[发明专利]基于遗传算法的高空冰晶检测方法

说明书

一种基于遗传算法的高空冰晶检测方法。其包括利用海拔高度和大气温度确定出冰晶分布空域，将机载气象雷达接收的冰晶分布空域的雷达反射率因子进行预处理；建立含有未知参数的原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型；利用遗传算法对模型中的未知参数进行精细寻优，获得精确的雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型；将冰晶待测空域的雷达反射率因子输入精确的雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型，获得该空域的冰水含量的估计值，最后根据冰水含量的估计值大小确定出冰晶危险等级等步骤。本发明方法可有效估计出高空冰晶的冰水含量并进行冰晶危险等级量化。从而有效地完成高空冰晶检测。

技术领域

本发明属于气象雷达信号处理技术领域，特别涉及一种基于遗传算法的高空冰晶检测方法。

背景技术

飞机在巡航阶段(一般在22500英尺以上)飞行时，高空冰晶是对飞机飞行安全威胁较大的天气现象。在冰晶高聚集空域，航空发动机叶片表面的冰晶堆积会造成其失速与喘振，燃烧室熄火和损坏等。同时，冰晶还会进入大气数据传感器而造成堵塞，从而使得相关传感器数据异常，结果造成飞机失控。近年来因遭遇高空冰晶而发生的航空飞行事故时有发生。美国联邦航空管理局对近二十年来发生的航空发动机空中事故进行统计，结果表明这些事故大部分与高空冰晶相关。这些真实的事件表明高空冰晶对航空运输业和旅客飞行安全会产生严重影响，因此开展高空冰晶检测的研究是十分重要的，而高空冰晶的冰水含量估计是整个检测流程的基础，直接影响后续危险级别判定的准确性，因此针对高空冰晶的冰水含量估计的研究具有重要的现实意义。

机载气象雷达能探测飞机飞行前方空域的危险气象条件，这些条件可以用作飞行预警或规避危险气象的重要参考。一般情况下，机载气象雷达探测降水目标时是根据雷达回波的强度来区分的，并且认为回波强度越大，含水成分越多，对飞行安全的影响越大。而高空冰晶检测及其危险级别量化可以通过所探测空间的冰水含量IWC(Ice WaterContent)，即单位立体空间的冰晶密度予以指示。冰水含量IWC是指单位体积空气中包含的固态水的质量，单位为g/m³。

国外学者提出可根据雷达反射率因子Z与冰水含量IWC之间存在的统计关系，结合经验公式通过雷达反射率因子Z反演估计出冰水含量IWC的数值。1954年空中剑桥研究中心的Atlas根据飞机实测的谱参数数据，获得了雷达反射率因子Z-粒子分布-冰水含量之间的经验关系；1992年美国的Liao等研究了Ka波段雷达和W波段雷达的雷达反射率因子Z-冰水含量IWC关系；1995年Brown用毫米波机载雷达探测了冰晶云的雷达反射率因子Z-冰水含量IWC经验公式；2001年Austin和Stephens结合数值模拟方法，提出了一种基于毫米波雷达反射率因子Z和可见光层云微物理参数反演冰水含量IWC的方法；2004年Matrosov探讨了基于雷达反射率因子Z估测海洋性层云含水量的方法，并比较了取不同的降水云与非降水云强度界限时云内含水量的变化；2015年大气介质空间观测实验室的Protat分别给出了35GHz和95GHz雷达下的雷达反射率因子Z-冰水含量IWC关系，并统计对比了实验误差。但由于经验公式形式过于简单，因此具有较大局限性，所以难以准确表征复杂的雷达反射率因子Z-冰水含量IWC关系模型，特别是使用不同数据进行冰水含量估计时会存在较大误差，鲁棒性较差，因此如何获得精确的雷达反射率因子Z-冰水含量IWC关系模型是进行高空冰晶的冰水含量准确估计亟待解决的问题。