的结合,能较为精确的反演风场,是本文一个创新点。
　　云场密度更新过程中,引入了Stam的方法,获得了可靠的密度场,大大简化了计算。利用单元自动机技术,通过简单的布尔运算来模拟运动,能有效的实行对云的生成和消失的模拟。云的动态仿真中,加入了云演化的实际物理模型,并做以简化,得到的动态三维云场,不仅视觉上逼真,也兼顾了物理模型的真实性。这是本文的另一个创新点。
　　软件仿真结果表明,此整套方法下获得的结果,与实际二维卫星图片所显示的天气信息比较符合,基本上满足AESS数字样机的要求。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 气象雷达模拟激励系统

1.4 本文研究内容

第二章 云场动力学求解

2.1 引言

2.2 云场动力学基本公式

2.3 风场建模及快速求解

2.4 基于卫星图像数据的大范围风场重建

2.5 算法评估

2.6 小结

第三章 云场微物理模型总体建模

3.1 云的微观物理学

3.2 云的总体模型

3.3 云场粒子密度更新

3.4 小结

第四章 云场的动态仿真

4.1 引言

4.2 基本理念

4.3 模拟方法

4.4 小结

第五章 软件模拟

5.1 软件构架

5.2 模拟仿真

第六章 总结与展望

6.1 主要工作与创新点

6.2 后续工作

参考文献

致谢

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