专利名称：高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法
技术领域：
本发明属于雷达回波信号仿真技术领域，特别是涉及一种高保真机载前视气象雷 达低空风切变信号仿真方法。
背景技术：
目前，低空风切变是航空器在起飞和着陆阶段公认的对飞行安全危害最大的天气 现象，民航飞机对低空风切变等气象目标的探测需要依靠机载前视气象雷达，可以说它是 民航飞机的“双眼”。由于低空风切变具有危险性大、持续时间短且不易探测的特点，其实际 数据较难获取，只能通过高保真仿真来得到。对于气象目标回波信号的仿真大多基于统计模型，根据目标的在时间上的相关性 进行仿真。但是，低空风切变是一种复杂的天气过程，除在时间上具有相关性外在空间上也 是相关的。迄今，没有有关文献对风切变的相关性有准确的描述。因此，采用统计模型的方 法不适用于机载前视气象雷达低空风切变回波信号的仿真。低空风切变信号的仿真依赖于所采用的低空风切变的风场模型。目前，低空风 切变风场建模方法主要有三种第一类模型是以实际测量数据为依据建立的模型，这类 模型不足以反映低空风切变的本质特征及动态发展过程；第二类模型是工程化的简化模 型，一般仅能反映出风切变的速度特性，并不能体现出其全部特点，因此不能真实地反映 低空风切变雷达回波信号的特点；第三类模型是美国NASA建立的TASSCTerminal Area Simulation System)模型，因为这种模型所涉及的技术复杂，对系统要求较高，需要大型计 算机进行求解，不适合作为实时仿真的低空风切变的工程化模型。

发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种高保真机载前视气象雷达 低空风切变信号仿真方法。本发明的目的是提供一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，能 够更准确地反映出低空风切变风场特点，能真实地反映出机载前视气象雷达对低空风切变 目标的回波特征。本发明是基于风场仿真软件所建立的真实的风切变风场模型，在此基础上高保真 地实现机载气象雷达风切变回波信号的仿真。仿真包括以下几个步骤(1)基于流体力学和小尺度气象学理论，利用风场仿真软件建立风切变的风场模 型，得到用于回波仿真的风切变风场的速度分布与密度分布。(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子。(3)初始化仿真场景；设置飞机参数、雷达参数、飞机与风场的相对位置以及由风 场仿真软件所生成的风场信息等参数。(4)确定当前扫描方位内所有散射微粒与飞机的距离R、相对速度\等信息。(5)计算风场各散射微粒的回波信号幅度与相位信息。由雷达方程可知，回波信号的幅度可以表示为4 /0^ VZe其中，Ai表示第i个散射微粒的幅度与相位，Pt为雷达功率，G表示天线增益，Ze为 反射率因子，λ为发射信号波长，Ri表示飞机与微粒间的距离。回波信号的相位可以表示为
权利要求
一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，进行低空风切风场建模，其特征是在能反映风切变特征的流体力学模型的基础上实现回波仿真，该方法包括以下步骤(1)基于流体力学和小尺度气象学理论，利用风场仿真软件建立风切变风场模型，得到用于回波仿真的风切变风场的速度分布与密度分布；(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子；(3)初始化仿真场景；设置飞机参数、雷达参数、飞机与风场的相对位置以及由风场仿真软件所生成的风场信息等参数；(4)确定当前扫描方位内散射微粒与飞机相对位置信息；(5)计算风场散射微粒的回波信号幅度与相位信息；(6)对散射微粒的回波进行叠加，形成一个扫描方位的回波信号；(7)更新天线的扫描角度，判断是否超出扫描范围，若已超出扫描范围则停止仿真过程，输出仿真结果；反之，更新飞机与微粒间位置、速度等信息，重复(5)(6)直至扫描过程结束。
2.根据权利要求1所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征 是风场仿真软件建立风切变风场模型，建立了关于风切变的下沉气流的控制方程，确定了 风场的初始条件与边界条件，划分网格并对网格节点求解方程，生成风场的速度分布与密 度分布。
3.根据权利要求2所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征 是风场的初始条件是根据风切变的在气象学上的特点确定的；边界条件是由风切变的物 理特征，在规定计算区域后所确定的区域进出口处的条件。
4.根据权利要求2所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征 是划分网格并对网格节点求解方程是使用网格生成技术，生成计算节点，然后利用有限容 积法，建立离散化方程进行求解。
5.根据权利要求1所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征 是对散射粒子的回波进行叠加是对同一距离分辨单元内的微粒回波进行叠加，是逐距离 分辨单元进行的。
6.根据权利要求1所述的高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，其特征 是更新天线扫描角度是根据天线的扫描速度逐步进行的。
全文摘要
本发明涉及一种高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法。本发明属于雷达回波信号仿真技术领域。高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法，包括步骤(1)利用风场仿真软件建立风切变风场模型；(2)根据仿真风场的密度信息计算风切变风场的反射率因子；(3)初始化仿真场景；(4)确定扫描方位内散射微粒与飞机相对位置信息；(5)计算风场散射微粒的回波信号幅度与相位信息；(6)对散射微粒的回波进行叠加，形成一个扫描方位的回波信号；(7)更新天线扫描角度，判断扫描范围，若超出扫描范围，输出仿真结果；反之重复上述步骤。本发明具有方法简单，仿真效果好，高保真对机载气象雷达风切变目标的回波进行仿真等优点。
文档编号G01S7/41GK101950017SQ20101025270
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者卢晓光, 吴仁彪, 孟志超, 苏志刚, 范懿 申请人:中国民航大学