一种基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法技术

本发明专利技术涉及一种基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法，用以机载气象雷达的机外环境的模拟，包括以下步骤：1)获取动态卫星云图数据作为仿真三维云场的信息来源；2)根据动态卫星云图数据采用元胞自动机迭代的方法生成仿真三维云场内的云滴分布密度；3)采用双二维网格的局部迭代方法对已经生成的仿真三维云场中涉及测试的空间进行数据更新；4)根据数据更新后的三维云场及状态查询接口进行机载气象雷达外部环境的模拟测试。与现有技术相比，本发明专利技术具有占用内存少、计算数据少、精度高、应用灵活等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法
本专利技术涉及气象探测和计算机仿真领域，尤其是涉及一种面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法。
技术介绍
机载气象雷达(AirborneWeatherRadar)可以探测飞机前方航道的天气状况，包括雷雨、冰雹、风暴、湍流、云雾和微暴等，帮助飞行员正确评估气象态势，对飞行安全与飞行品质都有重要的保障作用，已经成为大型民用飞机不可或缺的重要部件。传统机载气象雷达研发过程在地面只能进行物理样机通电检查和静态测试，综合性能测试要通过试飞来完成。然而，飞行试验中实飞环境选择、试飞测试、与其他航电子系统动态交联等行为成本高、难度大，穿越极端天气空域的实验更是危险重重。现代机载气象雷达研发过程倾向于通过计算机模拟技术仿真机外飞行环境，可在开发机载气象雷达原理样机、工程样机乃至型号产品时对其各项功能进行功能和性能测试与验证，并对机载气象雷达原理样机模型算法设计、产品研制进行改进，大大缩短产品研制周期和开发节省成本。面向机载气象雷达仿真应用的机外环境模拟软件必须提供大范围的云场密度分布数据，并支持多架次飞机在同一空域中的云滴密度数据随机访问。由此，一个高性能云场数据生成技术就显得至关重要。现有三维云场仿真技术主要分类成两类：1.利用流体动力学和云滴微物理学进行数值模拟的偏向数值气象条件仿真技术；2.利用计算机图形技术生成视觉相似的三维云场可视化图像。第一类技术生成的云场真实度较高，可以生成一定范围内三维云场体数据。但求解流体动力学和微物理方程是一个复杂耗时的过程，计算时间随着计算网格的增加而快速增长，很难在普通PC上实现大范围云场数据实时动态输出。第二类技术可在普通PC上实现云场的实时渲染，但其技术着眼点是面向视觉显示而不是物理真实性，一般不能产生大范围三维云场体数据。本文借鉴计算机图形技术中采用元胞自动机(CellularAutomaton，CA)生成云场的思路，提出利用卫星云图数据作为元胞自动机的其实状态，提高生成云场与真实测量数据的贴近度。进一步，本文提出一种利用双二维网格迭代近似三维网格迭代的算法，大幅降低传统元胞自动机在大范围三维空间计算时对内存空间的需求。针对机载气象雷达仿真应用的实际需求，本文提出的三维云场生成技术提供一个返回任意空间位置云滴密度的函数接口，该函数计算过程仅需一张卫星图像且完全独立于其他位置的计算，可在多核CPU上实现高度并行的快速计算。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种占用内存少、计算数据少、精度高、应用灵活的面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法，用以机载气象雷达的机外环境的模拟，包括以下步骤：1)获取动态卫星云图数据作为仿真三维云场的信息来源；2)根据动态卫星云图数据采用元胞自动机迭代的方法生成仿真三维云场内的云滴分布密度；3)采用双二维网格的局部迭代方法对已经生成的仿真三维云场中涉及测试的空间进行数据更新；4)根据数据更新后的三维云场进行机载气象雷达外部环境的模拟测试。所述的步骤2)具体包括以下步骤：21)在初始零时刻，将动态卫星云图中的像素值Iij作为仿真三维云场的基础层所有格点的云滴密度即：其中，的上标为时刻值，下标为基础层格点的坐标；22)以仿真三维云场的基础层为初始值，采用于马尔科夫链的迭代规则获取仿真三维云场中格点(i,j,k)的云滴密度其中，p(ot|ot-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻停留在原格点位置的概率，p(ht|ht-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生水平迁移的概率，p(vt|vt-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生垂直迁移的概率，为t-1时刻格点(i,j,k)的云滴密度，为t时刻格点(i,j,k)在x方向上相邻格点的云滴密度，为格点(i,j,k)在y方向上相邻格点的云滴密度，为在z方向上相邻格点的云滴密度，(i,j,k)为格点的三维坐标。所述的步骤22)中的p(ot|ot-1)、p(ht|ht-1)和p(vt|vt-1)服从正态分布：其中，σ1、σ2、σ3为仿真三维云场厚度和垂直剖面形状控制参数，z为飞行高度值，z0为人为设定的云场垂直位置基准高度。所述的步骤3)具体包括以下步骤：31)获取机载气象雷达的扫描位置；32)通过双二维网格的局部迭代方法对被扫描位置的附近格点进行状态更新，最终格点vijk的状态为：迭代规则为：其中，为在t时刻z-x平面迭代的格点，为在t时刻z-y平面迭代的格点，p(ot|ot-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻停留在原格点位置的概率，p(ht|ht-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生水平迁移的概率，p(vt|vt-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生垂直迁移的概率，为在t-1时刻格点vijk的状态，为在t时刻格点v(i±1)jk的状态，为在t时刻格点vij(k±1)的状态。所述的步骤4)具体包括以下步骤：由多核CPU根据数据更新后的三维云场生成一个返回任意空间位置云滴密度的函数接口Cld(x,y,z)，供机载气象雷达外部环境模拟测试中获取三维云场任意位置的云滴密度。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、占用内存少：状态查询接口函数和三维云场计算在多核CPU上或众核GPU上实现完全并行计算，从而大幅提高计算效率，减少占有的内存空间，使普通PC平台都能实现大范围三维云场的动态仿真，具有较高实际工程应用价值。二、计算数据少、精度高：本专利技术在面向机载气象雷达仿真应用时，无需实际计算整个三维云场数据，仅需输出雷达波扫描位置的云场密度即可，并且通过双二维网格的局部迭代方法进行三维云场的更新，大大减少了需要计算的数据总量，提高了仿真精度。三、应用灵活：本专利技术对大范围云场生成任务，可使用二维网格近似计算空间单独格点位置的云场密度，输出稀疏云场数据，对小范围云场仿真、可视化等任务，可使用三维网格离线生成某个小区域的体数据。附图说明图1为元胞自动机计算网格示意图。图2为机载气象雷达仿真计算过程示意图。图3为两个正交的2D网格。图4为本专利技术输出的大范围云场示意图，其中图(4a)为大范围云场示意图，图(4b)为图(4a)中A部的放大图。图5为三维云场中雷达扫描线位置关系及其仿真扫描结果示意图。图6为大范围稀疏格点云场数据输出结果。图7为小范围云场体数据输出结果。图8为本专利技术技术方案示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例：三维云场生成技术最终目标是能提供某一空域任意位置的云滴密度，考虑到飞行器机动速度较快的特性，此空域一般范围较大。另一方面，机载气象雷达仿真应用仿真访问此空域的位置仅为雷达波扫描线上的稀疏位置，如图2所示的锥形区域，故仅需提供返回任意位置云滴密度的API接口即可，并不需要计算整个云场所有位置的云滴密度动态变化情况。如图1所示，该网格的三维示意图，为生成大范围云场数据，本专利技术采用卫星云图信息作为初始种子，以元胞自动机迭代的形式生长出三维云场，设元胞自动机计算网格为：V＝{vijk＝(xj,yi,zk)|i∈[1,m],j∈[1,n],k∈[1,l]}为方便问题描述，可设定xj,yi,zk∈[0,1]，其他空间位置情况可通过线性拉伸得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法，用以机载气象雷达的机外环境的模拟，其特征在于，包括以下步骤：1)获取动态卫星云图数据作为仿真三维云场的信息来源；2)根据动态卫星云图数据采用元胞自动机迭代的方法生成仿真三维云场内的云滴分布密度；3)采用双二维网格的局部迭代方法对已经生成的仿真三维云场中涉及测试的空间进行数据更新；4)根据数据更新后的三维云场进行机载气象雷达外部环境的模拟测试。

【技术特征摘要】
1.一种面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法，用以机载气象雷达的机外环境的模拟，其特征在于，包括以下步骤：1)获取动态卫星云图数据作为仿真三维云场的信息来源；2)根据动态卫星云图数据采用元胞自动机迭代的方法生成仿真三维云场内的云滴分布密度，所述的步骤2)具体包括以下步骤：21)在初始零时刻，将动态卫星云图中的像素值Iij作为仿真三维云场的基础层所有格点的云滴密度即：其中，的上标为时刻值，下标为基础层格点的坐标；22)以仿真三维云场的基础层为初始值，采用于马尔科夫链的迭代规则获取仿真三维云场中格点(i,j,k)的云滴密度其中，p(ot|ot-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻停留在原格点位置的概率，p(ht|ht-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生水平迁移的概率，p(vt|vt-1)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生垂直迁移的概率，为t-1时刻格点(i,j,k)的云滴密度，为t时刻格点(i,j,k)在x方向上相邻格点的云滴密度，为格点(i,j,k)在y方向上相邻格点的云滴密度，为在z方向上相邻格点的云滴密度，(i,j,k)为格点的三维坐标；3)采用双二维网格的局部迭代方法对已经生成的仿真三维云场中涉及测试的空间进行数据更新；4)根据数据更新后的三维云场进行机载气象雷达外部环境的模拟测试。2.根据权利要求1所述的一种面向机载气象雷达仿真的三维云场生成方法，其特征在于，所述的步骤22)中的p(ot|ot-1)、p(ht|ht-1)和p(vt|vt-1)服从正态分布：

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，黄燃东，魏建义，刁海南，
申请(专利权)人：航太信息科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31