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数字云团的仿真建模方法

阅读：1033发布：2020-07-01

IPRDB可以提供数字云团的仿真建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种数字云团的仿真建模方法，云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些颗粒信息的描述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射因子为准。本发明从机载气象雷达仿真的角度，真实地反映出雷暴云团颗粒的回波状态，能够更准确地反映出云团的几何形状。，下面是数字云团的仿真建模方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.数字云团的仿真建模方法，其特征在于云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些颗粒信息的描述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射因子为准。

2.根据权利要求1所述的数字云团的仿真建模方法，其特征在于包含下述步骤：

1)创建直角坐标系，绘制期望云团外部轮廓；

2)在云团外部轮廓取N个采样点，其中应包含凹凸分界状态突变的特殊点；

3)在创建的凸集中，计算相邻两个采样点所构成弧形的曲率半径，若该点为凹，则略过此点；

4)若相邻两段弧形的曲率半径差值绝对值小于ε，其中ε>0，则视为同一颗粒，假设第n个采样点到第n+1个采样点的弧为其中n,n+1∈N。kn,n+1为弧的曲率，则弧的曲率半径若有则计算弧的曲率半径为

rn,n+m＝(rn,n+1+rn+1,n+2+…+rn+m-1,n+m)/|m-n|；

5)按照此规律生成所有边缘颗粒；

6)制造颗粒生成器，随机生成位置范围在[Xmin,Xmax]和[Ymin,Ymax]，半径大小在[Rmin,Rmax]范围内的颗粒，通过计算判断该颗粒是否有效，并记录全部有效的颗粒数据集合，形成该云团的拟合；

7)针对每个颗粒计算其与雷达天线的相对位置，得到雷达当前时刻波束扫描范围该云团的回波反射因子序列。

3.根据权利要求2所述的数字云团的仿真建模方法，其特征在于：上述步骤6中，判断颗粒是否有效的过程是：判断颗粒是否全部在云团内部，如果颗粒不在云团内部，则直接无效；如果颗粒在云团内部，则判断颗粒是否有非重合部分，如果颗粒没有非重合部分，则判定颗粒无效；如果颗粒有非重合部分，则判定颗粒有效，并记录颗粒数据。

4.根据权利要求2所述的数字云团的仿真建模方法，其特征在于：上述步骤7中，每个颗粒与雷达天线相对位置的计算方法是：

1)计算雷达天线和当前颗粒中心x方向距离xdis和y方向距离ydis，单位：海里，计算式如下：其中，

-λac为飞机(即雷达天线)当前经度，单位：弧度-φac为飞机(即雷达天线)当前纬度，单位：弧度-λst为云团参考点1当前经度，单位：弧度

-φst为云团参考点1当前纬度，单位：弧度

-αpi为当前颗粒i和云团参考点2连线的方向角，单位：弧度-Spi为当前颗粒i到云团参考点2距离，单位：海里-Rearth为地球半径，单位：海里

-xst为云团参考点1和云团参考点2在x方向的距离，单位：海里-yst为云团参考点1和云团参考点2在y方向的距离，单位海里

2)计算当前颗粒相对雷达天线的方位，即当前颗粒中心距雷达天线的距离Si(单位海里)，以及当前颗粒中心和雷达天线连线的夹角θi(单位弧度)，计算式如下：

3)当得到各个颗粒相对雷达天线的方位后，开始判断当前波束的回波状态，雷达天线发射的波束能量随着宽度的增大而减小，能量衰减3dB以上的区域便不计入在雷达波束扫描范围内；

8)按照雷达型号的特性对其进行衰减补偿算法，对回波序列进行处理，根据强弱等级的阈值判断，得到雷达显示器上的标准雷达云团图像。

说明书全文

数字云团的仿真建模方法

技术领域

[0001] 本发明属雷达仿真及计算机应用技术领域，具体涉及一种数字云团的仿真建模方法。

背景技术

[0002] 数字云团是机载气象雷达仿真系统的扫描对象，云团模型的难易及其应用方法直接影响机载气象雷达仿真系统的时间性能、真实程度等指标。由于云团的不规则性及组成云团颗粒的运动多变性，很难用精确的模型去描述它。尤其是在诸如气象雷达仿真、飞行器模拟等应用中，云团的模拟必须保证实时性，同时具有大规模的特点。选择一种合适的建模方法，主要取决于云团的应用领域，目前，按照几何维数的不同，云团的实时建模可分为二维模型和三维模型。按照建模原理，云团的建模可分为基于个体生长的方法和基于物理过程的方法。其中，基于个体生长的方法主要是获得云团的视觉形状而不需要模拟云团生成或消散的真实物理过程，主要有以下四种模型：一是用粒子系统表现云团等不规则模糊物体；二是利用卫星图像，用元球建模模拟三维云的动画效果；三是基于体元的细胞机自动模型模拟三维云的发展过程；四是通过纹理函数生成云的纹理，适合绘制静态云图。而基于物理过程的方法主要是结合气象学、物理学、流体学等学科，考虑与云团形成有关的各种因素，在可视的领域进行方法的研究，通过数值模拟形象仿真云团形成的物理过程，比如在Vega Prime中建立云团模型。目前较成功的方法有：CML(Coupled map lattice)模型，细胞自动机的扩展模型；基于流体力学的积云对流气象模型，通过Navier-Stokes方程计算气象数据，将结果存在体元网格中，通过体绘制技术绘制体元。在上述云团的建模算法中，主要存在下述难以克服的问题：一是算法中引入各种复杂的数值模型，对系统要求较高，计算时间较长；二是主要是反映了自然现象的形成过程，不适合作为实时的机载气象雷达仿真云团建模的工程化模型。上述缺陷，制约了机载气象雷达云团仿真的实时性和针对性。

发明内容

[0003] 本发明解决的技术问题：提供一种数字云团的仿真建模方法，从机载气象雷达仿真的角度，真实地反映出雷暴云团颗粒的回波状态，根据颗粒的回波状态能够更准确地反映出云团的几何形状。

[0004] 本发明采用的技术方案：数字云团的仿真建模方法，云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些颗粒信息的描述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射因子为准。

[0005] 具体包含下述步骤：

[0006] 1)创建直角坐标系，绘制期望云团外部轮廓；

[0007] 2)在云团外部轮廓取N个采样点，其中应包含凹凸分界等状态突变的特殊点特殊点；

[0008] 3)在创建的凸集中，计算相邻两个采样点所构成弧形的曲率半径，若该点为凹，则略过此点；

[0009] 4)若相邻两段弧形的曲率半径差值绝对值小于ε，其中ε>0，则视为同一颗粒，假设第n个采样点到第n+1个采样点的弧为其中n,n+1∈N。kn,n+1为弧的曲率，则弧的曲率半径rn,n+1＝1/kn,n+1，若有

[0010]

[0011] 则计算弧的曲率半径为

[0012] rn,n+m＝(rn,n+1+rn+1,n+2+…+rn+m-1,n+m)/|m-n|；

[0013] 5)按照此规律生成所有边缘颗粒；

[0014] 6)制造颗粒生成器，随机生成位置范围在[Xmin,Xmax]和[Ymin,Ymax]，半径大小在[Rmin,Rmax]范围内的颗粒，通过计算判断该颗粒是否有效，并记录全部有效的颗粒数据集合，形成该云团的拟合；

[0015] 7)针对每个颗粒计算其与雷达天线的相对位置，得到雷达当前时刻波束扫描范围该云团的回波反射因子序列。

[0016] 上述步骤6中，判断颗粒是否有效的过程是：判断颗粒是否全部在云团内部，如果颗粒不在云团内部，则直接无效；如果颗粒在云团内部，则判断颗粒是否有非重合部分，如果颗粒没有非重合部分，则判定颗粒无效；如果颗粒有非重合部分，则判定颗粒有效，并记录颗粒数据。

[0017] 上述步骤7中，每个颗粒与雷达天线相对位置的计算方法是：

[0018] 1)计算雷达天线和当前颗粒中心x方向距离xdis和y方向距离ydis，单位：海里，计算式如下：

[0019]

[0020] 其中，

[0021] -λac为飞机(即雷达天线)当前经度，单位：弧度

[0022] -φac为飞机(即雷达天线)当前纬度，单位：弧度

[0023] -λst为云团参考点1当前经度，单位：弧度

[0024] -φst为云团参考点1当前纬度，单位：弧度

[0025] - 为当前颗粒i和云团参考点2连线的方向角，单位：弧度

[0026] - 为当前颗粒i到云团参考点2距离，单位：海里

[0027] -Rearth为地球半径，单位：海里

[0028] -xst为云团参考点1和云团参考点2在x方向的距离，单位：海里[0029] -yst为云团参考点1和云团参考点2在y方向的距离，单位海里

[0030] 2)计算当前颗粒相对雷达天线的方位，即当前颗粒中心距雷达天线的距离Si(单位海里)，以及当前颗粒中心和雷达天线连线的夹角θi(单位弧度)，计算式如下：

[0031]

[0032] 3)当得到各个颗粒相对雷达天线的方位后，开始判断当前波束的回波状态，雷达天线发射的波束能量随着宽度的增大而减小，能量衰减3dB以上的区域便不计入在雷达波束扫描范围内；

[0033] 8)按照雷达型号的特性对其进行衰减补偿算法，对回波序列进行处理，根据强弱等级的阈值判断，得到雷达显示器上的标准雷达云团图像，运行结果如图7所示。

[0034] 图8a、图8b、图8c为飞机和云团不断接近过程中，雷达显示器扫描到的云团图像。雷达天线从左至右往返扫描，当飞机(雷达天线)和云团相对方向发生变化时，雷达显示器的云团图像也在不断变化，即实现了云团的动态模拟。

[0035] 本发明与现有技术相比的优点：

[0036] 1、一般雷暴云团的体积都是比较庞大的，雷达波束扫描到的部分是由众多小雨滴组成的，每个雨滴都进行能量的反射，所以众多雨滴的能量反射形成了可测量的回波信号，从机载气象雷达系统仿真的角度，结合雷达工作过程的云团几何数学模型对雷达仿真更为有效；

[0037] 2、云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些信息的描述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射因子为准。

[0038] 3、利用云团的粒子系统模型对云团进行构建，生成的云团的位置和方向能够随雷达位置的变化而变化，具有较好的实时性；

[0039] 4、该模型具有简单易用，运算速度快，周期时间短的特性。

附图说明

[0040] 图1为本发明的云团边缘颗粒创建示意图；

[0041] 图2为本发明的云团内部颗粒创建流程图；

[0042] 图3为本发明的云团颗粒几何图形示意图；

[0043] 图4为本发明的云团整体图形示意图；

[0044] 图5为本发明的云团颗粒数据计算示意图；

[0045] 图6为分三种情况下当前颗粒回波判断示意图；

[0046] 图7为本发明绘制的雷达显示图像；

[0047] 图8a、图8b、图8c为飞机运动过程中雷达显示器上云团动态模拟图。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图1-8描述本发明的一种实施例。

[0049] 附图说明：

[0050] 图1云团边缘颗粒的创建描述了云团边缘颗粒的创建示意图，以其中某些采样点为例，描述了颗粒选取的过程；

[0051] 图2云团内部颗粒的创建流程描述了云团内部颗粒的生成及判断过程；

[0052] 图3云团颗粒的几何图形描述了二维平面内颗粒的分布情况，每个颗粒中心的数字代表该颗粒在该云团内的编号；

[0053] 图4云团的整体图形描述了将这些颗粒组合后呈现的云团形状；

[0054] 图5云团的颗粒数据计算示意图描述了云团和雷达天线相对位置计算方法；

[0055] 图6当前颗粒的回波判断分三种情况描述了当前颗粒产生的雷达波束的回波状态；

[0056] 图7中雷达显示图像描述了图4云团在雷达显示器上的标准雷达图像；

[0057] 图8a、图8b、图8c为飞机和云团不断接近过程中，雷达显示器扫描到的云团图像。

[0058] 数字云团的仿真建模方法，云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些颗粒信息的描述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射因子为准。

[0059] 包含下述步骤：

[0060] 1)创建直角坐标系，绘制期望云团外部轮廓；

[0061] 2)在云团外部轮廓取N个采样点，其中应包含凹凸分界等状态突变的特殊点特殊点；

[0062] 3)在创建的凸集中，计算相邻两个采样点所构成弧形的曲率半径，若该点为凹，则略过此点；

[0063] 4)若相邻两段弧形的曲率半径差值绝对值小于ε，其中ε>0，则视为同一颗粒，假设第n个采样点到第n+1个采样点的弧为其中n,n+1∈N。kn,n+1为弧的曲率，则弧的曲率半径rn,n+1＝1/kn,n+1，若有

[0064]

[0065] 则计算弧的曲率半径为

[0066] rn,n+m＝(rn,n+1+rn+1,n+2+…+rn+m-1,n+m)/|m-n|； (2)

[0067] 5)按照此规律生成所有边缘颗粒；

[0068] 6)制造颗粒生成器，随机生成位置范围在[Xmin,Xmax]和[Ymin,Ymax]，半径大小在[Rmin,Rmax]范围内的颗粒，通过计算判断该颗粒是否有效，并记录全部有效的颗粒数据集合，形成该云团的拟合；判断颗粒是否有效的过程是：判断颗粒是否全部在云团内部，如果颗粒不在云团内部，则直接无效；如果颗粒在云团内部，则判断颗粒是否有非重合部分，如果颗粒没有非重合部分，则判定颗粒无效；如果颗粒有非重合部分，则判定颗粒有效，并记录颗粒数据；

[0069] 7)针对每个颗粒计算其与雷达天线的相对位置，得到雷达当前时刻波束扫描范围该云团的回波反射因子序列。每个颗粒与雷达天线相对位置的计算方法是：

[0070] 1)计算雷达天线和当前颗粒中心x方向距离xdis和y方向距离ydis，单位：海里，计算式如下：

[0071]

[0072] 其中，

[0073] -λac为飞机(即雷达天线)当前经度，单位：弧度

[0074] -φac为飞机(即雷达天线)当前纬度，单位：弧度

[0075] -λst为云团参考点1当前经度，单位：弧度

[0076] -φst为云团参考点1当前纬度，单位：弧度

[0077] - 为当前颗粒i和云团参考点2连线的方向角，单位：弧度

[0078] - 为当前颗粒i到云团参考点2距离，单位：海里

[0079] -Rearth为地球半径，单位：海里

[0080] -xst为云团参考点1和云团参考点2在x方向的距离，单位：海里[0081] -yst为云团参考点1和云团参考点2在y方向的距离，单位海里

[0082] 2)计算当前颗粒相对雷达天线的方位，即当前颗粒中心距雷达天线的距离Si(单位海里)，以及当前颗粒中心和雷达天线连线的夹角θi(单位弧度)，计算式如下：

[0083]

[0084] 3)当得到各个颗粒相对雷达天线的方位后，开始判断当前波束的回波状态，雷达天线发射的波束能量随着宽度的增大而减小，能量衰减3dB以上的区域便不计入在雷达波束扫描范围内。假设雷达扫描半波束宽度角为δhbw，当前雷达波束能够扫描到当前颗粒的情况有三种，分别计算当前颗粒在当前波束回波的开始点位置和结束点位置，如图6所示，具体判断和计算如下：

[0085] 第一种情况，当θi＜δhbw时(如图6(a)所示)，以雷达天线和当前颗粒中心的连线为参考，当前颗粒在当前波束回波的开始点位置 (单位海里)和结束点位置 (单位海里)的计算式为

[0086]

[0087] 其中，为当前颗粒i的半径，单位海里。

[0088] 第二种情况，当θi＞δhbw且θi＜90°时(如图6(b)所示)，以雷达天线中心线为参考，通过判断xdis和的大小确定当前颗粒是否被当前波束扫描到。若能扫描到，当前颗粒在当前波束回波的开始点位置 (单位海里)和结束点位置 (单位海里)的计算式为

[0089]

[0090] 第三种情况，当θi＞δhbw且θi＞90°时(如图6(c)所示)，即飞机在当前颗粒内部，同样以雷达天线中心线为参考，通过判断xdis和的大小确定当前颗粒是否被当前波束扫描到。若能扫描到，当前颗粒在当前波束回波的开始点位置 (单位海里)和结束点位置 (单位海里)的计算式为

[0091]

[0092] 依照上述方法，遍历当前云团的各个颗粒，得到当前雷达天线波束扫描范围内各颗粒的回波状态，依据相同位置回波强值优先的原则，选取反射因子高的颗粒，绘制出飞机相对于当前云团不同位置时的云团水平面图形，为后面雷达仿真工作提供了基础数据。

[0093] 上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种机载气象雷达视频处理方法-专利编号CN106918803A	2020-05-14	456
基于FPGA的机载气象雷达-专利编号CN106597449A	2020-05-12	592
一种机载气象雷达系统教学试验台-专利编号CN110085090A	2020-05-19	1119
基于FPGA的机载气象雷达-专利编号CN106597449B	2020-05-11	321
一种机载气象雷达教学模拟系统-专利编号CN102129795B	2020-05-16	725
一种飞机机载气象雷达测试系统-专利编号CN104345302A	2020-05-17	575
一种机载气象雷达教学模拟系统-专利编号CN102129795A	2020-05-18	970
一种机载气象雷达雷暴识别方法-专利编号CN108896995A	2020-05-13	1148
具有旋转天线的机载气象雷达-专利编号CN104111459B	2020-05-20	400
具有旋转天线的机载气象雷达-专利编号CN104111459A	2020-05-15	767

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