[发明专利]高保真机载前视气象雷达低空风切变信号仿真方法

说明书

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TASS(Terminal 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v_r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：

Ai=0.93PtG2π2Ze64λ2Ri4]]>

其中，A_i表示第i个散射微粒的幅度与相位，P_t为雷达功率，G表示天线增益，Z_e为反射率因子，λ为发射信号波长，R_i表示飞机与微粒间的距离。

回波信号的相位可以表示为：

其中，λ为发射信号波长。由于R_i＝R₀-v_rt，R₀是微粒与飞机间的初始距离，v_r是微粒与飞机间的径向速度。因此，在回波信号的相位中包含了微粒的速度信息。

(6)对所有散射微粒的回波进行叠加

形成一个扫描方位的回波信号。其中，n₀为噪声，可由雷达接收机的噪声门限所确定。