CN105629237A - 利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风场危险性评估方法。更具体地说，本发明涉及一种利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，包括：机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到风场的紊流强度的估算值，并对风场进行数字重建；利用数字重建后的风场，结合飞行参数进行飞行动力学仿真，得到飞机穿越风场时的三轴移动加速度和三轴转动加速度；将上述结果依次进行离散化，快速数字傅里叶变换，分频段计权和全时长均方根求取，以及加权求和，得到飞机穿越风场飞行时的等效总振动量，将等效总振动量与预先设定的等效总振动量的指标进行对比，进而完成对风场的危险性评估。本发明可提供比现有雷达更为直观详细的风场信息，对风场的评估更加全面和合理。

Description

利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法

技术领域

本发明涉及一种对风场进行危险性评估的方法。更具体地说，本发明涉及一种利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法。

背景技术

穿越危险风场的飞行会导致飞机颠簸和较大的机体过载，不仅严重影响客机的乘坐品质，还会导致客舱致伤等危险事件，遭遇紊流时乘客受伤的事故时有发生。

目前在役飞行器对紊流及微下冲风切变等扰动风场的探测和预警，主要依靠以气象雷达为核心的探测设备。现在的气象雷达广泛使用多普勒相参体制，这种雷达可以提供风场的平均径向速度和谱宽数据，分别包含了风场速度的平均值和方差信息。

当前已经有成熟的方法，可以利用雷达谱宽数据对风场的紊流耗散率等微观结构性参数进行估计。尽管谱宽以及紊流耗散率都包含了风场速度的均方根信息，但是并不能直接用于评估风场对飞行器飞行的影响。从飞行员和地面指挥人员的角度，更希望获取风场对飞行影响程度的直观信息。

当前的气象雷达大多只能为飞行员和指挥员提供基本反射率因子、平均径向速度和谱宽等直接观测数据，由使用者根据经验去判断风场的危险程度。新一代的气象雷达，如2001年左右罗克韦尔-柯林斯(RockwellCollins)公司开发的紊流探测和预警系统(TurbulencePredictionandWarningSystem,TPAWS)，预先通过大量的飞行实验积累风场谱宽和飞机响应的对应数据，并存储在雷达存储器中，雷达装机使用时，根据预先存储的数据和探测得到的雷达谱宽，对飞机响应的法向过载均方根进行估算，并将估算结果显示出来。这种方法有这样一些缺点：(1)成本较高，而且穿越危险风场的飞行试验具有较大的危险性；(2)使用法向过载均方根作为评价依据，难于充分考虑脉冲振动；(3)评价过载的均方根，没有考虑振动频率对人体健康和舒适性评估的影响；(4)飞机各轴向都存在振动，使用法向过载均方根仅做单一方向的振动评估偏于片面。

基于这样的背景，针对风场危险性进行评估的方法需求，需要一种使用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，以方便飞行员和地面指挥人员及时对空域风场的危险性建立直观认识，并及时做出飞行决策，以避免飞行事故并提高乘客的乘坐舒适性。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供比现有雷达更为直观详细的风场信息，对风场的评估更加全面和合理。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，包括以下步骤：

步骤一、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到所述风场的紊流强度的估算值，并对风场进行数字重建；

步骤二、利用步骤一得到的数字重建后的风场，结合雷达载机的飞机模型和飞行参数进行飞行动力学仿真，得到飞机穿越风场时的三轴移动加速度和三轴转动加速度；

步骤三、设定最小观测区间，对目标区域进行划分，将步骤二得到的三轴移动加速度和三轴转动加速度按照所述最小观测区间进行离散化，通过快速数字傅里叶变换算法将离散化的三轴移动加速度和三轴转动加速度的时域信号转化为频域信号，将转化后的三轴移动加速度和三轴转动加速度根据不同频段的影响等级依次进行加权求和和全时长均方根求取，得到三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度；

步骤四、将步骤三中多个最小观测区间内得到的三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度进行加权求和，得到飞机穿越风场飞行时的等效总振动量，将所述等效总振动量与预先设定的等效总振动量的指标进行对比，进而完成对风场的危险性评估。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤三中的最小观测区间为空间尺度上的最小观测区间或时间尺度上的最小观测区间。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述最小观测区间为400米或5秒。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤三中还包括，采用加海明窗的形式对快速数字傅里叶变化算法导致的信息失真进行误差修正。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤二中得到的飞机穿越风场时的三轴移动加速度的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_k\\ v_k\\ w_k\end{array}\right]-T_{bg}\left[\begin{array}{c}{u}_w\\ v_w\\ w_w\end{array}\right]$

V＝(u²+v²+w²)^1/2

sinβ＝v/V

tgα＝w/u

其中，u、v、w为机体轴系下的来流速度，u_k、v_k、w_k为航迹速度在机体轴系下的分量，T_bg是从地面系向机体系的转换矩阵，u_w、v_w、w_w为地面系下三轴风速，V为来流相对于飞机的总速度，α为迎角，β为侧滑角，

通过上述计算，得到考虑风速影响时飞机穿越风场时的气动力变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴移动加速度。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤二中得到的飞机穿越风场时的三轴转动加速度的计算公式如下：

$C_l=\[C_{lp}(p-w_{w_y})+C_{lr}(r-v_{w_x})\]b/2V$

$C_m=\[C_{mq}(q+w_{w_x})+C_{m\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_k-w_{w_x})\]C_A/2V$

$C_n=\[C_{np}(p-w_{w_y})+C_{nr}(r-v_{w_x})\]b/2V$

其中，p、q、r是机身角速度，C_l、C_m、C_n是机身三轴气动力矩系数，b是飞机翼展，C_A是飞机平均气动弦长，C_lp和C_lr分别为滚转角速度和偏航角速度对滚转力矩的影响系数，C_mq和分别为俯仰角速度和迎角角加速度对俯仰力矩的影响系数，C_np和C_nr分别为滚转角速度和偏航角速度对偏航力矩的影响系数，和分别为垂直方向的紊流速度沿飞机轴向和飞机侧向变化的空间梯度，为侧向紊流速度沿x方向变化的空间梯度，为航迹迎角随时间变化的角加速度，

通过上述计算，得到飞机三轴力矩系数的变化量，进而得到考虑风速梯度影响时飞机穿越风场时的力矩变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴转动加速度。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤四中，飞机穿越风场飞行时的等效总振动量的计算公式如下：

$\begin{array}{c}{a}_v=(k_x^2{a}_{wx}^2+k_y^2{a}_{wy}^2+k_z^2{a}_{wz}^2+\\ k_p^2{a}_{wp}^2+k_q^2{a}_{wq}^2+k_r^2{a}_{wr}^2{)}^{1/2}\end{array}$

其中，α_ν是等效总振动量，k_x、k_y、k_z、k_p、k_q、k_r分别是坐标轴三个方向上的移动加速度的方向因数和转动加速度的方向因数，a_wx、a_wy、a_wz、a_wp、a_wq、a_wr分别是坐标轴三个方向上的均方根移动加速度和均方根转动加速度，单位为米/秒²或者弧度/秒²。

优选的是，所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，还包括，将对风场的危险性评估的结果使用不同的色温显示在机载雷达的显示器上。

本发明至少包括以下有益效果：利用本方法对机载雷达所探测的风场进行危险性评估，可以提供比现有雷达更为直观详细的风场信息，风场的危险程度直观易懂，不要求使用者有丰富的经验。与罗克韦尔-柯林斯公司的新型雷达相比，本方法的风场评估更为全面：考虑了振动频率的影响，能够包含脉冲振动的影响，考虑了三轴移动加速度和三轴转动加速度，相较于单一方向的振动评估更为合理。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施例中飞机的纵向移动加速度的频谱响应示意图；

图3为本发明的另一实施例中的机载雷达对风场进行探测得到的谱宽数据；

图4为本发明的另一实施例中的完成数字重建的风场中心线上的三轴风速分布示意图；

图5为本发明的另一实施例中的飞机穿越风场飞行时的三轴振动加速度的示意图；

图6为本发明的另一实施例中的对风场的危险性评估的结果进行显示的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，可以利用机载多普勒气象雷达探测风场所得到的统计特征，结合雷达载机的机体特性和飞行参数，对所探测风场进行数字重建和飞行仿真，然后对仿真得到的飞行响应进行危险性评估。雷达硬件包括用于测量风场谱宽的雷达天线、用于存储飞机飞行参数的存储器和用于进行最终安全等级显示的显示器。紊流频谱模型、飞机模型和振动评价指标的计算均采用程序算法。具体包括以下步骤：

步骤一、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到所述风场的紊流强度的估算值，并对风场进行数字重建。

多普勒气象雷达对风场进行测量，能够提供风场的谱宽数据，谱宽数据包含有风场速度的均方根信息。求解紊流强度参数，需要借助雷达谱宽数据和紊流频谱模型建立封闭方程组，进行数值迭代求解。一般的扰动风场由紊流风场与平均风速等分量组成，其中平均风速信息可由多普勒雷达提供的平均径向速度给出，从而建立平均风速风场，而紊流风场需要借助紊流强度值建立，将紊流风场的数字模型和平均风速风场按照空间分布进行线性叠加，对风场进行数字重建。

步骤二、利用步骤一得到的数字重建后的风场，结合雷达载机的飞机模型和飞行参数进行飞行动力学仿真，得到飞机穿越风场时的三轴移动加速度和三轴转动加速度。

仿真计算时风扰动对飞机的影响分为两个方面，风速度的影响和风速度梯度的影响，又叫一阶影响和二阶影响。通过一阶影响的计算，可以求得考虑风速影响时飞机穿越风场时的气动力变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴移动加速度。通过二阶影响的计算，可以求得考虑风速梯度影响时飞机穿越风场时的力矩变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴转动加速度。通过仿真，能够得到飞机穿越风场飞行时的振动响应，主要是三个轴向的移动加速度和转动加速度。

步骤三、设定最小观测区间，对目标区域进行划分，得到多个最小观测区间。将步骤二得到的三轴移动加速度和三轴转动加速度按照所述最小观测区间进行离散化；通过快速数字傅里叶变换(FFT)算法将离散化的三轴移动加速度和三轴转动加速度的时域信号转化为频域信号，考虑到计算硬件的能力限制和实验数据，计算中最小带宽取为0.025Hz，可以适当增大，例如，以B747飞机为例，某强度级别紊流下，飞机的纵向移动加速度的频谱响应，也就是指紊流风速的频率从低频到高频变化，紊流风速所导致的飞机加速度的变化情况，如图2所示，横坐标是紊流风速的频率的变化范围，使用指数坐标，从0.001Hz变化到100Hz，位于上面的纵坐标是飞机加速度响应的幅值变化，幅值变化就是飞机加速度大小的变化，位于下面的纵坐标是飞机加速度响应的相位变化，相位的变化可以理解为飞机响应的时间滞后量的大小；将转化后的三轴移动加速度和三轴转动加速度根据不同频段的影响等级依次进行加权求和和全时长均方根求取，例如，频段为0.1～0.125Hz的频域信号的加权因数为0.0312，频段为5～6.3Hz的频域信号的加权因数为1.039，得到三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度。如果有偶然冲击或者是峰值因数(峰值因数定义为频率计权加速度信号的最大瞬时峰值与其均方根值的比的模)大于9的瞬态冲击，需要单独按照1秒的积分时间进行积分计算。

步骤四、将步骤三中多个最小观测区间内得到的三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度进行加权求和，得到飞机穿越风场飞行时的等效总振动量，例如，纵向移动加速度的加权值为1.4，垂直移动加速度的加权值为1。将所述等效总振动量与预先设定的等效总振动量的指标进行对比，进而完成对风场的危险性评估。预先设定的等效总振动量的评价指标如表1所示。

表1等效总振动量的评价指标(米/秒²)

其中，“无不舒适感”和“少许不舒适”属于安全范围，允许飞机飞行通过，“明显不舒适”和“不舒适”属于不安全范围，飞行中应尽量避免，“很不舒适”和“严重不舒适”属于危险范围，飞行中应立即回避绕行。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤三中的最小观测区间为空间尺度上的最小观测区间或时间尺度上的最小观测区间。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述最小观测区间为400米或5秒。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤三中还包括，采用加海明窗的形式对快速数字傅里叶变化算法导致的信息失真进行误差修正。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤二中得到的飞机穿越风场时的三轴移动加速度的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_k\\ v_k\\ w_k\end{array}\right]-T_{bg}\left[\begin{array}{c}{u}_w\\ v_w\\ w_w\end{array}\right]$

V＝(u²+v²+w²)^1/2

sinβ＝v/V

tgα＝w/u

其中，u、v、w为机体轴系下的来流速度，u_k、v_k、w_k为航迹速度在机体轴系下的分量，T_bg是从地面系向机体系的转换矩阵，u_w、v_w、w_w为地面系下三轴风速，V为来流相对于飞机的总速度，α为迎角，β为侧滑角，

通过上述计算，得到α和β等气动角的变化量，进而得到考虑风速影响时飞机穿越风场时的气动力变化量，主要包括升力、侧力和阻力的变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴移动加速度。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤二中得到的飞机穿越风场时的三轴转动加速度的计算公式如下：

$C_l=\[C_{lp}(p-w_{w_y})+C_{lr}(r-v_{w_x})\]b/2V$

$C_m=\[C_{mq}(q+w_{w_x})+C_{m\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_k-w_{w_x})\]C_A/2V$

$C_n=\[C_{np}(p-w_{w_y})+C_{nr}(r-v_{w_x})\]b/2V$

其中，p、q、r是机身角速度，C_l、C_m、C_n是机身三轴气动力矩系数，b是飞机翼展，C_A是飞机平均气动弦长，C_lp和C_lr分别为滚转角速度和偏航角速度对滚转力矩的影响系数，C_mq和分别为俯仰角速度和迎角角加速度对俯仰力矩的影响系数，C_np和C_nr分别为滚转角速度和偏航角速度对偏航力矩的影响系数，和分别为垂直方向的紊流速度沿飞机轴向(x向)和飞机侧向(y向)变化的空间梯度，为侧向紊流速度沿x方向变化的空间梯度，为航迹迎角随时间变化的角加速度，

通过上述计算，得到飞机三轴力矩系数的变化量，进而得到考虑风速梯度影响时飞机穿越风场时的力矩变化量，主要是俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩的变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴转动加速度。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，所述步骤四中，飞机穿越风场飞行时的等效总振动量的计算公式如下：

$\begin{array}{c}{a}_v=(k_x^2{a}_{wx}^2+k_y^2{a}_{wy}^2+k_z^2{a}_{wz}^2+\\ k_p^2{a}_{wp}^2+k_q^2{a}_{wq}^2+k_r^2{a}_{wr}^2{)}^{1/2}\end{array}$

其中，α_ν是等效总振动量，k_x、k_y、k_z、k_p、k_q、k_r分别是坐标轴三个方向上的移动加速度的方向因数和转动加速度的方向因数，a_wx、a_wy、a_wz、a_wp、a_wq、a_wr分别是坐标轴三个方向上的均方根移动加速度和均方根转动加速度，单位为米/秒²或者弧度/秒²。

所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法中，还包括，将对风场的危险性评估的结果使用不同的色温显示在机载雷达的显示器上，更加直观，易于识别。

实施例1

步骤一、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到风场的谱宽数据和风场的平均径向速度。如图3所示为多普勒雷达的半扇面谱宽探测数据，其中中间线框选定区域为预定风场重建区域和危险性评估区域。利用风场的谱宽数据结合紊流频谱模型计算得到风场的紊流强度的估算值。将紊流强度的估算值与紊流尺度分布结合，建立紊流风场的数字模型，并将其与平均风速风场按照空间分布进行线性叠加，从而对风场进行数字重建。利用完成数字重建的风场对风速进行估计，得到风场中心线上的三轴风速分布，如图4所示，横坐标为飞行距离，单位为Km，纵坐标从上到下依次为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的风速，单位为m·s^-1。

步骤二、利用步骤一得到的数字重建后的风场，结合雷达载机的飞机模型和飞行参数进行飞行动力学仿真，得到飞机穿越风场时的三轴移动加速度和三轴转动加速度。

飞机穿越风场时的三轴移动加速度的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_k\\ v_k\\ w_k\end{array}\right]-T_{bg}\left[\begin{array}{c}{u}_w\\ v_w\\ w_w\end{array}\right]$

V＝(u²+v²+w²)^1/2

sinβ＝v/V

tgα＝w/u

其中，u、v、w为机体轴系下的来流速度，u_k、v_k、w_k为航迹速度在机体轴系下的分量，T_bg是从地面系向机体系的转换矩阵，u_w、v_w、w_w为地面系下三轴风速，V为来流相对于飞机的总速度，α为迎角，β为侧滑角，

通过上述计算，得到α和β等气动角的变化量，进而得到考虑风速影响时飞机穿越风场时的气动力变化量，主要包括升力、侧力和阻力的变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴移动加速度。

飞机穿越风场时的三轴转动加速度的计算公式如下：

$C_l=\[C_{lp}(p-w_{w_y})+C_{lr}(r-v_{w_x})\]b/2V$

$C_m=\[C_{mq}(q+w_{w_x})+C_{m\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_k-w_{w_x})\]C_A/2V$

$C_n=\[C_{np}(p-w_{w_y})+C_{nr}(r-v_{w_x})\]b/2V$

其中，p、q、r是机身角速度，C_l、C_m、C_n是机身三轴气动力矩系数，b是飞机翼展，C_A是飞机平均气动弦长，C_lp和C_lr分别为滚转角速度和偏航角速度对滚转力矩的影响系数，C_mq和分别为俯仰角速度和迎角角加速度对俯仰力矩的影响系数，C_np和C_nr分别为滚转角速度和偏航角速度对偏航力矩的影响系数，和分别为垂直方向的紊流速度沿飞机轴向(x向)和飞机侧向(y向)变化的空间梯度，为侧向紊流速度沿x方向变化的空间梯度，为航迹迎角随时间变化的角加速度，

通过上述计算，得到飞机三轴力矩系数的变化量，进而得到考虑风速梯度影响时飞机穿越风场时的力矩变化量，主要是俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩的变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴转动加速度。

以波音747为例，穿越风场飞行时的飞机响应，即三轴振动加速度如图5所示，横坐标为飞行距离，单位为Km，纵坐标从上到下依次为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的振动加速度，单位为m·s^-2。

步骤三、设定空间尺度上的最小观测区间为400米，对目标区域进行划分。将步骤二得到的三轴移动加速度和三轴转动加速度按照所述最小观测区间进行离散化。通过快速数字傅里叶变换算法将离散化的三轴移动加速度和三轴转动加速度的时域信号转化为频域信号，采用加海明窗的形式对快速数字傅里叶变化算法导致的信息失真进行误差修正。将转化后的三轴移动加速度和三轴转动加速度根据不同频段的影响等级依次进行加权求和和全时长均方根求取，得到三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度。

步骤四、将步骤三中多个最小观测区间内得到的三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度进行加权求和，得到飞机穿越风场飞行时的等效总振动量。将所述等效总振动量与预先设定的等效总振动量的指标进行对比，进而完成对风场的危险性评估。将对风场的危险性评估的结果使用不同的色温显示在机载雷达的显示器上，如图6中央色带所示，其中，振动评价色标为0.2～0.8为安全，0.8～1.6为不安全，1.6～2.2为危险。

利用步骤一得到的风场的谱宽数据结合紊流频谱模型计算得到风场的紊流强度的估算值的具体算法如下：

步骤a、将风场的紊流强度定义式和风场的谱宽数据定义式联立成方程组。

风场的紊流强度定义式为：

${\mathrm{\σ}}^2=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T{(v-\stackrel{\‾}{v})}^{2}dt,$

其中，σ为风场的紊流强度，T为测量统计平均风速的时间尺度，v为当地风度，为平均风速。

风场的谱宽数据定义式为：

${\mathrm{\σ}}_v^2=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{P}}_r}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{(v-\stackrel{\‾}{v})}^2\mathrm{\φ}\left(v\right)dv,$

其中，σ_v为风场的谱宽数据，φ(v)为速度谱分布密度，为多普勒速度在v到v+dv间隔内的功率，为回波信号的平均功率，v为当地风度，为平均风速。

回波信号的平均功率的定义式为：

${\stackrel{\‾}{P}}_r={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\mathrm{\φ}\left(v\right)dv,$

其中，为回波信号的平均功率，v为当地风度，φ(v)为速度谱分布密度，为多普勒速度在v到v+dv间隔内的功率，。

步骤b、根据冯卡门紊流风场频谱模型推导出含有谱宽数据和紊流强度的关系式，以使得步骤a中的方程组闭合。

基于冯卡门模型推导出的关系式为：

当0<r<R时，

$\frac{<{\mathrm{\&sigma;}}_v^2\left(r\right)>}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}=1-\frac{55}{27}\&CenterDot;\frac{1}{{\mathrm{\&pi;a}}^{\&prime;}}\&CenterDot;{\mathrm{\&mu;}}^5{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}\frac{x^{3/2}{e}^{-x}}{{\&lsqb;1+{\mathrm{\&mu;}}^{2}x\&rsqb;}^{17/6}}\&CenterDot;M\&lsqb;2,\frac{5}{2},(1-\frac{r^2}{R^2})x\&rsqb;dx,$

当R<r时，

$\frac{<{\mathrm{\&sigma;}}_v^2\left(r\right)>}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}=1-\frac{55}{27}\&CenterDot;\frac{1}{{\mathrm{\&pi;a}}^{\&prime;}}\&CenterDot;{\mathrm{\&mu;}}^5{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}\frac{x^{3/2}{e}^{-{(r/R)}^{2}x}}{{\&lsqb;1+{\mathrm{\&mu;}}^{2}x\&rsqb;}^{17/6}}\&CenterDot;M\&lsqb;\frac{1}{2},\frac{5}{2},(\frac{r^2}{R^2}-1)x\&rsqb;dx,$

其中，r为所观测的风场位置，R为紊流风场的一个特征长度，等于径向与切向速度方差之比R＝σ_r/σ_θ；σ为风场的紊流强度；μ为一个无量纲参数，与紊流尺度成正比，与径向速度方差成反比，μ＝a′L/σ_r，L是紊流尺度，a为跟雷达和天线有关的一个参数，a′是a相对于雷达探测位置的一阶导数；M(a,γ,ξ)为一个构造的复合超几何分布函数；积分量是紊流的空间频率k的构造函数，k的单位为弧度/米。

步骤c、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到风场的谱宽数据。

选定要观测的目标区域，用多普勒雷达对目标区域进行探测，获取风场的谱宽数据。

步骤d、基于四阶龙格-库塔方法，结合雷达探测参数，利用步骤c得到的风场的谱宽数据对所述步骤b中闭合后的方程组进行求解，以得到风场的紊流强度的估算值。

将紊流风场的数字模型与平均风速风场按照空间分布进行线性叠加从而对风场进行数字重建的具体算法如下：

步骤1)、多普勒雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到风场的谱宽数据和风场的平均径向速度。

步骤2)、利用步骤1)得到的风场的谱宽数据结合紊流频谱模型计算得到风场的紊流强度的估算值；由雷达的位置信息、载机的飞行高度和地形粗糙度得到风场的紊流尺度分布。将紊流强度的估算值与紊流尺度分布以及德莱顿模型结合得到飞行空间不同位置的传递函数G(s)，使用由零均值白噪声通过传递函数为G(s)的滤波器的方法建立紊流风场的数字模型。

步骤3)、利用步骤1)得到的风场的平均径向速度建立平均风速风场。

步骤4)、将步骤2)建立的紊流风场的数字模型和步骤3)建立的平均风速风场按照空间分布进行线性叠加，从而对风场进行数字重建。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，以得到所述风场的紊流强度的估算值，并对风场进行数字重建；

步骤二、利用步骤一得到的数字重建后的风场，结合雷达载机的飞机模型和飞行参数进行飞行动力学仿真，得到飞机穿越风场时的三轴移动加速度和三轴转动加速度；

步骤三、设定最小观测区间，对目标区域进行划分，将步骤二得到的三轴移动加速度和三轴转动加速度按照所述最小观测区间进行离散化，通过快速数字傅里叶变换算法将离散化的三轴移动加速度和三轴转动加速度的时域信号转化为频域信号，将转化后的三轴移动加速度和三轴转动加速度根据不同频段的影响等级依次进行加权求和和全时长均方根求取，得到三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度；

步骤四、将步骤三中多个最小观测区间内得到的三轴均方根移动加速度和三轴均方根转动加速度进行加权求和，得到飞机穿越风场飞行时的等效总振动量，将所述等效总振动量与预先设定的等效总振动量的指标进行对比，进而完成对风场的危险性评估。

2.如权利要求1所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，所述步骤三中的最小观测区间为空间尺度上的最小观测区间或时间尺度上的最小观测区间。

3.如权利要求2所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，所述最小观测区间为400米或5秒。

4.如权利要求1所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，所述步骤三中还包括，采用加海明窗的形式对快速数字傅里叶变化算法导致的信息失真进行误差修正。

5.如权利要求1所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，所述步骤二中得到的飞机穿越风场时的三轴移动加速度的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_k\\ v_k\\ w_k\end{array}\right]-T_{bg}\left[\begin{array}{c}{u}_w\\ v_w\\ w_w\end{array}\right]$

V＝(u²+v²+w²)^1/2

sinβ＝v/V

tgα＝w/u

其中，u、v、w为机体轴系下的来流速度，u_k、v_k、w_k为航迹速度在机体轴系下的分量，T_bg是从地面系向机体系的转换矩阵，u_w、v_w、w_w为地面系下三轴风速，V为来流相对于飞机的总速度，α为迎角，β为侧滑角，

通过上述计算，得到考虑风速影响时飞机穿越风场时的气动力变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴移动加速度。

6.如权利要求5所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，所述步骤二中得到的飞机穿越风场时的三轴转动加速度的计算公式如下：

$C_l=\&lsqb;C_{lp}(p-w_{w_y})+C_{lr}(r-v_{w_x})\&rsqb;b/2V$

$C_m=\&lsqb;C_{mq}(q+w_{w_x})+C_{m\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&alpha;}}}({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&alpha;}}}_k-w_{w_x})\&rsqb;C_A/2V$

$C_n=\&lsqb;C_{np}(p-w_{w_y})+C_{nr}(r-v_{w_x})\&rsqb;b/2V$

其中，p、q、r是机身角速度，C_l、C_m、C_n是机身三轴气动力矩系数，b是飞机翼展，C_A是飞机平均气动弦长，C_lp和C_lr分别为滚转角速度和偏航角速度对滚转力矩的影响系数，C_mq和分别为俯仰角速度和迎角角加速度对俯仰力矩的影响系数，C_np和C_nr分别为滚转角速度和偏航角速度对偏航力矩的影响系数，和分别为垂直方向的紊流速度沿飞机轴向和飞机侧向变化的空间梯度，为侧向紊流速度沿x方向变化的空间梯度，为航迹迎角随时间变化的角加速度，

通过上述计算，得到飞机三轴力矩系数的变化量，进而得到考虑风速梯度影响时飞机穿越风场时的力矩变化量，进而求得飞机穿越风场时的三轴转动加速度。

7.如权利要求6所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，所述步骤四中，飞机穿越风场飞行时的等效总振动量的计算公式如下：

$\begin{array}{c}{a}_v=(k_x^2{a}_{wx}^2+k_y^2{a}_{wy}^2+k_z^2{a}_{wz}^2+\\ k_p^2{a}_{wp}^2+k_q^2{a}_{wq}^2+k_r^2{a}_{wr}^2{)}^{1/2}\end{array}$

其中，α_v是等效总振动量，k_x、k_y、k_z、k_p、k_q、k_r分别是坐标轴三个方向上的移动加速度的方向因数和转动加速度的方向因数，a_wx、a_wy、a_wz、a_wp、a_wq、a_wr分别是坐标轴三个方向上的均方根移动加速度和均方根转动加速度，单位为米/秒²或者弧度/秒²。

8.如权利要求1所述的利用机载雷达对风场进行危险性评估的方法，其特征在于，还包括，将对风场的危险性评估的结果使用不同的色温显示在机载雷达的显示器上。