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基于遗传算法的高空冰晶检测方法

申请号 CN202210140853.X 申请日 2022-02-16 公开(公告)号 CN114492202A 公开(公告)日 2022-05-13
申请人 中国民航大学; 发明人 李海; 孙研; 张彬蕾; 白锦;
摘要 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。
权利要求

1.一种基于遗传算法的高空冰晶检测方法,其特征在于:所述方法包括按顺序进行的下列步骤:

1)利用海拔高度和大气温度确定出冰晶分布空域,然后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,获得预处理后的雷达反射率因子并按比例随机划分成训练集和测试集;

2)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;

3)将步骤1)获得的训练集输入步骤2)获得的原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中,然后利用遗传算法对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中的未知参数进行精细寻优,之后输入步骤1)获得的测试集进行测试,最终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;

4)将冰晶待测空域的雷达反射率因子输入上述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。

2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的高空冰晶检测方法,其特征在于:在步骤1)中,所述冰晶分布空域设定为海拔高度22500英尺以上,大气温度‑50℃‑20℃之间的空域;

雷达反射率因子进行预处理的方法是选取一个适当范围作为雷达反射率因子阈值而将接收的雷达反射率因子中的异常值去除;训练集和测试集的比例为7:3。

3.根据权利要求1所述的基于遗传算法的高空冰晶检测方法,其特征在于:在步骤2)中,所述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为:式中,IWC表示高空冰晶的冰水含量;Z表示雷达反射率因子;a表示冰晶质量幂律分布函数m(D)中表征冰晶粒子成分的参数;N0表示冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中表征冰晶粒子尺寸的参数;μ表示冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中决定分布形状的参数;其中后三个参数为未知参数。

4.根据权利要求1所述的基于遗传算法的高空冰晶检测方法,其特征在于:在步骤3)中,所述利用遗传算法对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中的未知参数进行精细寻优的方法是:道德对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中的所有未知参数分别进行编码,接着生成初始种群,然后进行选择和变异操作,其次按照适应度函数选出最优解,解码后得到最优参数,最后将最优参数带入原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中,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。

5.根据权利要求1所述的基于遗传算法的高空冰晶检测方法,其特征在于:在步骤4)中,所述根据冰水含量的估计值大小确定出冰晶危险等级的方法是:依据欧盟的《气象雷达探测冰晶的可行性研究报告》,根据冰水含量的估计值大小将冰晶危险等级划分为轻度、中3

度和重度三类:当冰水含量的估计值小于1g/m 时,冰晶危险等级为轻度,冰水含量的估计

3 3 3

值介于1g/m与3g/m 之间时,冰晶危险等级为中度,冰水含量的估计值大于3g/m时,冰晶危险等级为重度。

说明书全文

基于遗传算法的高空冰晶检测方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。
[0003] 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  Water 
Content),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
3
固态水的质量,单位为g/m。
[0004] 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。
[0005] 针对数学模型相对复杂,所需确定参数较多的雷达反射率因子Z‑冰水含量IWC关系模型,利用一些智能算法进行自适应的参数估计从而得到准确的模型是解决问题的新方
案。遗传算法是一种在解决各种复杂优化问题时效果显著,且具有较强鲁棒性的算法。从
1995年开始,国内对遗传算法的研究也日益增加,作为启发式搜索算法的一员,遗传算法在
最近几十年内在信号处理、最优控制、生产规划等各个领域都有着长足的进步与发展。遗传
算法在求解函数优化问题时,相比其它优化算法,最大的特点是处理对象不是参数本身,而
是针对通过参数集进行编码得到的基因个体,故不受函数连续性的约束。另外该算法不需
要问题的梯度信息等辅助信息,仅根据适应度函数的数值大小就可以选出最优个体,且适
应度函数不受连续可微的约束,所以应用范围大大扩展。针对高空冰晶的冰水含量估计问
题,如能利用遗传算法进行参数估计,发挥其鲁棒性较好的优点,由此获得精确的雷达反射
率因子Z‑冰水含量IWC关系模型将具有很好的应用价值。

发明内容

[0006] 为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种基于遗传算法的高空冰晶检测方法。
[0007] 为了达到上述目的,本发明提供的基于遗传算法的高空冰晶检测方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0008] 1)利用海拔高度和大气温度确定出冰晶分布空域,然后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,获得预处理后的雷达反射率因子并按比例随机
划分成训练集和测试集;
[0009] 2)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;
[0010] 3)将步骤1)获得的训练集输入步骤2)获得的原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中,然后利用遗传算法对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关
系模型中的未知参数进行精细寻优,之后输入步骤1)获得的测试集进行测试,最终获得精
确的雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型;
[0011] 4)将冰晶待测空域的雷达反射率因子输入上述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。
[0012] 在步骤1)中,所述冰晶分布空域设定为海拔高度22500英尺以上,大气温度‑50℃‑20℃之间的空域;雷达反射率因子进行预处理的方法是选取一个适当范围作为雷达反射率
因子阈值而将接收的雷达反射率因子中的异常值去除;训练集和测试集的比例为7:3。
[0013] 在步骤2)中,所述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为:
[0014]
[0015] 式中,IWC表示高空冰晶的冰水含量;Z表示雷达反射率因子;a表示冰晶质量幂律分布函数m(D)中表征冰晶粒子成分的参数;N0表示冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中表征冰
晶粒子尺寸的参数;μ表示冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中决定分布形状的参数;其中后三
个参数为未知参数。
[0016] 在步骤3)中,所述利用遗传算法对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中的未知参数进行精细寻优的方法是:道德对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰
水含量关系模型中的所有未知参数分别进行编码,接着生成初始种群,然后进行选择和变
异操作,其次按照适应度函数选出最优解,解码后得到最优参数,最后将最优参数带入原始
雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中,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。
[0017] 在步骤4)中,所述根据冰水含量的估计值大小确定出冰晶危险等级的方法是:依据欧盟的《气象雷达探测冰晶的可行性研究报告》,根据冰水含量的估计值大小将冰晶危险
3
等级划分为轻度、中度和重度三类:当冰水含量的估计值小于1g/m时,冰晶危险等级为轻
3 3
度,冰水含量的估计值介于1g/m 与3g/m之间时,冰晶危险等级为中度,冰水含量的估计值
3
大于3g/m时,冰晶危险等级为重度。
[0018] 本发明提供的基于遗传算法的高空冰晶检测方法是首先建立雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型,然后基于此模型利用遗传算法对模型中的未知参数进行精
细寻优,得到精确的雷达反射率因子与冰水含量关系模型后,对高空冰晶的冰水含量进行
估计并量化冰晶危险等级。通过仿真数据验证,本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。从而有效完成高空冰晶检测。

附图说明

[0019] 图1为本发明提供的基于遗传算法的高空冰晶检测方法流程图。
[0020] 图2为本发明中利用遗传算法进行未知参数估计的流程图。
[0021] 图3为针对2016年3月17日14时不同高度层数据分别给出的利用本方法进行冰水含量估计与经典经验公式法进行冰水含量估计的实验结果对比图。其中(a)为37.0km高度
层、(b)为7.5km、(c)为8.1km高度层。
[0022] 图4为针对2016年3月17日16时不同高度层数据分别给出的利用本方法进行冰水含量估计与经典经验公式法进行冰水含量估计的实验结果对比图。其中(a)为37.0km高度
层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。
[0023] 图5为2016年3月17日14时不同高度层的冰水含量的真实值与利用本方法获得的估计值的相关性散点图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。
[0024] 图6为2016年3月17日16时不同高度层的冰水含量的真实值与利用本方法获得的估计值的相关性散点图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。
[0025] 图7为2016年3月17日14时采用本方法时不同高度层数据的误差分布直方图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。
[0026] 图8为2016年3月17日16时采用本方法时不同高度层数据的误差分布直方图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。
[0027] 图9为根据冰水含量的估计值给出的美国俄克拉荷马州地区2016年3月17日14时不同高度层数据的冰晶检测结果图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为
8.1km高度层。
[0028] 图10为根据冰水含量的估计值给出的美国俄克拉荷马州地区2016年3月17日16时不同高度层数据的冰晶检测结果图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为
8.1km高度层。
[0029] 图11为采用本方法时2016年3月17日14时冰晶危险等级分布图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。
[0030] 图12为采用本方法时2016年3月17日16时冰晶危险等级分布图。其中(a)为37.0km高度层、(b)为7.5km高度层、(c)为8.1km高度层。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图及具体实例对本发明提供的基于遗传算法的高空冰晶检测方法进行详细说明。
[0032] 如图1所示,本发明提供的基于遗传算法的高空冰晶检测方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0033] 1)利用海拔高度和大气温度确定出冰晶分布空域,然后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,获得预处理后的雷达反射率因子并按比例随机
划分成训练集和测试集;
[0034] 具体方法如下:
[0035] 高浓度冰晶的大气环境通常存在于热带和亚热带的深层对流风暴中。高空中冰晶的分布高度主要在22500英尺以上,大气温度在‑50℃‑20℃之间,那里的过冷水会减少,冰
晶粒子的比重会增加。研究表明,与大型对流环境相关的对流上升气流通常可以将高浓度
的过冷液态水带到高海拔地区,并冻结成非常小的冰晶,所以海拔高度高于30000英尺的天
气条件,通常认为存在大量完全冻结的固态冰晶粒子,几乎不含有过冷液态水。因此本发明
将海拔高度22500英尺以上,大气温度‑50℃‑20℃之间的空域设定为冰晶分布空域。
[0036] 所述海拔高度和飞机周围的大气温度可由飞机上的高度、温度传感器探测得到。其中大气温度随海拔高度的变化而改变,因此也可由海拔高度反演得到大气温度。利用海
拔高度反演得到大气温度的具体操作过程是利用温度垂直递减率,采用反距离权重的逐步
迭代方法,将空域中某点处的大气温度修订到该点处的海拔高度,由此反演得到该处的大
气温度。
[0037] 在气象学中,大气温度随海拔高度的变化公式是以海平面作为基准,在海平面基础上向上反演,海拔高度每增加1000米,大气温度下降一定幅度。具体大气温度T随海拔高
度的变化公式为 其中,T0为飞机周围的平均大气温度,单位是℃;δ为温度
垂直递减率;h为所求空域与飞机海拔高度的高度差,单位是m。
[0038] 高空中的冰晶大都存在于对流层,对流层中大气温度随海拔高度的增加而降低,以对流层为例进行分析,在标准大气压下,通常温度垂直递减率δ约为6.5℃/1000m,按照该
温度垂直递减率δ,以赤道地区海平面的平均大气温度作为基准,利用温度垂直递减率δ,采
用反距离权重的逐步迭代方法,就可利用海拔高度计算出大气温度。但是,由于温度垂直递
减率δ会随着地理区域、季节的变换以及大气高度层的不同而变化,而并非定值,因此在实
际应用中,温度垂直递减率δ的选取要根据具体情况而定。
[0039] 另外,在实际应用中,还可利用设置高度阈值、温度阈值的方式来确定冰晶分布空域;如果某一空域所处海拔高度未高于设定的高度阈值或未低于设定的温度阈值,那么该
空域将不可能存在冰晶。在本发明中,高度阈值设为22500英尺,温度阈值设为‑40℃。
[0040] 机载气象雷达可提供雷达反射率信号强度回波信息,来自冰晶的雷达反射率因子Z一般低于30dBZ。而过低的雷达反射率因子Z反映出的气象目标信息无实际意义,且雷达回
波易受大气中非气象回波的影响,因此实际接收到的雷达反射率因子Z中往往存在受噪音
等干扰而产生的异常值,因此需要选取一个适当范围作为雷达反射率因子阈值而将接收的
雷达反射率因子Z中的异常值去除,即对接收的雷达反射率因子Z进行预处理。在本发明中,
雷达反射率因子阈值设定为‑10dBZ—30dBZ。
[0041] 最后将预处理后的雷达反射率因子Z按照7:3的比例随机划分成训练集和测试集。
[0042] 2)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(Z‑IWC关系模型);
[0043] 具体方法如下:
[0044] 根据Heymsfield等人的研究,冰晶粒子群的等效雷达反射率因子Z和冰水含量IWC的表达式分别如公式(1)和公式(2)所示:
[0045]
[0046]
[0047] 其中, 为反射率加权总体冰晶粒子平均密度;ρ0为液态水密度,通常认为ρ0=3
1kg/m ;系数1.09为液态水密度与固态水密度之比;Ki/Kw为转换系数,将相对于固体冰的雷
2
达反射率转换为等效的冰晶雷达反射率,通常认为(Ki/Kw) =0.174/0.93;a、b为冰晶质量
幂律分布函数m(D)中表征冰晶粒子成分的两个参数,当冰晶粒子近似球形时参数b=3;N0
为冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中表征冰晶粒子尺寸的参数;λ为斜率参量,μ为冰晶粒子
数浓度分布函数N(D)中决定分布形状的参数;ρe为冰晶粒子的有效密度; 为总体平均质
量加权冰晶粒子有效密度;D为最大冰晶粒子直径。
[0048] 但Heymsfield等人未直接给出雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型。由于公式(1)与公式(2)中均含有斜率参量λ,因此可利用共有的斜率参量λ将两公式进行联
立,从而得到雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型。对公式(1)进行变换,提出
斜率参量λ可得:
[0049]
[0050] 对公式(2)进行变换,提出斜率参量λ可得:
[0051]
[0052] 将公式(3)与公式(4)进行联立可得:
[0053]
[0054] 对公式(5)进行变换可得:
[0055]
[0056] 将已确定的冰晶质量幂律分布函数m(D)中表征冰晶粒子成分的参数b、液态水密度ρ0、转换系数Ki/Kw带入公式(6)可得到公式(7)所示的原始雷达反射率因子与高空冰晶的
冰水含量关系模型:
[0057]
[0058] 该关系模型中含有冰晶质量幂律分布函数m(D)中表征冰晶粒子成分的参数a、冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中表征冰晶粒子尺寸的参数N0和冰晶粒子数浓度分布函数N
(D)中决定分布形状的参数μ这三个未知参数,只要知道了这三个参数,就能够获得准确的
雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型
[0059] 3)将步骤1)获得的训练集输入步骤2)获得的原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中,然后利用遗传算法对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关
系模型中的未知参数进行精细寻优,之后输入步骤1)获得的测试集进行测试,最终获得精
确的雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型;
[0060] 遗传算法因并行性好,通用性和鲁棒性强,应用范围广的特点而适用于求解参数估计问题,遗传算法用于参数估计问题时,其最明显的优点包括可以处理异常复杂的优化
函数求解问题而不受函数连续性的约束;可同时对多个解进行搜索,具有并行性;同时,遗
传算法也不需要辅助信息,仅根据适应度函数的数值大小就可以获得最优解,因此应用范
围大大扩展。
[0061] 如图2所示,利用遗传算法对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中的未知参数进行精细寻优的具体方法如下:
[0062] ①编码与种群初始化:利用遗传算法进行参数估计,首先对要优化问题的解进行编码,编码的目的主要是为了改变优化问题解的表现形式,使其方便遗传运算。本发明采用
二进制编码的方式对原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中冰晶质量幂
律分布函数m(D)中表征冰晶粒子成分的参数a、冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中表征冰晶
粒子尺寸的参数N0和冰晶粒子数浓度分布函数N(D)中决定分布形状的参数μ这三个未知参
数分别进行编码,将每一个染色体(解)编码为基因型。完成编码操作后,接着需要生成初始
种群。对于原始雷达反射率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型中每一个未知参数,本发
明通过随机生成的形式来生成一个初始种群,本发明中是随机生成具有均匀分布的200个
个体,作为初始种群;
[0063] ②适应度函数的选取:遗传算法的收敛速度以及能否找到最优解,直接依赖于适应度函数的选取。适应度函数基本上根据优化问题的目标函数而定,当适应度函数确定以
后,自然选择规律就由适应度值大小决定的概率分布来确定哪些染色体适应生存,哪些被
淘汰,生存下来的个体组成新的种群,形成可以繁殖下一代的群体。为了使冰水含量的估计
值更加接近冰水含量的真实值,本发明构造满足下列优化准则的目标函数G(a、N0、μ)作为
适应度函数:
[0064]
[0065] 式中,IWC(a、N0、μ)为利用气象场景数据空气密度、水汽混合比在内的参数计算出来的冰水含量,作为冰水含量的真实值,IWC'(a、N0、μ)为利用公式(7)所示的原始雷达反射
率因子与高空冰晶的冰水含量关系模型求得的冰水含量的估计值,m为使用的样本个数。
[0066] ③遗传选择:群体中的个体首先要进行的是选择操作。选择操作的目的是从群体中选择出优良个体并遗传到下一代,以保留优质基因,同时淘汰掉劣质的个体。通过选择操
作,可以确定哪些个体可以保留并遗传到下一代,选择操作的作用是可以提高算法的收敛
性,并提高计算效率,因为遗传选择可以保留父代的有用信息。遗传算法选择操作的好与坏
依赖于遗传算子的选取,如果遗传算子选择不当,则会造成群体中个体相似度增加,从而子
代与父代个体相近,最终会影响群体发展方向,导致遗传算法过程停滞不前。因此,遗传算
法会失去多样性,进而会发生早熟问题。本发明中遗传选择操作是建立在群体中个体的适
应度评估基础上的,采用基于概率 (Gi为个体适应度值,k=1,2,L,N,N为个体
总数)的轮盘赌方法选择后代。
[0067] ④遗传交叉与变异操作:遗传算法的收敛性,主要取决于变异和交叉两大核心操作。变异操作的实质是在群体中发掘个体的多样性,提高算法的局部随机搜索能力。而交叉
操作则决定产生新个体的速度,对实现算法的全局搜索性能具有关键性的作用。因此,变异
与交叉的结合,共同完成了对搜索空间的局部搜索和全局搜索,使遗传算法能够以良好的
搜索性能完成最优化问题的寻优过程。为了更好地完成交叉和变异操作,由此尽可能得到
最优解,本发明设置交叉概率为0.6,设置变异概率为0.08。
[0068] ⑤迭代终止:本发明设置进化代数计数器t=0,设置最大进化代数T=100,运行终止条件设置为若优化准则的目标函数的目标值满足G(x)≤G0=0.01,或者运行迭代次数T
=100次,则停止遗传进化过程,选取最后一代的最优个体作为未知参数的最优解,最终获
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。
[0069] 4)将冰晶待测空域的雷达反射率因子输入上述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。
[0070] 作为冰晶量化指标的冰水含量的估计值大小可表征某一冰晶所在空域的危险程度,通常,冰水含量越高,航空发动机动力损失越快,安全性越低,危险越大。因此依据欧盟
的《气象雷达探测冰晶的可行性研究报告》,根据冰水含量的估计值大小将冰晶危险等级划
3
分为轻度、中度和重度三类:当冰水含量的估计值小于1g/m时,冰晶危险等级为轻度,冰水
3 3
含量的估计值介于1g/m 与3g/m 之间时,冰晶危险等级为中度,冰水含量的估计值大于3g/
3
m时,冰晶危险等级为重度。
[0071] 低浓度冰晶对飞行安全并不会产生太大影响,欧盟对发动机事件数据库和迄今为3
止进行的飞行测试活动中产生的数据分析表明,冰水含量为1g/m可能是界定在飞行服役
中发生的大多数航空发动机事件的中度冰晶的代表性阈值,在低于此含量的冰晶中飞行,
并不会对飞行安全产生明显威胁,但是在高于该含量的冰晶中飞行,航空发动机容易发生
冰堆积的风险,因此低于该阈值的冰晶含量属于轻度冰晶。另外,FAA对空中客车探测事件
3
数据库和进行的飞行测试活动中产生的数据分析表明,冰水含量为3g/m 可能是界定在飞
行测试活动中发生的大多数探测事件的重度冰晶的代表性阈值。高含量的冰晶不仅会影响
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飞机引擎,还会导致探测器失灵。此外,冰水含量介于1g/m与3g/m之间的冰晶属于中度冰
晶,会对航空发动机产生一定的威胁。
[0072] 为了验证本方法的效果,本发明人将2016年3月17日美国俄克拉荷马州地区西经95°至100°,北纬30°至34°范围内的一次真实气象场景的数值天气预报模式输出数据作为
样本进行检测分析,分别选取俄克拉荷马州地区2016年3月17日14时与2016年3月17日16时
两个时刻点的数据进行实验。
[0073] 依据冰晶的海拔高度和大气温度分析,分别选取7.0km、7.5km、8.1km高度层的数据进行实验。为了验证本方法的有效性和准确性,图3和图4针对两个不同时刻点不同高度
层的数据分别给出了利用本方法与经典经验公式法进行冰水含量估计的实验结果对比图。
0.58
其中以1954年Atlas等人提出的经验公式IWC=0.064Z 、1997年Aydin等人提出的经验公
0.483 0.516
式IWC=0.104Z 以及2002年Mace等人提出的经验公式IWC=0.104Z 为例进行对比。
从图3和图4的实验结果中可以看出,经验公式法因受经验取值的影响,冰水含量的估计值
均产生了不同程度的偏差,误差较大,而采用遗传算法完成的冰水含量估计,误差较小,具
有更优越的估计性能。
[0074] 从真实值与估计值相关性的角度,本发明人给出了俄克拉荷马州地区2016年3月17日14时与2016年3月17日16时不同高度层的冰水含量的真实值与利用本方法获得的估计
值的相关性散点图,分别如图5和图6所示。图中横坐标是利用遗传算法估计得到的取对数
后的冰水含量的估计值,纵坐标是取对数后的冰水含量的真实值,当估计值完全等于真实
值时数据点应该全部分布在对角线上,那么越靠近对角线则说明估计值越准确,从图5和图
6可以看出数据点都在对角线附近,所以证明了本方法进行雷达反射率因子与高空冰晶的
冰水含量关系模型中未知参数估计的准确性。
[0075] 在给出冰水含量的真实值与估计值的相关性散点图的同时,本发明人对利用本方法估计得到的冰水含量的误差大小及出现的概率情况进行了统计,分别给出2016年3月17
日14时和2016年3月17日16时不同高度层数据的误差分布直方图如图7和图8所示,图7和图
8中的误差为冰水含量的估计值减去冰水含量的真实值的绝对误差,由图7和图8可以看出,
两个时刻点不同高度层数据的真实值与估计值的误差出现在0附近的概率较大,均占到
80%左右,故验证了本方法的准确性。
[0076] 另外,统计利用本方法进行冰水含量估计与经验公式法进行冰水含量估计的相关性系数与均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE),2016年3月17日14时数据的统计结
果如表1和表2所示,2016年3月17日16时数据的统计结果如表3和表4所示。由表可见,本方
法与经验公式法相比,相关性系数更接近1,表明具有很强的相关性。同时本方法的RMSE都
小于0.1,说明估计值与真实值之间偏差较小,而经验公式法的RMSE偏差较大,对比表明本
方法准确性更高。
[0077] 完成冰水含量的估计后,根据冰水含量的估计值给出美国俄克拉荷马州地区2016年3月17日14时和2016年3月17日16时不同高度层数据的冰晶检测结果,如图9和图10所示。
从图9和图10可以看出,随着时间的推演,受风力的影响,整个冰晶分布空域逐渐右移。
[0078] 图11和图12分别给出采用本方法时2016年3月17日14时和2016年3月17日16时冰晶危险等级分布图。对图11和图12进行对比可以看出,俄克拉荷马州地区该时间段内的冰
晶云团逐渐右移,而且产生冰晶的云团逐渐变小,其变化特征符合冰晶气象条件产生、发
展、成熟和消散过程的特点,表明俄克拉荷马州地区该时间段的冰晶正在逐渐消散。
[0079] 表1、冰水含量的估计值与真实值之间的相关性系数(2016年3月17日14时数据)
[0080]
[0081] 表2、冰水含量的估计值与真实值之间的RMSE(2016年3月17日14时数据)
[0082]
[0083] 表3、冰水含量的估计值与真实值之间的相关性系数(2016年3月17日16时数据)
[0084]
[0085] 表4、冰水含量的估计值与真实值之间的RMSE(2016年3月17日16时数据)
[0086]