一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法技术

本发明专利技术公开一种基于C#与Fortran混编技术球形云及降水粒子群散射仿真方法，属于气象检测技术领域。首先搭建气象参数采集可视化平台，通过可视化平台软件界面进行雷达和气象参数输入，然后针对需要计算的球形云及降水粒子群散射雷达气象函数编写Fortran源代码并生成dll文件，再进行混编传递及雷达气象函数中间计算并生成dll结果文件，最后通过C#读取dll结果文件的内容模拟画出雷达回波及其衰减垂直廓线等，输出可视化球形云以及降水粒子群散射仿真结果。具有可模拟画出雷达回波及其衰减垂直廓线等，实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真，为学习和研究球形云及降水粒子群散射时提供直观、准确、迅速的依据等优点。

A Spherical Cloud and Precipitation Particle Swarm Scattering Simulation Method Based on C# and Fortran Mixed Technology

The invention discloses a spherical cloud and precipitation particle swarm scattering simulation method based on C# and Fortran blending technology, which belongs to the technical field of meteorological detection. Firstly, a visualization platform for meteorological parameter acquisition is built. Radar and meteorological parameters are input through the software interface of the visualization platform. Then Fortran source code is compiled and DLL files are generated for spherical cloud and precipitation particle swarm scattering radar meteorological functions that need to be calculated. Then mixed transfer and radar meteorological functions are calculated and DLL result files are generated. Finally, DLL results are read through C#. The content of the document simulates and draws radar echo and its attenuation vertical profile, and outputs visual spherical cloud and precipitation particle swarm scattering simulation results. It can simulate and draw radar echo and its attenuation vertical profile, realize visual spherical cloud and precipitation particle swarm scattering simulation, and provide intuitive, accurate and rapid basis for studying and studying the scattering of spherical cloud and precipitation particle swarm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法
本专利技术涉及一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，属于气象雷达

技术介绍
本专利技术通过运用C#与Fortran混编技术实现球形云以及降水粒子群的散射特性计算的可视化界面。通过在软件界面中输入雷达发射频率,大气状态参数和大气中水成物粒子的相态、分布、含量等特征,能够模拟任意波长机载或者地基雷达的回波及其衰减垂直廓线等。本专利技术具有可视化程度高，数据结果直观等优点，为气象雷达的云降水探测研究提供新的思路，通过结合Fortran的强大运算能力和C#强大而简便的可视化能力方便气象工作者更好地利用雷达数据反演云以及降水的宏微观物理特性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有气象雷达的云降水探测分析缺乏可视化仿真手段、不利于气象观测和研究的不足，提出一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，实现对球形云以及降水粒子群散射的仿真，并为其进行误差订正以及信号处理运算提供依据。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，首先搭建气象参数采集可视化平台，通过可视化平台软件界面进行雷达和气象参数输入，然后针对需要计算的球形云及降水粒子群散射雷达气象函数编写Fortran源代码并生成dll文件，再进行混编传递及雷达气象函数中间计算并生成dll结果文件，最后通过C#读取dll结果文件的内容模拟画出雷达回波及其衰减垂直廓线等，实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真结果输出；具体步骤包括：(1)平台搭建：运用C#WPF编写可视化平台，形成气象参数采集模块，供使用者选择功能和输入所需要的气象参数；(2)参数输入：通过可视化平台软件界面，输入雷达基本参数、大气中水成物基本信息和大气状态参数等需要用于计算的气象参数，如果输入数据不符合要求，则提示重新输入；(3)生成dll文件：在Fortran中设置编译器环境，针对需要计算的球形云及降水粒子群雷达气象函数，编写Fortran源代码并转换为可被调用的子程序，在Fortran中生成dll文件(即将该子程序编译为dll文件)；(4)混编传递：通过混编接口，调用dll文件和雷达气象参数，对需要计算的球形云及降水粒子群气象函数，在Fortran中进行中间计算，生成dll结果文件；(5)结果输出：进一步对C#的环境进行设置，通过C#读取dll结果文件的内容，将其转换成二维列表，并将Fortran代码中输出到控制台的语句在C#WPF中的失效代码删除或者注释掉(以避免出错)；再根据二维列表模拟画出任意波长的机载或者地基雷达的回波及其衰减垂直廓线等，最终实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出。所述雷达基本参数包括雷达发射频率、介电常数、平台位置等；气象参数包括大气中水成物基本信息和大气状态参数，大气中水成物基本信息包括水成物粒子的相态、分布、含量等特征，大气状态参数包括大气压、温度等。所述可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出包括米散射反射率因子理论值廓线、瑞利散射反射率因子理论值廓线、水成物吸收廓线、大气吸收廓线、雷达回波强度廓线、瑞利散射和米散射反射率因子理论值差值廓线、米散射反射率因子理论值与雷达回波强度实际值差值廓线。所述球形云及降水粒子群散射雷达气象函数及其模拟计算包括大气吸收函数、雷达回波强度函数、球形粒子米散射函数、球形粒子瑞利散射函数、大气衰减函数和衰减订正函数，相关函数及其模拟计算方法如下；大气吸收N″(f)为：Nc″＝Nv″+Nd″；Nv″(f)＝(bfp+beθ3)feθ2.5；式中，N″是大气复折射率虚部(以ppm＝10-6为单位)，f是频率，N″(f)是大气气体吸收，N″c是大气连续吸收，SF″是大气谱线吸收，N″v和N″d分别是水汽红外谱段的强吸收谱线的远翼吸收和干空气非共振吸收，α0是宽度，单位为GHz，p是干空气气压(kPa)，e是水汽压(kPa),θ＝300/T,温度T以K为单位，a0＝3.07×10-4，α0＝5.6×10-3(p+1.1e)θ0.8，bf＝1.4×10-6，be＝5.41×10-5，ap≈1.4(1-1.2f1.5×10-5)×10-10，；大气吸收系数kg为：kg(f)＝0.182f2N″(f)；给定雷达探测频率f、大气温度T、大气压力p、以及水汽压e，即可模拟计算出大气吸收N″(f)和大气吸收系数kg(单位为dB/km)；雷达回波功率Pr为：式中，Pt是雷达发射功率,λ是雷达波长，G、θ、h分别是雷达天线增益、水平波束宽度、垂直波束宽度以及脉冲宽度，r是距离，kext是距离r处的衰减系数，N(D)是单位体积内直径在[D，D+dD]范围内的水成物粒子个数，σ(D)是直径为D的粒子雷达截面，根据雷达发射功率Pt,雷达波长λ，雷达的天线增益G、水平波束宽度θ、垂直波束宽度脉冲宽度h，雷达波距离r，雷达波距离r处的衰减系数kext，单位体积内直径在[D，D+dD]范围内的水成物粒子个数N(D)，粒子雷达截面σ(D)，模拟计算出雷达回波；瑞利散射条件下雷达截面为：m是复折射指数；米散射条件下雷达截面为：Qbsca为标准化后向散射截面；瑞利散射雷达反射率因子Z为：式中，D是水成物粒子的直径，N(D)是单位体积内直径在[D，D+dD]范围内的水成物粒子个数，Γ(γ+1)是伽马函数，α和β是两个参数，α的大小没有具体限制；对于纯水云滴，β＝3，其密度为常数；对于混有空气的冰晶或融化冰球粒子，其密度是可以随直径而变化，即β≠3；γ为阶数，D0是特征直径，是平均直径，Ratiogam是云中单位体积内水成物含量与空气的混合比，ρa是空气密度，P是气压，Rd是干空气比气体常数，T是气温；若己知α、β、γ、Ratiogam，即可得到单位体积内直径在[D，D+dD]范围内的水成物粒子个数N(D)；米散射等效雷达反射率因子Ze为：Qbsca＝4σMie(D)/πD2；式中，D是水成物粒子的直径，N(D)是单位体积内直径在[D，D+dD]范围内的水成物粒子个数，Qbsca是标准化后向散射截面，σMie(D)是米散射条件下雷达截面，m是复折射指数；输入参数N(D)、Qbsca、λ即可分别模拟计算雷达反射率因子Z和等效雷达反射率因子Ze；雷达回波订正值Z(r)为：k(r)＝kgas(r)+khyd(r)；kgas＝kg；式中，Zm(r)是距离r处雷达反射率因子真实值(即雷达回波测量值)，τ是透过率，k是衰减系数：kgas是大气衰减系数，khyd是水成物衰减系数，Qext是标准化衰减截面，f是频率，N″(f)是大气气体吸收；雷达衰减订正即是对雷达回波测量值Zm(r)进行订正。所述模拟画出雷达的回波及其衰减垂直廓线、进行可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出，是使用结果文件转化而来的二维列表，绘制曲线的列、曲线颜色和曲线缩放值等各种类型的气象曲线，完成可视化输入输出。所述模拟画出雷达的回波及其衰减垂直廓线、进行可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出时，若绘制多条曲线，添加每条曲线后将其加入缓存区，由缓存区曲线数量决定曲线的颜色，如预设8种颜色，之后的颜色值固定为黑色；所述曲线缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，其特征在于：首先搭建气象参数采集可视化平台，通过可视化平台软件界面进行雷达和气象参数输入，然后针对需要计算的球形云及降水粒子群散射雷达气象函数编写Fortran源代码并生成dll文件，再进行混编传递及雷达气象函数中间计算并生成dll结果文件，最后通过C#读取dll结果文件的内容模拟画出雷达回波及其衰减垂直廓线等，实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真结果输出；具体步骤包括：(1)平台搭建：运用C#WPF编写可视化平台，形成气象参数采集模块，供使用者选择功能和输入所需要的气象参数；(2)参数输入：通过可视化平台软件界面，输入雷达基本参数、大气中水成物基本信息和大气状态参数等需要用于计算的气象参数，如果输入数据不符合要求，则提示重新输入；(3)生成dll文件：在Fortran中设置编译器环境，针对需要计算的球形云及降水粒子群雷达气象函数，编写Fortran源代码并转换为可被调用的子程序，在Fortran中生成dll文件；(4)混编传递：通过混编接口，调用dll文件和雷达气象参数，对需要计算的球形云及降水粒子群气象函数，在Fortran中进行中间计算，生成dll结果文件；(5)结果输出：进一步对C#的环境进行设置，通过C#读取dll结果文件的内容，将其转换成二维列表，并将Fortran代码中输出到控制台的语句在C#WPF中的失效代码删除或者注释掉；再根据二维列表模拟画出任意波长的机载或者地基雷达的回波及其衰减垂直廓线等，最终实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，其特征在于：首先搭建气象参数采集可视化平台，通过可视化平台软件界面进行雷达和气象参数输入，然后针对需要计算的球形云及降水粒子群散射雷达气象函数编写Fortran源代码并生成dll文件，再进行混编传递及雷达气象函数中间计算并生成dll结果文件，最后通过C#读取dll结果文件的内容模拟画出雷达回波及其衰减垂直廓线等，实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真结果输出；具体步骤包括：(1)平台搭建：运用C#WPF编写可视化平台，形成气象参数采集模块，供使用者选择功能和输入所需要的气象参数；(2)参数输入：通过可视化平台软件界面，输入雷达基本参数、大气中水成物基本信息和大气状态参数等需要用于计算的气象参数，如果输入数据不符合要求，则提示重新输入；(3)生成dll文件：在Fortran中设置编译器环境，针对需要计算的球形云及降水粒子群雷达气象函数，编写Fortran源代码并转换为可被调用的子程序，在Fortran中生成dll文件；(4)混编传递：通过混编接口，调用dll文件和雷达气象参数，对需要计算的球形云及降水粒子群气象函数，在Fortran中进行中间计算，生成dll结果文件；(5)结果输出：进一步对C#的环境进行设置，通过C#读取dll结果文件的内容，将其转换成二维列表，并将Fortran代码中输出到控制台的语句在C#WPF中的失效代码删除或者注释掉；再根据二维列表模拟画出任意波长的机载或者地基雷达的回波及其衰减垂直廓线等，最终实现可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出。2.根据权利要求1所述的基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，其特征在于：所述雷达基本参数包括雷达发射频率、介电常数、平台位置等；气象参数包括大气中水成物基本信息和大气状态参数，大气中水成物基本信息包括水成物粒子的相态、分布、含量等特征，大气状态参数包括大气压、温度等。3.根据权利要求1所述的基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，其特征在于：所述可视化球形云以及降水粒子群散射仿真输出包括米散射反射率因子理论值廓线、瑞利散射反射率因子理论值廓线、水成物吸收廓线、大气吸收廓线、雷达回波强度廓线、瑞利散射和米散射反射率因子理论值差值廓线、米散射反射率因子理论值与雷达回波强度实际值差值廓线。4.根据权利要求1或3所述的基于C#与Fortran混编技术的球形云及降水粒子群散射仿真方法，其特征在于：所述球形云及降水粒子群散射雷达气象函数及其模拟计算包括大气吸收函数、雷达回波强度函数、球形粒子米散射函数、球形粒子瑞利散射函数、大气衰减函数和衰减订正函数，相关函数及其模拟计算方法如下；大气吸收N″(f)为：Nc″＝Nv″+Nd″；Nv″(f)＝(bfp+beθ3)feθ2.5；式中，N″是大气复折射率虚部，f是频率，i是指第i条频率谱线,N″(f)是大气气体吸收，N″c是大气连续吸收，SF″是大气谱线吸收，N″v和N″d分别是水汽红外谱段的强吸收谱线的远翼吸收和干空气非共振吸收，α0是宽度，单位为GHz，p是干空气气压(kPa)，e是水汽压(kPa),θ＝300/T,温度T以K为单位，a0＝3.07×10-4，α0＝5.6×10-3(p+1.1e)θ0.8，bf＝1.4×10-6，be＝5.41×10-5，ap≈1.4(1-1.2f1.5×10-5)×10-10；大气吸收系数kg为：kg(f)＝0.182f2N″(f)；根据雷达探测频率f、大气温度T、大气压力p、以及水汽压e，模拟计算出大气吸收N″(f)和大气吸收系数kg；雷达回波功率Pr为：式中，Pt是雷达发射功率,λ是雷达波长，G、θ、h分别是雷达天线增益、水平波束宽度、垂直波束宽度以及脉冲宽度，r是距离，kext是距离r处的衰减系数，N(D)是单位体积内直径在[D，D+dD]范围内的水成物粒子个数，σ(D)是直径为D的粒子雷达截面；根据雷达发射功率Pt,雷达波长λ，雷达的天线增益G、水平波束宽度θ、垂直波束宽度脉冲宽度h，雷达波距离r，雷达波距离r处的衰减...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金虎，古忠，邓威，王雪婧，吕晶晶，严家德，王静，姜海梅，郜海阳，陈浩，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32