机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法

摘要

一种机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法。其包括利用包括场景范围、边界条件在内的场景参数，建立三维网格化的计算域；对计算域进行流体仿真，生成原始风场数据；对原始风场数据进行修正；建立仿真场景，并按照场景参数的设置读取修正风场数据；根据仿真场景，模拟机载气象雷达扫描低空风切变，对雷达波束内的散射点进行相干叠加，形成一个扫描方位的雷达回波信号；利用载机参数、场景参数和扫描参数分别更新飞机位置信息、修正风场数据和雷达波束角度扫描信息；依据雷达参数中的扫描范围判断扫描是否完成。本发明方法可真实地反映出风切变回波信号的气象特征，仿真数据有效可靠。

说明书

技术领域

本发明属于雷达回波信号仿真技术领域，特别是涉及一种机载气象雷达低空风切变三 维回波仿真方法。

背景技术

低空风切变是飞机在起飞和着陆阶段遇到的危害最大的天气现象之一。当飞机穿过风 切变区域的风场中心时，受急剧变化的风速和下沉气流的影响，会使飞机接近失速。由于 在飞机起降阶段可操纵的高度空间受限，若风切变强度较大，则极易造成严重的坠机事故。 由于真实的风切变回波数据较难获取，因此开展高保真的低空风切变三维回波仿真方法的 研究具有十分重要的现实意义。

气象目标模型的建立不同于一般的目标建模。常见的目标建模，大多是基于目标的起 伏特性在时间上的相关性来建立相应的统计模型，而对于气象目标模型来说明，不仅在时 间维具有相关性，在空间维也具有相关性，因此不能简单地采用统计模型的方法。

低空分切变是一种分布式气象目标，常用的低空风切变建模方法主要分为3类：

(1)类似于一般目标的外场实测法，利用以由机场的气象雷达网和塔台组成的监测 网实际测量数据为依据建立的模型，如美国的联合机场天气研究(Joint Airport Weather  Studies，JAWS)计划等。该类模型基于探测到的真实数据进行建模，模型数据真实可靠， 但其无法反映出风切变的本质特征及动态发展过程，不能随气象条件的不同而变化。

(2)工程化的简化模型，该模型通常根据物理概念用简单的数学形式拟合而成。虽 然该类模型实现较为简单，但其忽略了其它因素对雷达回波的影响，因而并不能体现出风 切变风场的全部特点。

(3)以描述小尺度气象的大气动力学和微物理方程为基础的小尺度气象模型。该类 模型有NASA的Langley研究中心建立的TASS(Terminal Area Simulation System)模型、 简化解析模型以及ARPS(Advanced Regional Prediction System)模型。TASS模型能够模拟 整个风场从发生到发展的动态全过程，不但能够反映风场的速度特征，还能提供大气中的 相应参数，如温度、水分和反射率因子等。

机载气象雷达回波信号仿真越来越得到重视，一方面，随着雷达的不断发展，功能愈 加强大，种类愈加繁多，利用外场实验对雷达性能和指标的测试已经不能满足需求；另一 方面，对于低空风切变的研究，其具有发生突然、持续时间短、影响强度大、危险性高和 不易探测等特点，因此实测数据不易获取。那么，建立合理的算法模型，利用软件或硬件 对雷达回波信号仿真就成为重要的手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于真实低空风切变回波数据难以获取的情况下， 提供一种机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法。

为了达到上述目的，本发明提供的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法包括以 下几个步骤：

1)利用包括场景范围、边界条件在内的场景参数，建立三维网格化的计算域；

2)对上述建立的计算域进行流体仿真，生成原始风场数据；

3)采用反距离加权插值法对上述步骤2)中生成的原始风场数据进行修正，以使原 始风场数据均匀化；

4)建立仿真场景，初始化包括雷达参数、载机参数、扫描参数和场景参数在内的场 景仿真参数，并按照场景参数的设置读取步骤3)中的修正风场数据；

5)根据步骤4)中建立的仿真场景，模拟机载气象雷达扫描低空风切变，对雷达波 束内的散射点进行相干叠加，形成一个扫描方位的雷达回波信号。

6)利用步骤4)中的载机参数、场景参数和扫描参数分别更新飞机位置信息、修正 风场数据和雷达波束扫描角度信息；

7)依据雷达参数中的扫描范围判断扫描是否完成，若完成，输出一个扫描周期的回 波信号；若未完成，返回步骤5)直至扫描结束。

在步骤1)中，所述的场景范围为中心对称的圆柱形，边界条件为一个标准大气压的 开放性出口，不限制流体流出方向，三维网格化的计算域由非均匀网格构成。

在步骤2)中，所述的对上述建立的计算域进行流体仿真，生成原始风场数据的方法 是：设定由流体特性和边界条件构造的流体仿真的初始条件，利用迭代连续方程与动量方 程计算三维网格内的原始风场数据，进行流体仿真。

所述的初始条件中以参考密度为1.225kg/m³的理想气体设定仿真的流体特性，初始 条件中依据的边界条件为一个标准大气压的开放性出口，不限制流体流出方向。

在步骤3)中，所述的反距离加权插值法是将插值点与已知点间距离的倒数作为权值 进行加权求和，其表达式如下：

$Z=\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{Z_i}{d_i^p}\right)/\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{1}{d_i^p}\right)$

式中，Z为插值点位置的待估参数，比如密度、速度，Z_i表示第i个已知点的参数，d_i 为第i个已知点与插值点的距离，p为幂指数，控制权值的大小，N表示加权计算用到的 已知点的总数。

在步骤5)中，所述的对雷达波束内的散射点进行相干叠加，形成一个扫描方位的雷 达回波信号的方法是：利用逐脉冲撒点法实现，通过计算雷达扫描方向上各散射点的回波， 叠加后形成该方位的雷达回波信号。

在步骤6)中，所述的利用步骤4)中的载机参数、场景参数和扫描参数分别更新飞 机位置信息、修正风场数据和雷达波束扫描角度信息的方法是：利用飞行速度更新飞机位 置状态，利用风场风速更新修正风场数据，并按照机载气象雷达的扫描参数更新波束扫描 角度信息。

在步骤7)中，所述的扫描范围指的是依据机载气象雷达的工作模式，工作于风切变 模式下的雷达扫描范围为±90°。

本发明提供的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法具有如下优点和积极效果： 与现有技术相比，本发明针对低空风切变回波数据难以直接获取的问题，基于TASS模型 的设计思想，结合低空风切变的气象特性，利用计算流体力学仿真的方法建立较为真实的 三维风场模型，从而实现高保真的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真，可为后续数据 处理和低空风切变检测技术的研究等提供可靠的数据支持。本发明方法可真实地反映出风 切变回波信号的气象特征，仿真数据有效可靠。

附图说明

图1为计算域模型示意图；

图2为三维风场的速度分布图；

图3为三维风场垂直切面的速度分布图；

图4为三维风场垂直切面的密度分布图；

图5为提供的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法流程图；

图6为雷达回波信号的功率分布图；

图7为雷达回波信号的速度分布图；

图8为方位角为0°的雷达回波信号速度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真 方法进行详细说明。

如图5所示，本发明提供的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法包括按顺序进 行的下列步骤：

1)利用包括场景范围、边界条件在内的场景参数，建立三维网格化的计算域；

微下击暴流是一种特殊的低空风切变，本发明方法采用微下击暴流模型建模，如图1 所示，构造的场景范围为中心对称的圆柱形，圆柱半径为3000米，圆柱高度为3000米。 边界条件为开放式出口，圆柱顶端设置流体入口，入口为圆形，半径为500m，其余部分 为流体出口区域，不限制流体流出方向，场景压强为1个标准大气压，入口流体为0℃， 仿真场景为25℃。三维网格化的计算域采用非均匀网格拟合，生成计算节点。

2)对上述建立的计算域进行流体仿真，生成原始风场数据；

流体仿真的初始条件由流体特性和边界条件构造，初始条件中以参考密度为 1.225kg/m³的理想气体设定仿真的流体特性，初始条件中依据的边界条件即为步骤1中 所述的边界条件。利用迭代连续方程与动量方程计算三维网格内的风场模型数据，进行流 体仿真。设置迭代收敛因子为0.7，建立风切变的下沉气流的迭代连续方程、动量方程， 通过该方程构造仿真模型。根据连续性条件(质量守恒定律)，流出量与流入量的差应等 于单位体积内流体质量的变化，从而得到连续方程：

$\frac{\partial \rho }{\partial t}+▿·\left(\mathrm{\rho V}\right)=S_m$

式中，ρ为大气密度，t为时间，为哈密顿运算符，V为速度矢量，S_m是源项。

流体内微元体上满足动量守恒，动量方程如下：

$\frac{\partial \left(\mathrm{\rho V}\right)}{\partial t}+▿·\left(\mathrm{\rho VV}\right)=-▿p+▿·\left(\tau \right)+\mathrm{pg}+F$

式中，p为微元体上的流体压力，V为速度矢量，t为时间，为哈密顿运算符，g为 作用在微元体上的重力，F为其他外部体积力，τ为分子粘性作用下产生的作用在微体元 表面上的粘性应力张量。

流体仿真后，获得的三维风场速度分布如图2所示，三维风场垂直切面的速度分布如 图3所示。由图2-图3可见，生成的三维风场速率明显呈现出水平涡旋的特性，在水平涡 旋的下方，速率出现最大值，周围的速度出现梯度递减，水平方向上风速呈现出反“S” 特性，符合低空风切变的速度分布特点。

在25℃时，一个标准大气压条件下生成的三维风场垂直切面的密度分布，如图4所 示。由图4可以看出，低空风切变撞击地面时形成高密度区域，在涡旋中心处形成低密度 区，随着风场的扩散，密度缓慢回到平均水平，达到与周围密度一致，呈现出高-低-高的 变化趋势，本发明的流体仿真结果符合低空风切变的密度分布特点。

3)采用反距离加权插值法对上述步骤2)中生成的原始风场数据进行修正，以使原 始风场数据均匀化；

由于步骤1)中的网格采用非均匀网格拟合，因此产生的原始风场数据不便于后续处 理，本发明方法采用插值预处理方式将生成的原始风场数据均匀化。均匀化的方式采用反 距离加权法，反距离加权插值法是将插值点与已知点间距离的倒数作为权值进行加权求 和，其表达式如下：

$Z=\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{Z_i}{d_i^p}\right)/\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{1}{d_i^p}\right)$

式中，Z为插值点位置的待估参数(如密度、速度等)，Z_i表示第i个已知点的参数， d_i为第i个已知点与插值点的距离，p为幂指数，控制权值的大小，N表示加权计算用到 的已知点的总数。

4)建立仿真场景，初始化包括雷达参数、载机参数、扫描参数和场景参数在内的场 景仿真参数，并按照场景参数的设置读取步骤3)中的修正风场数据；

雷达参数包括脉冲重复频率为7000Hz，发射脉宽为1μs，天线增益为30dB，雷达发 射功率为100W，信噪比为5dB；载机参数包括飞机高度为600米，飞行速度为75m/s； 扫描参数按照现有机载气象雷达工作在风切变模式下设置，天线扫描的角度范围为±90 °，天线下视角为2.5°，扫描角速度为场景参数假设飞机处于(0，0)位置，风 场中心处于飞机正前方6公里处，并按照该设置读取步骤3)中的修正风场数据；

5)根据步骤4)中建立的仿真场景，模拟机载气象雷达扫描低空风切变，对雷达波 束内的散射点进行相干叠加，形成一个扫描方位的雷达回波信号。

低空风切变是分布式目标，具有分布式目标的特性，每个距离单元中由大量的散射点 组成。计算每个散射点的雷达回波，通过相干叠加生成每个距离单元的回波信号。将一个 波束范围内所有散射点的回波信号按上述方法进行叠加，即得到一个扫描方位的雷达回波 信号，其表达式为：

式中，A_i(t)为第i个散射点的回波幅度，为第i个散射点的回波相位，N₀为接收 机噪声。

根据气象雷达方程推导出回波幅度公式：

$A_i\left(t\right)=\sqrt{\frac{0.93P{G}^2{\pi }^2{Z}_e}{64{\lambda }^2{R}_i^4\left(t\right)}}$

式中，A_i为第i个散射点的幅度，P为雷达发射功率，G为天线增益，Z_e为风场反射 率因子，R_i(t)为t时刻第i个散射点与雷达之间的距离，λ为发射信号波长。

单个散射点回波相位可以表示为：

式中，λ为发射信号波长，R_i为飞机与第i个散射点间的距离。回波信号的相位中包 含散射点的速度信息。

6)利用步骤4)中的载机参数、场景参数和扫描参数分别更新飞机位置信息、修正 风场数据和雷达波束扫描角度信息；

利用飞行速度更新飞机位置状态，利用风场风速更新修正风场数据，并按照机载气象 雷达的扫描参数更新波束扫描角度信息。

7)依据雷达参数中的扫描范围判断扫描是否完成，若完成，输出一个扫描周期的回 波信号；若未完成，返回步骤5)直至扫描结束。

依据机载气象雷达的工作模式，工作于风切变模式下的雷达扫描范围为±90°。图6 为雷达回波信号的功率分布图，如图6所示，风切变区域位于扫描中心的正前方，扫描点 距离风场中心位置约为6km，存在的风切变回波区域与构建的风场模型相匹配。图7为完 整扫描范围内雷达回波信号的速度分布图。以一个方位下的速度估计结果为例，飞机正前 方(方位角为0°)回波信号的风速分布如图8所示。由图7-图8可见，风切变在飞机正 前方约3km到9km的范围。在风场中心位置附近，风速估计结果呈对称分布，且符合真 实风切变信号沿距离方向呈反“S”特性的分布特点，在风切变区域之外，杂乱的速度分 布是由于噪声引起的。

本发明以TASS模型的设计思想为基础，结合气象目标的微物理特性，利用计算流体 力学的仿真方法构造低空风切变的三维风场模型，在对非均匀的原始场景数据进行预处理 之后，利用逐脉冲撒点仿真法，模拟机载气象雷达扫描的实际过程，实现了高保真的低空 风切变三维回波仿真。