[发明专利]一种面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及气象探测和计算机仿真领域，尤其是涉及一种基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法。

背景技术

机载气象雷达(Airborne Weather Radar)可以探测飞机前方航道的天气状况，包括雷雨、冰雹、风暴、湍流、云雾和微暴等，帮助飞行员正确评估气象态势，对飞行安全与飞行品质都有重要的保障作用，已经成为大型民用飞机不可或缺的重要部件。传统机载气象雷达研发过程在地面只能进行物理样机通电检查和静态测试，综合性能测试要通过试飞来完成。然而，飞行试验中实飞环境选择、试飞测试、与其他航电子系统动态交联等行为成本高、难度大，穿越极端天气空域的实验更是危险重重。现代机载气象雷达研发过程倾向于通过计算机模拟技术仿真机外飞行环境，可在开发机载气象雷达原理样机、工程样机乃至型号产品时对其各项功能进行功能和性能测试与验证，并对机载气象雷达原理样机模型算法设计、产品研制进行改进，大大缩短产品研制周期和开发节省成本。

面向机载气象雷达仿真应用的机外环境模拟软件必须提供大范围的云场密度分布数据，并支持多架次飞机在同一空域中的云滴密度数据随机访问。由此，一个高性能云场数据生成技术就显得至关重要。现有三维云场仿真技术主要分类成两类：1.利用流体动力学和云滴微物理学进行数值模拟的偏向数值气象条件仿真技术；2.利用计算机图形技术生成视觉相似的三维云场可视化图像。第一类技术生成的云场真实度较高，可以生成一定范围内三维云场体数据。但求解流体动力学和微物理方程是一个复杂耗时的过程，计算时间随着计算网格的增加而快速增长，很难在普通PC上实现大范围云场数据实时动态输出。第二类技术可在普通PC上实现云场的实时渲染，但其技术着眼点是面向视觉显示而不是物理真实性，一般不能产生大范围三维云场体数据。

本文借鉴计算机图形技术中采用元胞自动机(Cellular Automaton，CA)生成云场的思路，提出利用卫星云图数据作为元胞自动机的其实状态，提高生成云场与真实测量数据的贴近度。进一步，本文提出一种利用双二维网格迭代近似三维网格迭代的算法，大幅降低传统元胞自动机在大范围三维空间计算时对内存空间的需求。针对机载气象雷达仿真应用的实际需求，本文提出的三维云场生成技术提供一个返回任意空间位置云滴密度的函数接口，该函数计算过程仅需一张卫星图像且完全独立于其他位置的计算，可在多核CPU上实现高度并行的快速计算。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种占用内存少、计算数据少、精度高、应用灵活的基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法，用以机载气象雷达的机外环境的模拟，包括以下步骤：

1)获取动态卫星云图数据作为仿真三维云场的信息来源；

2)根据动态卫星云图数据采用元胞自动机迭代的方法生成仿真三维云场内的云滴分布密度；

3)采用双二维网格的局部迭代方法对已经生成的仿真三维云场中涉及测试的空间进行数据更新；

4)根据数据更新后的三维云场进行机载气象雷达外部环境的模拟测试。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)在初始零时刻，将动态卫星云图中的像素值I_ij作为仿真三维云场的基础层所有格点的云滴密度即：

ρ(vij[l2]0)=Iij]]>

其中，的上标为时刻值，下标为基础层格点的坐标；

22)以仿真三维云场的基础层为初始值，采用于马尔科夫链的迭代规则获取仿真三维云场中格点(i,j,k)的云滴密度