[发明专利]机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达回波信号仿真技术领域，特别是涉及一种机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法。

背景技术

低空风切变是飞机在起飞和着陆阶段遇到的危害最大的天气现象之一。当飞机穿过风切变区域的风场中心时，受急剧变化的风速和下沉气流的影响，会使飞机接近失速。由于在飞机起降阶段可操纵的高度空间受限，若风切变强度较大，则极易造成严重的坠机事故。由于真实的风切变回波数据较难获取，因此开展高保真的低空风切变三维回波仿真方法的研究具有十分重要的现实意义。

气象目标模型的建立不同于一般的目标建模。常见的目标建模，大多是基于目标的起伏特性在时间上的相关性来建立相应的统计模型，而对于气象目标模型来说明，不仅在时间维具有相关性，在空间维也具有相关性，因此不能简单地采用统计模型的方法。

低空分切变是一种分布式气象目标，常用的低空风切变建模方法主要分为3类：

(1)类似于一般目标的外场实测法，利用以由机场的气象雷达网和塔台组成的监测网实际测量数据为依据建立的模型，如美国的联合机场天气研究(Joint Airport Weather Studies，JAWS)计划等。该类模型基于探测到的真实数据进行建模，模型数据真实可靠，但其无法反映出风切变的本质特征及动态发展过程，不能随气象条件的不同而变化。

(2)工程化的简化模型，该模型通常根据物理概念用简单的数学形式拟合而成。虽然该类模型实现较为简单，但其忽略了其它因素对雷达回波的影响，因而并不能体现出风切变风场的全部特点。

(3)以描述小尺度气象的大气动力学和微物理方程为基础的小尺度气象模型。该类模型有NASA的Langley研究中心建立的TASS(Terminal Area Simulation System)模型、简化解析模型以及ARPS(Advanced Regional Prediction System)模型。TASS模型能够模拟整个风场从发生到发展的动态全过程，不但能够反映风场的速度特征，还能提供大气中的相应参数，如温度、水分和反射率因子等。

机载气象雷达回波信号仿真越来越得到重视，一方面，随着雷达的不断发展，功能愈加强大，种类愈加繁多，利用外场实验对雷达性能和指标的测试已经不能满足需求；另一方面，对于低空风切变的研究，其具有发生突然、持续时间短、影响强度大、危险性高和不易探测等特点，因此实测数据不易获取。那么，建立合理的算法模型，利用软件或硬件对雷达回波信号仿真就成为重要的手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于真实低空风切变回波数据难以获取的情况下，提供一种机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法。

为了达到上述目的，本发明提供的机载气象雷达低空风切变三维回波仿真方法包括以下几个步骤：

1)利用包括场景范围、边界条件在内的场景参数，建立三维网格化的计算域；

2)对上述建立的计算域进行流体仿真，生成原始风场数据；

3)采用反距离加权插值法对上述步骤2)中生成的原始风场数据进行修正，以使原始风场数据均匀化；

4)建立仿真场景，初始化包括雷达参数、载机参数、扫描参数和场景参数在内的场景仿真参数，并按照场景参数的设置读取步骤3)中的修正风场数据；

5)根据步骤4)中建立的仿真场景，模拟机载气象雷达扫描低空风切变，对雷达波束内的散射点进行相干叠加，形成一个扫描方位的雷达回波信号。

6)利用步骤4)中的载机参数、场景参数和扫描参数分别更新飞机位置信息、修正风场数据和雷达波束扫描角度信息；

7)依据雷达参数中的扫描范围判断扫描是否完成，若完成，输出一个扫描周期的回波信号；若未完成，返回步骤5)直至扫描结束。

在步骤1)中，所述的场景范围为中心对称的圆柱形，边界条件为一个标准大气压的开放性出口，不限制流体流出方向，三维网格化的计算域由非均匀网格构成。

在步骤2)中，所述的对上述建立的计算域进行流体仿真，生成原始风场数据的方法是：设定由流体特性和边界条件构造的流体仿真的初始条件，利用迭代连续方程与动量方程计算三维网格内的原始风场数据，进行流体仿真。

所述的初始条件中以参考密度为1.225kg/m³的理想气体设定仿真的流体特性，初始条件中依据的边界条件为一个标准大气压的开放性出口，不限制流体流出方向。

在步骤3)中，所述的反距离加权插值法是将插值点与已知点间距离的倒数作为权值进行加权求和，其表达式如下：