CN116500580A - 一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及民航空中交管技术领域，提供一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统。该方法包括：通过雷达获取尾涡流场的探测数据并剔除背景风影响；根据纯净数据计算获得距离门包括径向速度的标准差和仰角在内的特征参数；基于涡核附近速度场特性建立决策树，将特征参数输入决策树得到涡核的径向距离范围；对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优形成预涡核参数；基于雷达探测时刻和航班时刻反演预涡核参数获得反演结果，对反演结果进行可信度评估，以完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。该方法及系统在计算量可承受基础上得到更准确的尾涡反演结果获得涡核参数，进而提升了空域运行效率。

Description

一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统

技术领域

本发明涉及民航空中交管技术领域，尤其涉及一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统。

背景技术

尾流是飞机在飞行中由于机翼上下压力差而在翼尖形成的反向旋转涡流，为防止跟随飞行的后机遭遇尾流后可能出现的滚转、急剧俯仰、下降高度、失速等危险事件发生，民航局制定了前后飞机之间的尾流间隔标准，该标准将航空器按照最大起飞重量来分类，给出不同类别飞机组合下在飞行中所必须遵守的最小间距。但是，由于尾流的生成和演化取决于前机重量、速度、翼展，后机稳定性、操纵性、飞行速度，以及大气中的侧风、湍流、层结特性等参数，造成现行间隔标准无法准确反映飞机尾流的真实强度和消散影响，总体比较保守。

随着航空运输业的持续快速发展，机场容量和时刻资源日趋紧张，对飞机尾涡的识别和探测已成为国内外的研究重点。此前对于尾涡的雷达探测研究可以识别到尾涡存在，但尾涡的具体位置和强度参数难以确定或计算量较大，且在实际探测中用激光雷达对尾涡流场进行扫描时，精度受到限制，雷达距离门不能与涡核位置重合，导致对飞机尾流的探测中的计算误差大和计算总量大，从而降低了空域内运行效率。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统。

本发明提供一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，包括：

S100：通过雷达获取尾涡流场的探测数据，对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据；

S200：根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数，所述特征参数包括所述距离门的径向速度的标准差和仰角；

S300：基于涡核速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围；

S400：在所述径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数；

S500：基于雷达探测时刻和航班时刻反演所述预涡核参数获得反演结果，对所述反演结果进行可信度评估，根据评估到的可信度结果中的完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。

根据本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，步骤S400中所述目标函数的计算式为：

其中，为最小均方误差，/>为探测数据中的左涡区域内探测点个数，/>为探测数据中的右涡区域内探测点个数，/>为左涡区域中的探测点/>在假设环量下的径向速度，/>为左涡区域中的探测点/>实际探测得到的径向速度，/>为右涡区域中的探测点/>在假设环量下的径向速度，/>为右涡区域中的探测点/>实际探测得到的径向速度。

根据本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，步骤S500中的所述反演结果包括涡核坐标偏差和所述最小均方误差。

根据本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，步骤S500中对所述反演结果进行可信度评估的步骤包括：

S510：判断单条所述预涡核参数对应的所述反演结果中的各参数标准是否超过阈值，得到单条所述预涡核参数对应的第一可信度；

S520：对所述第一可信度进行加权求和，得到单条所述预涡核参数对应的第二可信度；

S530：对多条所述预涡核参数对应的多条第二预可信度取平均值，得到所述可信度结果，其中所述可信度结果为1的为所述完全可信节点。

根据本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，步骤S100中对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据的步骤包括：

S110：判断通过雷达获取尾涡流场的探测数据时是否同时探测侧风数据，若同时探测侧风数据则执行步骤S120，若没有同时探测侧风数据则执行步骤S130；

S120：选取与探测点相同高度上的侧风数据，将所述侧风数据根据雷达探测角度转换为径向风速以对所述探测数据剔除背景风影响获得所述纯净数据；

S130：基于尾涡流场的所述探测数据假设涡核位置，根据雷达谱宽和雷达与探测点的相对位置通过距离加权法对所述探测数据剔除背景风影响获得所述纯净数据。

本发明还提供一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算系统，用以执行如以上任一项所述的基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法包括：

净化模块，用于获取雷达发送的尾涡流场的探测数据，并对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据；

处理模块，用于根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数，并基于涡核附近速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围，并在径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数；

反演模块，用于基于雷达探测时刻和航班时刻反演预涡核参数获得反演结果，并对所述反演结果进行可信度评估，根据评估到的可信度结果中的完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。

根据本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算系统，所述处理模块包括：

特征参数计算单元，用于根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数；

径向范围计算单元，用于基于涡核附近速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围；

寻优计算单元，用于在径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数。

本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统，旨在基于可实现的雷达精度，针对使用激光雷达进行飞机尾流探测反演中因精度有限导致的误差和计算量大、易受复杂大气影响等问题，通过在激光雷达探测数据基础上基于决策树和均方误差构建的尾涡参数反演模型，对尾涡进行探测和参数反演，可以在保证安全的前提下缩短间隔，从而能更加合理地确定尾涡影响范围，实现尾流间隔的动态缩减，提升空域内的运行效率和机场容量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1描述本发明提供的实施例。

本发明提供一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，包括：

S100：通过雷达获取尾涡流场的探测数据，对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据；

其中，步骤S100中对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据的步骤包括：

S110：判断通过雷达获取尾涡流场的探测数据时是否同时探测侧风数据，若同时探测侧风数据则执行步骤S120，若没有同时探测侧风数据则执行步骤S130；

S120：选取与探测点相同高度上的侧风数据，将所述侧风数据根据雷达探测角度转换为径向风速以对所述探测数据剔除背景风影响获得所述纯净数据；

S130：基于尾涡流场的所述探测数据假设涡核位置，根据雷达谱宽和雷达与探测点的相对位置通过距离加权法对所述探测数据剔除背景风影响获得所述纯净数据。

在一些实施例中，在有侧风廓线的情况下，选取与探测点最接近的高度上的侧风值，将其按雷达探测角度转换为径向方向的风速；基于尾涡流场的可能影响区域和激光雷达探测结果假设涡核位置，在没有侧风探测条件的情况下，可以根据谱宽和雷达跑道相对位置确定尾涡的大致范围后按距离加权剔除侧风。

进一步的，距离加权法剔除的方法为首先以激光雷达为原点建立坐标轴，当探测点横坐标在跑道中线对应的横坐标的正负150m范围内，纵坐标在200m以下，则认为在尾涡在跑道范围内；其次以探测点为核心，横坐标正负100m，纵坐标正负50m为顶点的矩形划定涡核计算范围；在此基础上向左右两侧扩展100m作为侧风计算区域；将两边侧风区域内探测点处的径向风速转化到水平方向后，分别求得其左右两侧的平均风；在涡核计算范围内的探测点处探测仰角，那么此处侧风的计算式为：

其中，为距离加权法计算得到的侧风数据，/>为探测点坐标，/>为左侧风区域中心横坐标偏移量，/>为右侧风区域中心横坐标偏移量，/>为左侧风平均风，/>为右侧风平均风，/>为探测点探测仰角。

S200：根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数，所述特征参数包括所述距离门的径向速度的标准差和仰角；

在一些实施例中，计算距离门的特征参数包括确定左右涡径向速度达到标准差峰值和次大值对应的距离门，计算左右涡径向速度达到极大值和极小值时对应探测仰角的中值，计算距离门上的径向速度标准差记为，计算左右涡处峰值与次大值比值。

S300：基于涡核速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围；

S400：在所述径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数；

其中，步骤S400中所述目标函数的计算式为：

其中，为最小均方误差，/>为探测数据中的左涡区域内探测点个数，/>为探测数据中的右涡区域内探测点个数，/>为左涡区域中的探测点/>在假设环量下的径向速度，/>为左涡区域中的探测点/>实际探测得到的径向速度，/>为右涡区域中的探测点/>在假设环量下的径向速度，/>为右涡区域中的探测点/>实际探测得到的径向速度。

在一些实施例中，上述的探测点左右涡区域内的探测点均为左右涡对应的涡核周围5-15米的探测点。

S500：基于雷达探测时刻和航班时刻反演所述预涡核参数获得反演结果，对所述反演结果进行可信度评估，根据评估到的可信度结果中的完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。

在一些实施例中，探测时将雷达扫描时刻与航班时刻表对照，按航班时刻表起降时刻正负2分钟范围匹配航班与对应的探测数据，可以得到一组完整的尾涡扫描过程。

其中，步骤S500中的所述反演结果包括涡核坐标偏差和所述最小均方误差。

其中，步骤S500中对所述反演结果进行可信度评估的步骤包括：

S510：判断单条所述预涡核参数对应的所述反演结果中的各参数标准是否超过阈值，得到单条所述预涡核参数对应的第一可信度；

S520：对所述第一可信度进行加权求和，得到单条所述预涡核参数对应的第二可信度；

S530：对多条所述预涡核参数对应的多条第二预可信度取平均值，得到所述可信度结果，其中所述可信度结果为1的为所述完全可信节点。

在一些实施例中，按照按以下三个标准评估并加权得到单条反演结果的可信度：反演结果的左右涡核位置距离是否合理：横坐标方向上在100米范围内，纵坐标方向上在30米范围内；相邻数据反演的涡核位置是否发生不合理的突变，其中不合理突变为是否发生高度反弹：下一时刻的涡核高度不高于前一时刻20米以上；均方误差是否过大：步骤40中反演速度场与实际探测值得均方误差不超过2。

进一步的，将反演结果用以上三个标准检验，符合标准则取1，否则取0，依次按50%、30%、20%加权求和，得到单条反演结果的可信度，对一组探测数据反演结果的可信度取平均值，得到该组结果的可信度，大于0.5认为可信，以可信度为1的反演结果为节点，基于时间对节点之间时刻的尾涡参数进行插值得到一组完整的合理反演结果。

本发明提供的基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法可以通过如下的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算系统执行，包括：

净化模块，用于获取雷达发送的尾涡流场的探测数据，并对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据；

处理模块，用于根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数，并基于涡核附近速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围，并在径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数；

反演模块，用于基于雷达探测时刻和航班时刻反演预涡核参数获得反演结果，并对所述反演结果进行可信度评估，根据评估到的可信度结果中的完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。

其中，所述处理模块包括：

特征参数计算单元，用于根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数；

径向范围计算单元，用于基于涡核附近速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围；

寻优计算单元，用于在径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数。

在一些实施例中，本发明提供的基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法得到的均方误差在0.207-0.438之间，在相同条件下本发明相较于极差法估算涡核位置的算法精准度提升17.20%-74.23%，在相同条件下本发明相较于梯度法估算涡核位置的算法精准度提升48.83%-81.19%，探测精准度均有大幅提升。

本发明提供的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法及系统，通过已知的涡核附近的速度场特性，建立了判断涡核位置范围的决策树，在范围内基于均方误差对具体涡核坐标和环量循环寻优得到单条扫描数据的反演结果，之后将雷达探测数据与航班时刻数据进行匹配，通过对反演结果进行可信度评估并插值，可以得到一架飞机尾涡被探测到的完整过程中的参数反演结果，从而获取涡核参数，解决了现行尾流间隔标准相对比较保守、限制机场容量提升空间这一问题，以在计算量可承受基础上得到更准确的尾涡反演结果，提高了涡核参数及尾涡参数的准确度，提升了空域运行效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，其特征在于，包括：

S100：通过雷达获取尾涡流场的探测数据，对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据；

S200：根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数，所述特征参数包括所述距离门的径向速度的标准差和仰角；

S300：基于涡核速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围；

S400：在所述径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数；

S500：基于雷达探测时刻和航班时刻反演所述预涡核参数获得反演结果，对所述反演结果进行可信度评估，根据评估到的可信度结果中的完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，其特征在于，步骤S400中所述目标函数的计算式为：

其中，为最小均方误差，/>为探测数据中的左涡区域内探测点个数，/>为探测数据中的右涡区域内探测点个数，/>为左涡区域中的探测点/>在假设环量下的径向速度，为左涡区域中的探测点/>实际探测得到的径向速度，/>为右涡区域中的探测点/>在假设环量下的径向速度，/>为右涡区域中的探测点/>实际探测得到的径向速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，其特征在于，步骤S500中的所述反演结果包括涡核坐标偏差和所述最小均方误差。

4.根据权利要求1所述的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，其特征在于，步骤S500中对所述反演结果进行可信度评估的步骤包括：

S510：判断单条所述预涡核参数对应的所述反演结果中的各参数标准是否超过阈值，得到单条所述预涡核参数对应的第一可信度；

S520：对所述第一可信度进行加权求和，得到单条所述预涡核参数对应的第二可信度；

S530：对多条所述预涡核参数对应的多条第二预可信度取平均值，得到所述可信度结果，其中所述可信度结果为1的为所述完全可信节点。

5.根据权利要求1所述的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，其特征在于，步骤S100中对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据的步骤包括：

S110：判断通过雷达获取尾涡流场的探测数据时是否同时探测侧风数据，若同时探测侧风数据则执行步骤S120，若没有同时探测侧风数据则执行步骤S130；

S120：选取与探测点相同高度上的侧风数据，将所述侧风数据根据雷达探测角度转换为径向风速以对所述探测数据剔除背景风影响获得所述纯净数据；

S130：基于尾涡流场的所述探测数据假设涡核位置，根据雷达谱宽和雷达与探测点的相对位置通过距离加权法对所述探测数据剔除背景风影响获得所述纯净数据。

6.一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算系统，用以执行如权利要求1至5任一项所述的基于多普勒雷达探测的涡核参数计算方法，其特征在于，包括：

净化模块，用于获取雷达发送的尾涡流场的探测数据，并对所述探测数据剔除背景风影响获得纯净数据；

处理模块，用于根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数，并基于涡核附近速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围，并在径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数；

反演模块，用于基于雷达探测时刻和航班时刻反演预涡核参数获得反演结果，并对所述反演结果进行可信度评估，根据评估到的可信度结果中的完全可信节点为节点对所述预涡核参数进行插值得到涡核参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于多普勒雷达探测的涡核参数计算系统，其特征在于，所述处理模块包括：

特征参数计算单元，用于根据所述纯净数据计算获得距离门的特征参数；

径向范围计算单元，用于基于涡核附近速度场特性建立决策树，将所述特征参数输入所述决策树得到涡核的径向距离范围；

寻优计算单元，用于在径向距离范围内对涡核坐标和环量进行以最小均方误差为目标函数的寻优，获得寻优后的涡核坐标和寻优后的环量组成的预涡核参数。