專利名稱：高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達回波信號仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高保真機載前視氣象雷 達低空風(fēng)切變信號仿真方法。
背景技術(shù)：
目前，低空風(fēng)切變是航空器在起飛和著陸階段公認(rèn)的對飛行安全危害最大的天氣 現(xiàn)象，民航飛機對低空風(fēng)切變等氣象目標(biāo)的探測需要依靠機載前視氣象雷達，可以說它是 民航飛機的“雙眼”。由于低空風(fēng)切變具有危險性大、持續(xù)時間短且不易探測的特點，其實際 數(shù)據(jù)較難獲取，只能通過高保真仿真來得到。對于氣象目標(biāo)回波信號的仿真大多基于統(tǒng)計模型，根據(jù)目標(biāo)的在時間上的相關(guān)性 進行仿真。但是，低空風(fēng)切變是一種復(fù)雜的天氣過程，除在時間上具有相關(guān)性外在空間上也 是相關(guān)的。迄今，沒有有關(guān)文獻對風(fēng)切變的相關(guān)性有準(zhǔn)確的描述。因此，采用統(tǒng)計模型的方 法不適用于機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變回波信號的仿真。低空風(fēng)切變信號的仿真依賴于所采用的低空風(fēng)切變的風(fēng)場模型。目前，低空風(fēng) 切變風(fēng)場建模方法主要有三種第一類模型是以實際測量數(shù)據(jù)為依據(jù)建立的模型，這類 模型不足以反映低空風(fēng)切變的本質(zhì)特征及動態(tài)發(fā)展過程；第二類模型是工程化的簡化模 型，一般僅能反映出風(fēng)切變的速度特性，并不能體現(xiàn)出其全部特點，因此不能真實地反映 低空風(fēng)切變雷達回波信號的特點；第三類模型是美國NASA建立的TASSCTerminal Area Simulation System)模型，因為這種模型所涉及的技術(shù)復(fù)雜，對系統(tǒng)要求較高，需要大型計 算機進行求解，不適合作為實時仿真的低空風(fēng)切變的工程化模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種高保真機載前視氣象雷達 低空風(fēng)切變信號仿真方法。本發(fā)明的目的是提供一種高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，能 夠更準(zhǔn)確地反映出低空風(fēng)切變風(fēng)場特點，能真實地反映出機載前視氣象雷達對低空風(fēng)切變 目標(biāo)的回波特征。本發(fā)明是基于風(fēng)場仿真軟件所建立的真實的風(fēng)切變風(fēng)場模型，在此基礎(chǔ)上高保真 地實現(xiàn)機載氣象雷達風(fēng)切變回波信號的仿真。仿真包括以下幾個步驟(1)基于流體力學(xué)和小尺度氣象學(xué)理論，利用風(fēng)場仿真軟件建立風(fēng)切變的風(fēng)場模 型，得到用于回波仿真的風(fēng)切變風(fēng)場的速度分布與密度分布。(2)根據(jù)仿真風(fēng)場的密度信息計算風(fēng)切變風(fēng)場的反射率因子。(3)初始化仿真場景；設(shè)置飛機參數(shù)、雷達參數(shù)、飛機與風(fēng)場的相對位置以及由風(fēng) 場仿真軟件所生成的風(fēng)場信息等參數(shù)。(4)確定當(dāng)前掃描方位內(nèi)所有散射微粒與飛機的距離R、相對速度\等信息。(5)計算風(fēng)場各散射微粒的回波信號幅度與相位信息。由雷達方程可知，回波信號的幅度可以表示為4 /0^ VZe其中，Ai表示第i個散射微粒的幅度與相位，Pt為雷達功率，G表示天線增益，Ze為 反射率因子，λ為發(fā)射信號波長，Ri表示飛機與微粒間的距離。回波信號的相位可以表示為
權(quán)利要求
一種高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，進行低空風(fēng)切風(fēng)場建模，其特征是在能反映風(fēng)切變特征的流體力學(xué)模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)回波仿真，該方法包括以下步驟(1)基于流體力學(xué)和小尺度氣象學(xué)理論，利用風(fēng)場仿真軟件建立風(fēng)切變風(fēng)場模型，得到用于回波仿真的風(fēng)切變風(fēng)場的速度分布與密度分布；(2)根據(jù)仿真風(fēng)場的密度信息計算風(fēng)切變風(fēng)場的反射率因子；(3)初始化仿真場景；設(shè)置飛機參數(shù)、雷達參數(shù)、飛機與風(fēng)場的相對位置以及由風(fēng)場仿真軟件所生成的風(fēng)場信息等參數(shù)；(4)確定當(dāng)前掃描方位內(nèi)散射微粒與飛機相對位置信息；(5)計算風(fēng)場散射微粒的回波信號幅度與相位信息；(6)對散射微粒的回波進行疊加，形成一個掃描方位的回波信號；(7)更新天線的掃描角度，判斷是否超出掃描范圍，若已超出掃描范圍則停止仿真過程，輸出仿真結(jié)果；反之，更新飛機與微粒間位置、速度等信息，重復(fù)(5)(6)直至掃描過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，其特征 是風(fēng)場仿真軟件建立風(fēng)切變風(fēng)場模型，建立了關(guān)于風(fēng)切變的下沉氣流的控制方程，確定了 風(fēng)場的初始條件與邊界條件，劃分網(wǎng)格并對網(wǎng)格節(jié)點求解方程，生成風(fēng)場的速度分布與密 度分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，其特征 是風(fēng)場的初始條件是根據(jù)風(fēng)切變的在氣象學(xué)上的特點確定的；邊界條件是由風(fēng)切變的物 理特征，在規(guī)定計算區(qū)域后所確定的區(qū)域進出口處的條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，其特征 是劃分網(wǎng)格并對網(wǎng)格節(jié)點求解方程是使用網(wǎng)格生成技術(shù)，生成計算節(jié)點，然后利用有限容 積法，建立離散化方程進行求解。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，其特征 是對散射粒子的回波進行疊加是對同一距離分辨單元內(nèi)的微?；夭ㄟM行疊加，是逐距離 分辨單元進行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，其特征 是更新天線掃描角度是根據(jù)天線的掃描速度逐步進行的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法。本發(fā)明屬于雷達回波信號仿真技術(shù)領(lǐng)域。高保真機載前視氣象雷達低空風(fēng)切變信號仿真方法，包括步驟(1)利用風(fēng)場仿真軟件建立風(fēng)切變風(fēng)場模型；(2)根據(jù)仿真風(fēng)場的密度信息計算風(fēng)切變風(fēng)場的反射率因子；(3)初始化仿真場景；(4)確定掃描方位內(nèi)散射微粒與飛機相對位置信息；(5)計算風(fēng)場散射微粒的回波信號幅度與相位信息；(6)對散射微粒的回波進行疊加，形成一個掃描方位的回波信號；(7)更新天線掃描角度，判斷掃描范圍，若超出掃描范圍，輸出仿真結(jié)果；反之重復(fù)上述步驟。本發(fā)明具有方法簡單，仿真效果好，高保真對機載氣象雷達風(fēng)切變目標(biāo)的回波進行仿真等優(yōu)點。
文檔編號G01S7/41GK101950017SQ20101025270
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者盧曉光, 吳仁彪, 孟志超, 蘇志剛, 范懿 申請人:中國民航大學(xué)