CN109001707A - 针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达探测技术领域，涉及分布式软目标速度场探测中扫描雷达得到的多普勒速度的修正方法及应用。该方法包括以下步骤：(S1)扫描雷达扫描获取分布式软目标上各位置点的多普勒速度，估计分布式软目标上各位置点在雷达扫描平面上的平面速度；(S2)依据各位置点的平面速度、多普勒速度，根据物质导数，估计分布式软目标上各位置点的加速度；(S3)根据速度修正公式，对分布式软目标上各位置点速度进行修正。本发明还提供了一种采用多普勒速度修正方法获取飞机尾流上各位置点的修正速度，并依据各位置点的修正速度估计飞机尾流漩涡的涡心轨迹的应用过程。通过本发明对多普勒速度场的修正，可以有效提高气象探测领域风速估计的准确度。

Description

针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法及应用
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，涉及分布式软目标速度场探测中RHI(RangeHeight Indicator，距离高度显示，缩写：RHI)扫描雷达得到的多普勒速度的修正方法及应用。
背景技术
分布式软目标是指分布范围巨大，内部结构和速度可变的目标，如大气、降雨，飞机尾流等，其速度场的探测是气象学等领域备受关注的问题。基于多普勒雷达RHI扫 描方式的探测是获取竖直扫描平面内分布式软目标速度场的主要方法之一，但是对于多 普勒速度的可靠性，只考虑了雷达测量误差、噪声等因素的影响，而忽略了雷达波束扫 描引起的速度“失真”。RHI扫描雷达需要一定的时间(一般为几秒至几十秒)来完成 一个竖直平面的扫描。在这个扫描时间内，目标体的速度并不是恒定的，所以竖直扫描 平面上各个点处探测到的多普勒速度应是波束扫描到该点时刻的径向速度。图1给出了 一台RHI扫描雷达在竖直平面内由下而上完成一次扫描的示意图(实际的RHI扫描是 由下而上，由上而下往复扫描，这里仅以雷达完成一次由下而上扫描来做说明)。RHI 扫描雷达在扫描平面上向待扫描的空间依次发射若干个波束，简化为图中的直线OA、 OB、OC、OD、OE、OF，其中O为雷达位置。
由于雷达的波束从下向上完成一个竖直平面的扫描需要一定的时间(一般为几秒钟 至十几秒)，所以不同波束探测到的多普勒速度的时刻是不同的(如图1中第i位置和 第j位置两点的扫描时刻tOB＜tOE)。进而直接利用多普勒速度来估计得到的速度场是空 间中各点在不同扫描时刻的速度。
因此，对于不同扫描波束上的位置，探测到的速度对应于不同的扫描时刻。所以当基于竖直扫描平面上各点的多普勒速度来统一估计某一时刻分布式软目标的速度分布时，应把不同位置处的速度修正到同一个扫描时刻，以此提高速度场估计的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种RHI扫描雷达探测到的多普勒速度的修正方法，该方法 能够将不同扫描时刻的多普勒速度修正到某一扫描时刻，以利于准确估计扫描平面上分 布式软目标在该时刻的速度场。具体技术方案如下：
一种针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法，包括以下步骤：
(S1)扫描雷达扫描获取分布式软目标上各位置点的多普勒速度，估计分布式软目标上各位置点在雷达扫描平面上的平面速度；
(S2)依据各位置点的平面速度、多普勒速度，利用物质导数估计分布式软目标 上各位置点的加速度；
(S3)根据下面速度修正公式，对分布式软目标上各位置点的多普勒速度进行修正：
其中i表示分布式软目标上任意一位置点，VD(αi,ri,t′)表示第i点在t′时刻的多普 勒速度，VD(αi,ri,ti)表示第i点在时刻ti的多普勒速度，αi,ri分别表示第i点相对于扫描雷达的仰角和距离。
优选地，所述利用物质导数估计分布式软目标上各位置点的加速度的计算公式如下：
其中：AD表示位置点i在不同时刻t与多普勒速度同向的加速度值，αi是第i点所在波束的仰 角，ri是第i点到雷达的径向距离；VD(αi,ri,t)是第i点在不同扫描时刻t的多普勒速度；是多普勒速度在时间上的偏微分；是不同时刻t的多普勒速度在 径向距离上的偏微分；是不同时刻t的多普勒速度在仰角上的偏微分； Vα(αi,ri,t)是不同时刻t的第i点的切向速度。
本发明还提供了一种针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法的应用，采用上述的多普勒速度修正方法获取飞机尾流(飞机尾流为航空领域中常见的分布式软目标)上各位置点的修正多普勒速度，并依据各位置点的修正多普勒速度估计飞机尾流 漩涡的涡心轨迹。
采用本发明方法获得的有益效果：本发明方法通过对雷达探测到的多普勒速度进行修正，得到该时刻下所有波束探测得到的多普勒速度分布，再利用修正后的多普勒速 度估计得到了更准确的全部速度场。通过本发明对多普勒速度场的修正，可以有效提高 气象探测领域风速估计的准确度。本发明在航空安全领域对比了不修正和修正后估计得 到的尾流漩涡涡心位置的情况。可以发现，通过引入本发明，可以得到更准确的尾流漩 涡涡心位置估计值，表明本方法对于多普勒速度的修正是有效的。
附图说明
图1是RHI扫描雷达在竖直平面上由下向上扫描分布式软目标的示意图；
图2本发明方法流程示意图；
图3表示雷达扫描平面上目标第i个位置点的速度矢量；
图4是利用RHI扫描雷达扫描机场跑道上的分布式软目标——飞机尾流的示意图，图中给出了雷达、跑道和飞机尾流的相对关系；
图5是利用RHI扫描雷达扫描机场跑道上的风场，得到的多普勒速度在竖直扫描平面上的分布情况(正负速度交错区域表示扫描到了飞机尾流)；
图6是利用本发明方法修正后的多普勒速度分布；
图7是修正后的多普勒速度与直接扫描到的多普勒速度之差；
图8是直接利用雷达探测到的多普勒速度估计得到尾流漩涡的涡心轨迹(图a)，利用本发明方法修正多普勒速度后再估计得到尾流漩涡的涡心轨迹(图b)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明提供了一种针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法，包括以下步骤：
(S1)扫描雷达扫描获取分布式软目标上各位置点的多普勒速度，估计分布式软目标上各位置点在雷达扫描平面上的平面速度；
具体实施例中，首先利用现有技术中的方法估计得到分布式软目标中各位置点在笛 卡尔坐标系下的平面速度Vx,Vy，Vx表示目标位置点的水平速度，Vy表示目标位置点的竖直速度，如图3所示。现有技术中已存在许多根据多普勒速度反演速度场的方法，比 如在气象学领域可以在雷达扫描平面上根据雷达探测到的多组多普勒速度的集合 Vn＝(Vr1,Vr2,…,Vrn)，其中Vrm为第m次(1≤m≤n)在某位置处探测到的多普勒速度)， 利用最小二乘法估计分布式软目标在该位置处的二维速度：
其中，Vx,Vy分别为估计得到的在雷达扫描平面上的水平速度和竖直速度，Pn,Qn分别 为n次探测的x,y方向上的预报因子矢量，T表示向量转置符号。详细内容见参考文献：李忱，高玉春(译).多普勒雷达与气象观测(第二版)[M].北京：气象出版社，2013。
(S2)依据各位置点的平面速度、多普勒速度，根据物质导数估计分布式软目标 上各位置点的加速度；
根据物质积分，某一点i上与多普勒速度同向的加速度AD，在不同时刻t的值为：
其中：αi是第i点所在波束的仰角，ri是第i点到雷达的径向距离；VD(αi,ri,t)是第i点 在不同扫描时刻t的多普勒速度；是多普勒速度在时间上的偏微分，通过对第i点在不同扫描时刻t的多普勒速度求微分来获得(保持位置信息αi,ri不变)；是不同时刻t的多普勒速度在径向距离上的偏微分，可对与第i点在同一个 仰角上的不同径向距离r位置处的多普勒速度求微分来获得(保持仰角αi不变)； 是不同时刻t的多普勒速度在仰角上的偏微分(保持径向距离ri不变)，例如 对于ti时刻，通过下面的公式得到：
其中Aα(α,ri,t)是直接用径向距离相同但仰角不同的位置处的多普勒速度对仰角求 微分得到的(仰角与时刻t有关，所以相当于还对t求了微分)，ωr为雷达波束扫描的角速度(弧度/秒)：ωr＝dα/dt。
Vα(αi,ri,t)是不同时刻t的第i点的切向速度，例如对于ti时刻的切向速度为：
Vα(αi,ri,ti)＝-(cosαi·Vy-sinαi·Vx) (4)
其中Vx,Vy为上一步估计得到的分布式软目标在第i点处的水平速度和竖直速度。
(S3)根据下面速度修正公式，对分布式软目标上各位置点的多谱勒速度进行修正：
其中i表示分布式软目标上任意一位置点，VD(αi,ri,t′)表示第i点在t'时刻的多普 勒速度，VD(αi,ri,ti)表示第i点在时刻ti的多普勒速度，αi,ri分别表示第i点相对于扫描雷达的仰角和距离，ti表示雷达扫描到第i点的时刻。
按照把第i点的多普勒速度VD(αi,ri,ti)从ti修正到某时刻t′上的方法，把分布式软 目标上各位置点都进行相同处理，则得到某一时刻t'整个扫描平面上分布式软目标的速度分布。
如图4所示，在机场跑道的一侧设置RHI扫描雷达，雷达在与机场跑道正交的平面上来回上下扫描。图中x轴为水平方向，y轴为竖直方向，xOy平面与机场跑道平面垂 直，图中距离单位：米。
按照上述的扫描方式，得到在雷达扫描平面上风场的多普勒速度分布，如图5所示， 其中椭圆标出的区域有明显的正负速度交叉的特征，这是因为扫描到了飞机尾流。
接下来对扫描得到的多普勒速度按照本发明方法进行修正。首先利用方程(1)估计 雷达扫描平面上的二维风场Vx,Vy，然后和扫描获取到的多普勒速度一起代入方程(2)、(3)、(4)求解得到多普勒加速度AD，进而通过方程(5)完成对多普勒速度的修正。修正后 的多普勒速度分布如图6所示，从图6看出尾流的特征被保留了下来。
在雷达扫描平面上修正后的多普勒速度与扫描到的多普勒速度之差见图7，可以发 现在速度场变化较剧烈的区域(在本情况下为尾流区域)，多普勒速度的“失真”比较 严重，即不稳定速度场的多普勒速度比平静速度场的多普勒速度更加需要修正。
现有技术中，尾流漩涡涡心位置可直接通过多普勒速度估计得到，因此涡心位置估 计的准确性可以反映多普勒速度的准确性。由于尾流漩涡特殊的双对顶结构(交叉的正负速度)，通过多普勒速度在径向距离上的梯度定位的左右漩涡涡心位 置分别为：所以通过漩涡涡心的 位置估计，可以直观地反映出风场速度估计的准确性。
图8为利用仿真的雷达测量数据反演得到的涡心位置随时间的变化。其中横轴为涡 心位置到雷达的水平距离，纵轴为涡心位置到雷达的竖直距离。实心三角形和实心圆形分别代表左、右涡心位置的估计值；空心三角形和空心圆形分别表示左、右涡心位置的 真实值。图8中(a)图表示直接用雷达扫描到的多普勒速度估计得到的尾流涡心轨迹， (b)图表示利用本发明中的二步法对多普勒速度修正后再估计得到的涡心轨迹。
从图中对比结果可以看出，直接使用未修正的多普勒速度来估计涡心位置会出现“成对”现象，即图8(a)中标示的Δ1＜Δ2(Δ1，Δ2分别表示相邻涡心位置之间的间 隔)而利用本发明方法对多普勒速度进行修正后，“成对”现象消失，估计得到的涡心 位置更准确。因此，本发明提出修正方法可以有效修正多普勒速度，得到更准确的速度 场。

Claims (3)

1.一种针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)扫描雷达扫描获取分布式软目标上各位置点的多普勒速度，估计分布式软目标上各位置点在雷达扫描平面上的平面速度；
(S2)依据各位置点的平面速度、多普勒速度，利用物质导数估计分布式软目标上各位置点的加速度；
(S3)根据下面速度修正公式，对分布式软目标上各位置点的多普勒速度进行修正：
其中i表示分布式软目标上任意一位置点，VD(αi,ri,t′)表示第i点在t′时刻的多普勒速度，VD(αi,ri,ti)表示第i点在时刻ti的多普勒速度，αi,ri分别表示第i点相对于扫描雷达的仰角和距离。
2.如权利要求1所述的一种针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法，其特征在于：所述利用物质导数估计分布式软目标上各位置点加速度的计算公式如下：
其中：AD表示位置点i在不同时刻t与多普勒速度同向的加速度值，αi是第i点所在波束的仰角，ri是第i点到雷达的径向距离；VD(αi,ri,t)是第i点在不同扫描时刻t的多普勒速度；是多普勒速度在时间上的偏微分；是不同时刻t的多普勒速度在径向距离上的偏微分；是不同时刻t的多普勒速度在仰角上的偏微分；Vα(αi,ri,t)是不同时刻t的第i点的切向速度。
3.一种针对分布式软目标的扫描雷达多普勒速度修正方法的应用，其特征在于：采用如权利要求1所述的多普勒速度修正方法获取飞机尾流上各位置点的修正多普勒速度，并依据各位置点的修正多普勒速度估计飞机尾流漩涡的涡心轨迹。
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