CN112068139A - 一种气象探测方法、装置及机载气象雷达 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例提供一种气象探测方法、装置及机载气象雷达，属于雷达技术领域，包括：对机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；根据雷达回波数据，获取前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数；根据机载气象雷达的飞行高度和以及气象目标的位置参数，计算气象目标的平面坐标和垂直高度；根据全部气象目标的平面坐标和垂直高度，形成机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；显示三维气象数据。可应用于现有的机载气象雷达，方便快捷，有效的实现对气象发展高度的测量，增强了雷达对危险气象的判别和评估能力，极大的保障飞行安全。

Description

一种气象探测方法、装置及机载气象雷达
技术领域
本公开涉及雷达技术领域，尤其涉及一种气象探测方法、装置及机载气象雷达。
背景技术
机载气象雷达的主要作用是探测航路前方危险气象的分布情况，并以不同的颜色显示其危险程度及位置，达到提前预警的效果，使飞行员能够及时操控飞机避让航路威胁气象。目前，国内机载气象雷达只提供二维平面位置显示，即在直角坐标系的相应方位、距离上显示探测到的气象目标的强度和范围，从画面上很难了解气象目标在高度上的分布，无法获取气象目标垂直结构信息，无法区分层状云降雨和雷暴云降雨，不利于飞行员进行飞行决策。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种气象探测方法、装置及机载气象雷达，至少部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种气象探测方法，应用于机载气象雷达，所述方法包括：
对所述机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；
根据所述雷达回波数据，获取所述前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数，其中，每个气象目标对应的位置参数包括对应每个所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度；
根据全部所述气象目标的平面坐标和垂直高度，形成所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；
显示所述三维气象数据。
可选的，所述根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度的步骤，包括：
根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和所述垂直高度差，计算所述气象目标的垂直高度。
可选的，所述根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标的步骤，包括：
以所述机载气象雷达为原点、以所述前方区域的水平平面和垂直平面建立三维坐标系；
根据所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，将所述气象目标投影到所述三维坐标系内；
根据正弦定理，以及所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差；
根据余弦定理，以及所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述气象目标的平面坐标。
可选的，所述显示所述三维气象数据的步骤，包括：
确定所述机载气象雷达当前的行进航迹；
从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据；
显示与所述航迹匹配的三维气象数据。
可选的，所述从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
利用所述航迹，在所述前方区域的三维气象数据内进行纵切，形成切平面；
提取所述航迹对应的切平面数据，其中，所述切平面数据包括切片面内全部气象目标的平面坐标和垂直高度；
所述显示与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
二维显示所述切平面气象数据。
第二方面，本发明实施例还提供了一种气象探测装置，应用于机载气象雷达，所述装置包括：
扫描模块，用于对所述机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；
获取模块，用于根据所述雷达回波数据，获取所述前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数，其中，每个气象目标对应的位置参数包括对应每个所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离；
计算模块，用于根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度；
形成模块，用于根据全部所述气象目标的平面坐标和垂直高度，形成所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；
显示模块，用于显示所述三维气象数据。
可选的，所述计算模块用于：
根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和所述垂直高度差，计算所述气象目标的垂直高度。
可选的，所述显示模块用于：
确定所述机载气象雷达当前的行进航迹；
从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据；
显示与所述航迹匹配的三维气象数据。
可选的，所述从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
利用所述航迹，在所述前方区域的三维气象数据内进行纵切，形成切平面；
提取所述航迹对应的切平面数据，其中，所述切平面数据包括切片面内全部气象目标的平面坐标和垂直高度；
所述显示与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
二维显示所述切平面气象数据。
第三方面，本发明实施例还提供一种机载气象雷达，包括雷达本体及处理器，所述处理器用于执行第一方面中任一项所述的气象探测方法。
本发明通过对飞机前方气象目标的立体扫描，获取不同俯仰扫描行的气象数据，根据雷达扫描参数和飞机姿态等信息计算前方气象目标的高度，然后根据飞机的飞行航线，显示飞行路径上的气象垂直剖面。
该技术原理简单，对雷达系统设计没有额外的要求，可应用于现有的机载气象雷达，方便快捷，有效的实现对气象发展高度的测量，增强了雷达对危险气象的判别和评估能力，极大的保障飞行安全。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种气象探测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的气象探测方法所涉及的飞行航路点与气象探测结果匹配图；
图3为本发明实施例提供的气象探测方法所涉及的飞行路径上的气象垂直显示效果图；
图4为本发明实施例提供的一种气象探测装置的模块框图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
参见图1，为本发明实施例提供的一种气象探测方法的流程示意图，应用于机载气象雷达。如图1所示，所述方法包括：
S101，对所述机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；
机载气象雷达在飞机飞行过程中，在不同的俯仰角度进行每个俯仰平面的扫描后获取到了前方特定方位角度、特定俯仰角度和距离范围内的三维气象目标回波数据。
通过机载气象雷达对前方多俯仰层的扫描，获取不同俯仰平面层的雷达回波数据WXdata(na,nr,θel)，其中na＝(1,...,Na)表示方位线个数，nr＝(1,...,Nr)表示距离点个数，θel＝(θEL1,...,θELN)表示n个探测层的俯仰角度。
S102，根据所述雷达回波数据，获取所述前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数，其中，每个气象目标对应的位置参数包括对应每个所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离；
已知飞机的飞行高度和雷达探测的俯仰指向角度，即可得到探测到的雷达回波中不同距离处气象目标对应的高度。将气象目标按照高度填入前方空域的三维网格内。将飞行路径的轨迹点与三维气象网格进行匹配，获取飞机路径上的气象信息，进行垂直显示。
S103，根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度；
可选的，所述根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度的步骤，包括：
根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和所述垂直高度差，计算所述气象目标的垂直高度。
可选的，所述根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标的步骤，包括：
以所述机载气象雷达为原点、以所述前方区域的水平平面和垂直平面建立三维坐标系；
根据所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，将所述气象目标投影到所述三维坐标系内；
根据正弦定理，以及所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差；
根据余弦定理，以及所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述气象目标的平面坐标。
S104，根据全部所述气象目标的平面坐标和垂直高度，形成所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；
以第N条方位线，距离飞机R处的回波数据WXdata(N,R,θel)为例，根据飞行高度Hplane、雷达探测俯仰角θel(矢量，向上为正)和目标与雷达的距离R，计算得到气象目标高度Hwx。其计算公式为Hwx＝Hplane+R·sin(θel)。
上述步骤，计算得到飞机前方所有的气象目标的高度和对应位置的三维气象数据WXHdata(na,nr,hwx)。
将飞行路径的轨迹点Tplane与三维气象数据进行空间匹配，如图3所示，利用所述航迹，从飞行前方区域的三维气象数据中，提取路径切面上的气象二维数据WXTplane(Tplane,hplane)，Tplane为图2中飞机行进航迹上的圆圈，表示飞行路径在地面上的投影点数组。
S105，显示所述三维气象数据。
可选的，所述显示所述三维气象数据的步骤，包括：
确定所述机载气象雷达当前的行进航迹；
从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据；
显示与所述航迹匹配的三维气象数据。
可选的，所述从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
利用所述航迹，在所述前方区域的三维气象数据内进行纵切，形成切平面；
提取所述航迹对应的切平面数据，其中，所述切平面数据包括切片面内全部气象目标的平面坐标和垂直高度；
所述显示与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
二维显示所述切平面气象数据。
如图3所示，将飞行航线切面的气象数据按照高度和距离上的位置信息进行显示。
下面将结合一种具体示例，对本发明提供的气象探测方法进行具体解释。
1、通过机载气象雷达对前方多俯仰层的扫描，获取不同俯仰平面层的雷达回波数据WXdata(na,nr,θel)，其中na＝(1,...,Na)表示方位线个数，nr＝(1,...,Nr)表示距离点采样个数，θel＝(1,...,θEL)表示探测俯仰层角度；
2、以第N条方位线，距离飞机R＝20km处的回波数据WXdata(N,R,θel)为例，根据飞行高度Hplane＝7000m、雷达探测俯仰角θel＝-0.5度(矢量，向上为正)和目标与雷达的距离R，根据计算公式Hwx＝Hplane+R·sin(θel)，计算得到气象目标高度Hwx＝6826m；
3、重复步骤2，计算得到飞机前方所有的气象目标的高度和对应位置的三维气象数据WXHdata(na,nr,hwx)；
4、将飞行路径的轨迹点Tplane与三维气象数据进行空间匹配，如图2所示，提取飞行路径垂直于地面的切面上的气象二维数据WXTplane(Tplane,hplane)，Tplane表示飞行路径在地面上的投影点数组。
5、将飞行路径切面的气象数据按照反射率强度进行量化显示，如图3所示。
本发明将飞机的规划路径与气象雷达探测结果相结合，进行垂直向的气象显示，实现了气象目标的高度测量和指示，提高了气象雷达对威胁飞行安全的气象目标的探测显示与感知能力。
本发明专利可应用于民用机载雷达领域。本发明方法原理简单，计算准确，提高了飞行的安全性，具有良好的市场应用前景。
参见图4，为本发明实施例还提供了一种气象探测装置的模块框图，应用于机载气象雷达。如图4所示，所述装置40包括：
扫描模块401，用于对所述机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；
获取模块402，用于根据所述雷达回波数据，获取所述前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数，其中，每个气象目标对应的位置参数包括对应每个所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离；
计算模块403，用于根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度；
形成模块404，用于根据全部所述气象目标的平面坐标和垂直高度，形成所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；
显示模块405，用于显示所述三维气象数据。
可选的，所述计算模块用于：
根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和所述垂直高度差，计算所述气象目标的垂直高度。
可选的，所述显示模块用于：
确定所述机载气象雷达当前的行进航迹；
从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据；
显示与所述航迹匹配的三维气象数据。
可选的，所述从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
利用所述航迹，在所述前方区域的三维气象数据内进行纵切，形成切平面；
提取所述航迹对应的切平面数据，其中，所述切平面数据包括切片面内全部气象目标的平面坐标和垂直高度；
所述显示与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
二维显示所述切平面气象数据。
此外，本发明实施例还提供一种机载气象雷达，包括雷达本体及处理器，所述处理器用于执行上述实施例中所述的气象探测方法。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种气象探测方法，其特征在于，应用于机载气象雷达，所述方法包括：
对所述机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；
根据所述雷达回波数据，获取所述前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数，其中，每个气象目标对应的位置参数包括对应每个所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度；
根据全部所述气象目标的平面坐标和垂直高度，形成所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；
显示所述三维气象数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度的步骤，包括：
根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和所述垂直高度差，计算所述气象目标的垂直高度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标的步骤，包括：
以所述机载气象雷达为原点、以所述前方区域的水平平面和垂直平面建立三维坐标系；
根据所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，将所述气象目标投影到所述三维坐标系内；
根据正弦定理，以及所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差；
根据余弦定理，以及所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述气象目标的平面坐标。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述显示所述三维气象数据的步骤，包括：
确定所述机载气象雷达当前的行进航迹；
从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据；
显示与所述航迹匹配的三维气象数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
利用所述航迹，在所述前方区域的三维气象数据内进行纵切，形成切平面；
提取所述航迹对应的切平面数据，其中，所述切平面数据包括切片面内全部气象目标的平面坐标和垂直高度；
所述显示与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
二维显示所述切平面气象数据。
6.一种气象探测装置，其特征在于，应用于机载气象雷达，所述装置包括：
扫描模块，用于对所述机载气象雷达的前方区域进行多俯仰层扫描，获取对应不同俯仰层的雷达回波数据；
获取模块，用于根据所述雷达回波数据，获取所述前方区域内的全部气象目标及每个气象目标对应的位置参数，其中，每个气象目标对应的位置参数包括对应每个所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离；
计算模块，用于根据所述机载气象雷达的飞行高度和以及所述气象目标的位置参数，计算所述气象目标的平面坐标和垂直高度；
形成模块，用于根据全部所述气象目标的平面坐标和垂直高度，形成所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据；
显示模块，用于显示所述三维气象数据。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块用于：
根据对应所述气象目标的俯仰角、方位角和探测距离，计算所述机载气象雷达与所述气象目标的垂直高度差以及所述气象目标的平面坐标；
根据所述机载气象雷达的飞行高度和所述垂直高度差，计算所述气象目标的垂直高度。
8.根据权利要求6或者7所述的方法，其特征在于，所述显示模块用于：
确定所述机载气象雷达当前的行进航迹；
从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据；
显示与所述航迹匹配的三维气象数据。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述从所述机载气象雷达的前方区域的三维气象数据中，选择与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
利用所述航迹，在所述前方区域的三维气象数据内进行纵切，形成切平面；
提取所述航迹对应的切平面数据，其中，所述切平面数据包括切片面内全部气象目标的平面坐标和垂直高度；
所述显示与所述航迹匹配的三维气象数据的步骤，包括：
二维显示所述切平面气象数据。
10.一种机载气象雷达，其特征在于，包括雷达本体及处理器，所述处理器用于执行权利要求1至5中任一项所述的气象探测方法。
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