CN101950017A - 高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法。本发明属于雷达回波信号仿真技术领域。高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，包括步骤：(1)利用风场仿真软件建立风切变风场模型；(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子；(3)初始化仿真场景；(4)确定扫描方位内散射微粒与飞机相对位置信息；(5)计算风场散射微粒的回波信号幅度与相位信息；(6)对散射微粒的回波进行叠加，形成一个扫描方位的回波信号；(7)更新天线扫描角度，判断扫描范围，若超出扫描范围，输出仿真结果；反之重复上述步骤。本发明具有方法简单，仿真效果好，高保真对机载气象雷达风切变目标的回波进行仿真等优点。

Description

高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法

技术领域

本发明属于雷达回波信号仿真技术领域，特别是涉及一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法。

背景技术

目前，低空风切变是航空器在起飞和着陆阶段公认的对飞行安全危害最大的天气现象，民航飞机对低空风切变等气象目标的探测需要依靠机载前视气象雷达，可以说它是民航飞机的“双眼”。由于低空风切变具有危险性大、持续时间短且不易探测的特点，其实际数据较难获取，只能通过高保真仿真来得到。

对于气象目标回波信号的仿真大多基于统计模型，根据目标的在时间上的相关性进行仿真。但是，低空风切变是一种复杂的天气过程，除在时间上具有相关性外在空间上也是相关的。迄今，没有有关文献对风切变的相关性有准确的描述。因此，采用统计模型的方法不适用于机载前视气象雷达低空风切变回波信号的仿真。

低空风切变信号的仿真依赖于所采用的低空风切变的风场模型。目前，低空风切变风场建模方法主要有三种：第一类模型是以实际测量数据为依据建立的模型，这类模型不足以反映低空风切变的本质特征及动态发展过程；第二类模型是工程化的简化模型，一般仅能反映出风切变的速度特性，并不能体现出其全部特点，因此不能真实地反映低空风切变雷达回波信号的特点；第三类模型是美国NASA建立的TASS(Terminal Area Simulation System)模型，因为这种模型所涉及的技术复杂，对系统要求较高，需要大型计算机进行求解，不适合作为实时仿真的低空风切变的工程化模型。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法。

本发明的目的是提供一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，能够更准确地反映出低空风切变风场特点，能真实地反映出机载前视气象雷达对低空风切变目标的回波特征。

本发明是基于风场仿真软件所建立的真实的风切变风场模型，在此基础上高保真地实现机载气象雷达风切变回波信号的仿真。仿真包括以下几个步骤：

(1)基于流体力学和小尺度气象学理论，利用风场仿真软件建立风切变的风场模型，得到用于回波仿真的风切变风场的速度分布与密度分布。

(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子。

(3)初始化仿真场景；设置飞机参数、雷达参数、飞机与风场的相对位置以及由风场仿真软件所生成的风场信息等参数。

(4)确定当前扫描方位内所有散射微粒与飞机的距离R、相对速度v_r等信息。

(5)计算风场各散射微粒的回波信号幅度与相位信息。由雷达方程可知，回波信号的幅度可以表示为：

$A_i=\sqrt{\frac{0.93P_t{G}^2{\mathrm{\π}}^2{Z}_e}{64{\mathrm{\λ}}^2{R}_i^4}}$

其中，A_i表示第i个散射微粒的幅度与相位，P_t为雷达功率，G表示天线增益，Z_e为反射率因子，λ为发射信号波长，R_i表示飞机与微粒间的距离。

回波信号的相位可以表示为：

其中，λ为发射信号波长。由于R_i＝R₀-v_rt，R₀是微粒与飞机间的初始距离，v_r是微粒与飞机间的径向速度。因此，在回波信号的相位中包含了微粒的速度信息。

(6)对所有散射微粒的回波进行叠加

形成一个扫描方位的回波信号。其中，n₀为噪声，可由雷达接收机的噪声门限所确定。

(7)根据天线扫描速度更新天线的扫描方位，判断是否已经结束扫描过程，如果扫描过程已经完成，则停止扫描，输出仿真结果；反之，根据新的扫描方位以及所经历的时间更新散射微粒与雷达的位置和速度信息，并重复(5)(6)直至扫描过程结束。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，进行低空风切风场建模，其特点是：在能反映风切变特征的流体力学模型的基础上实现回波仿真，该方法包括以下步骤：

(1)基于流体力学和小尺度气象学理论，利用风场仿真软件建立风切变风场模型，得到用于回波仿真的风切变风场的速度分布与密度分布；

(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子；

(3)初始化仿真场景；设置飞机参数、雷达参数、飞机与风场的相对位置以及由风场仿真软件所生成的风场信息等参数；

(4)确定当前扫描方位内散射微粒与飞机相对位置信息；

(5)计算风场散射微粒的回波信号幅度与相位信息；

(6)对散射微粒的回波进行叠加，形成一个扫描方位的回波信号；

(7)更新天线的扫描角度，判断是否超出扫描范围，若已超出扫描范围则停止仿真过程，输出仿真结果；反之，更新飞机与微粒间位置、速度等信息，重复(5)(6)直至扫描过程结束。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特点是：风场仿真软件建立风切变风场模型，建立了关于风切变的下沉气流的控制方程，确定了风场的初始条件与边界条件，划分网格并对网格节点求解方程，生成风场的速度分布与密度分布。

所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特点是：风场的初始条件是根据风切变的在气象学上的特点确定的；边界条件是由风切变的物理特征，在规定计算区域后所确定的区域进出口处的条件。

所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特点是：划分网格并对网格节点求解方程是使用网格生成技术，生成计算节点，然后利用有限容积法，建立离散化方程进行求解。

所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特点是：对散射粒子的回波进行叠加是对同一距离分辨单元内的微粒回波进行叠加，是逐距离分辨单元进行的。

所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特点是：更新天线扫描角度是根据天线的扫描速度逐步进行的。

本发明具有的优点和积极效果是：

高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明采用风场仿真软件建立低空风切变风场模型，能够提供该风场的速度分布和密度分布，能够更准确地反映出低空风切变回波的相位特征和幅度特征；本发明所提供的信号仿真方法真实地反映出机载前视气象雷达对低空风切变目标的回波特征。本发明具有方法简单，操作方便，系统要求低，数据准确，仿真效果好，能够高保真地对机载气象雷达风切变目标的回波进行仿真等优点。

附图说明

图1是本发明仿真流程结构示意图；

图2是风场仿真软件所生成的速度矢量分布示意图；

图3是风场仿真软件所生成的密度分布示意图；

图4是仿真信号所得的功率谱。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1、图2、图3和图4。

实施例1

一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其仿真过程包括：

步骤1，基于流体力学和小尺度气象学理论，利用风场仿真软件建立风切变的风场模型。

a)建立关于风切变的下沉气流的控制方程。风切变的下沉气流受物理规律的支配并处于湍流状态，使用控制方程对守恒定律进行描述。建立模型所需要的控制方程，主要包括连续方程、动量方程等。

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρV}\right)=S_m---\left(1\right)$

上式是连续性方程，其中，ρ是密度，t是时间，V是速度矢量，S_m是源项。

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρV}\right)}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρVV}\right)=-\▿p+\▿\·\left(\mathrm{\τ}\right)+\mathrm{pg}+F---\left(2\right)$

上式是动量守恒方程，p是流体微元体上的压力(静压)，g和F风别代表作用在微元体上的重力体积力和其他外部体积力，τ是因分子粘性作用而产生的作用在微体元表面上的粘性应力张量。

b)确定初始条件和边界条件。为了对风切变的物理过程构成完整的数学描述，还要对该过程确定其初始条件和边界条件。初始条件的设定是根据风切变的在气象学上的特点确定的；边界条件是由风切变的物理特征出发，在规定计算区域后所确定的区域进出口处的条件。

c)划分计算网格，生成计算节点，建立离散化方程。为了将控制方程在空间区域上进行离散，首先使用网格生成技术，生成计算节点。然后利用有限容积法，建立离散化方程。

d)求解方程，输出结果。在得到具有定解条件的代数方程组后，求解该方程组。得到各计算节点上的解后，将所计算的整个区域的风切变的速度场和密度场的分布情况输出到结果文件中。

如图2、图3所示为风场仿真软件在0℃、1个标准大气压下、相对湿度为100％情况下风切变风场的速度矢量分布与密度分布。

步骤2，计算风场的反射率因子。对于气象目标而言，气象目标的反射率因子与其密度有关，而本方法通过风场仿真软件所建立的风切变风场模型不仅反映了风场的速度分布特征，而且反映了相应的密度场分布特征，从而可以得到反射率因子：

$Z_e=\frac{{10}^{18}\×720{\left(\mathrm{\ρ}{q}_r\right)}^{1.75}}{{\mathrm{\π}}^{1.75}{N}_r^{1.75}{\mathrm{\ρ}}_r^{1.75}}---\left(3\right)$

其中，ρ为大气密度；q_r表示大气中水蒸气与空气的质量比；N_r＝8×10⁶m^-4，为一常数；ρ_r表示水的密度。

步骤3，初始化仿真场景；设置飞机参数、雷达参数、飞机与风场的相对位置以及由风场仿真软件所生成的风场信息等参数。

a)飞机参数：包括飞机的速度V_a，飞机高度h，飞机俯仰角

。

b)雷达参数：包括雷达发射机功率P_t，天线增益G，发射信号波长λ，雷达天线的扫描范围θ_min——θ_max，天线初始扫描位置θ₀，天线的扫描速率v_θ，波束宽度θ_3dB。

c)风场参数：包括风场的水平垂直速度v_x，风场垂直速度v_y，风场密度ρ，风场相对位置坐标(X，Y)，飞机距风场中心的水平距离d。

步骤4，确定在当前扫描方位下风场散射微粒的信息。根据飞机参数与风场参数能够计算出各散射粒子与飞机之间的距离R₀以及相对径向速度v_r。

步骤5，计算风场各散射微粒的回波信号幅度与相位信息。风切变是一种气象目标，属于体分布的弥散目标，在整个风场范围内存在大量的微粒。因而雷达天线所接收到的回波信号并不仅仅是来自一个微粒的回波，而是整个照射范围内所有散射粒子回波的叠加。由于雷达回波由幅度和相位组成，对于风场中处于雷达照射范围内的第i个微粒，雷达回波可表示为：

其中，A_i(t)表示目微粒的回波幅度，

表示该微粒回波的相位。

由雷达方程可以推导出回波的幅度可表示为

$A_i=\sqrt{\frac{0.93P_t{G}^2{\mathrm{\π}}^2{Z}_e}{64{\mathrm{\λ}}^2{R}_i^4}}---\left(5\right)$

其中，A_i表示第i个散射微粒的幅度与相位，P_t为雷达功率，G表示天线增益，Z_e为反射率因子，λ为发射信号波长，R_i表示飞机与微粒间的距离。

回波的相位可以表示为

其中，λ为发射信号波长。由于R_i＝R₀-v_rt，R₀是微粒与飞机间的初始距离，v_r是微粒与飞机间的径向速度。因此，在回波信号的相位中包含了微粒的速度信息。

步骤6，对所有散射微粒的回波进行叠加。根据气象目标回波的叠加特性，对由上一步所得的各微粒回波信号逐距离分辨单元进行叠加

最终形成一个扫描方位的回波信号。其中，n₀为噪声，可由雷达接收机的噪声门限所确定。

步骤7，更新天线扫描方位，并判是否超出扫描范围。若已经超出扫描范围则停止扫描，输出仿真结果；反之，根据R_i＝R₀-v_rt更新各微粒与飞机的相对位置，根据新的扫描角度更新各微粒与飞机的径向速度等信息，重复步骤5、步骤6直至扫描过程结束。

图4为所仿真信号的功率谱。所采用参数是，飞机参数：飞机速度75m/s，飞机高度600m，飞机下视角2.75°；设置雷达参数：发射机功率150W，天线增益30dB，相干脉冲数64，初始扫描角度90°，波束宽度3.5°；风场参数采用图2、图3所生成风场参数，飞机与风场中心的水平距离为5000m。可以观察到随着距离的增加，回波幅度呈明显的下降趋势，符合雷达回波的幅度特征；在多普勒域，多普勒频率随距离的变化呈现出明显的反“S”形，符合风切变风场的速度特征。

本实施例具有所述的积极效果和优点，能够高保真地对机载气象雷达风切变目标的回波进行仿真。

Claims (6)

1.一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，进行低空风切风场建模，其特征是：在能反映风切变特征的流体力学模型的基础上实现回波仿真，该方法包括以下步骤：

(1)基于流体力学和小尺度气象学理论，利用风场仿真软件建立风切变风场模型，得到用于回波仿真的风切变风场的速度分布与密度分布；

(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子；

(3)初始化仿真场景；设置飞机参数、雷达参数、飞机与风场的相对位置以及由风场仿真软件所生成的风场信息等参数；

(4)确定当前扫描方位内散射微粒与飞机相对位置信息；

(5)计算风场散射微粒的回波信号幅度与相位信息；

(6)对散射微粒的回波进行叠加，形成一个扫描方位的回波信号；

(7)更新天线的扫描角度，判断是否超出扫描范围，若已超出扫描范围则停止仿真过程，输出仿真结果；反之，更新飞机与微粒间位置、速度等信息，重复(5)(6)直至扫描过程结束。

2.根据权利要求1所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征是：风场仿真软件建立风切变风场模型，建立了关于风切变的下沉气流的控制方程，确定了风场的初始条件与边界条件，划分网格并对网格节点求解方程，生成风场的速度分布与密度分布。

3.根据权利要求2所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征是：风场的初始条件是根据风切变的在气象学上的特点确定的；边界条件是由风切变的物理特征，在规定计算区域后所确定的区域进出口处的条件。

4.根据权利要求2所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征是：划分网格并对网格节点求解方程是使用网格生成技术，生成计算节点，然后利用有限容积法，建立离散化方程进行求解。

5.根据权利要求1所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征是：对散射粒子的回波进行叠加是对同一距离分辨单元内的微粒回波进行叠加，是逐距离分辨单元进行的。

6.根据权利要求1所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征是：更新天线扫描角度是根据天线的扫描速度逐步进行的。

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