气象云的雷达成像仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种气象云的雷达成像仿真方法，属于气象探测和计算机仿真领域。该雷达成像仿真方法包括以下步骤：在气象模拟场景中设置多个云团且每一个云团均包括用于表示云团总云区范围的第一多面体和用于表示云团中子云区的至少一个第二多面体；雷达扫描工作范围内所有云团并对所有云团进行初步过滤以获得被雷达的波束照射的所有的多面体并标记多面体；对雷达的波束在某个时刻t时所处的方位角和俯仰角下的波束宽度进行水平方向和垂直方向采样以获得雷达波束的水平子波束和垂直子波束；判断水平子波束和垂直子波束是否被标记的多面体填充以获得不同距离段的降雨强度；根据所述不同距离的降雨强度计算雷达的回波能量。能量。能量。

【技术实现步骤摘要】
气象云的雷达成像仿真方法


[0001]本专利技术涉及气象探测和计算机仿真领域，特别涉及气象云的雷达成像仿真方法。

技术介绍

[0002]随着仿真技术的发展和广泛应用，飞行模拟训练设备在军事训练中的地位和作用日益突显。模拟训练任务不断深入和细化，对仿真系统的逼真性和实时性要求越来越高，以提高模拟训练的效果。雷达是军事中重要的目标探测设备，在气象模式下是对强对流天气(冰雹、大风、龙卷和暴洪)进行监测和预警的主要工具之一，在目标探测过程中会受到云雨的影响，对气象目标的雷达成像仿真直接影响机载设备仿真的真实性和训练设备的功能性。
[0003]雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁波脉冲遇到降水物质，例如雨滴、雪花和冰雹等时，部分能量会继续前进，而一部分能量将被降水物质散射和吸收，其中向后散射的能量会回到雷达天线，被雷达所接收，雷达接收的电磁波能量，需要考虑电磁波传输路径上降水物质散射和吸收照成的双程衰减。目前，基于物理过程的雷达图像仿真可以获得更好的成像效果，但需要根据降水物质粒子谱分布计算雷达波束内不同直径粒子的回波能量并进行叠加，计算量大，而且需要建立复杂的物理模型并进行推演，仿真复杂度高；基于统计特征的仿真方法，忽略了雷达波束充塞度对云的雷达成像仿真的影响，降低了成像的逼真度。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本专利技术提供了一种气象云的雷达成像仿真方法。所述技术方案如下：
[0005]本专利技术的一个目的是提供了一种气象云的雷达成像仿真方法。<br/>[0006]根据本专利技术的一个方面，提供了一种气象云的雷达成像仿真方法，所述雷达成像仿真方法包括以下步骤：
[0007]步骤S1在气象模拟场景中设置多个云团且每一个云团均包括用于表示云团的总云区范围的第一多面体和用于表示云团中的子云区的至少一个第二多面体，所述至少一个第二多面体中的所有第二多面体均嵌套在所述第一多面体中；
[0008]步骤S2雷达扫描工作范围内的所有云团，并对所述所有云团进行初步过滤以获得被所述雷达的波束照射的所有的多面体并标记所述多面体；
[0009]步骤S3对所述雷达的波束在某个时刻t时所处的方位角和俯仰角下的波束宽度进行水平方向和垂直方向采样以获得所述雷达波束的水平子波束和垂直子波束；
[0010]步骤S4判断所述水平子波束和垂直子波束是否被标记的多面体填充，以获得不同距离段的降雨强度；
[0011]步骤S5根据所述不同距离的降雨强度计算雷达的回波能量。
[0012]具体地，在步骤S2中，所述初步过滤包括以下步骤：
[0013]步骤S21将雷达扫描获得的工作范围内的第一多面体的中心位置、至少一个第二
多面体中的所有第二多面体的中心位置、第一多面体的高度、所述所有第二多面体的高度以及第一多面体和至少一个第二多面体中的所有第二多面体的顶点位置从地理坐标系转化为雷达直角坐标系下的数据；
[0014]步骤S22在雷达直角坐标系下，根据第一多面体的中心位置和第一多面体和至少一个第二多面体中的所有第二多面体的顶点位置以所述中心位置为圆心作最小包围圆；
[0015]步骤S23根据雷达的波束宽度，判断最小包围圆是否在雷达的波束范围内以获得可能被雷达的波束照射的云团；
[0016]其中，同一云团中的第一多面体和所有第二多面体的顶点均落入最小包围圆中。
[0017]优选地，在步骤S23中，根据雷达的波束宽度，判断最小包围圆是否在雷达的波束范围内包括以下步骤：
[0018]步骤S231将最小包围圆投影到以雷达位置为原点O的三维的雷达直角坐标系的ZOX平面中，从原点向最小包围圆作两条切线，令两条切线与雷达直角坐标系的Z轴的夹角分别为η1和η2，且η1&lt;η2；
[0019]步骤S232将雷达的水平波束投影到雷达直角坐标系的ZOX平面中，令雷达的水平波束的两侧与雷达直角坐标系的Z轴的夹角分别为a1和a2，且a1&lt;a2；
[0020]步骤S233判断夹角η1和η2分别与夹角a1和a2之间的关系，当η1≤a1&lt;η2或η1&lt;a2≤η2时，则确定所述最小包围圆中的云团可能被雷达的水平波束照射；
[0021]步骤S234重复步骤S131至步骤S133的步骤，依次判断雷达工作范围内的所有云团，以获得所有云团中可能被雷达的水平波束照射的云团。
[0022]进一步地，在步骤S231中，通过最小包围圆以获得最小包围圆半径r
′
、原点至最小包围圆圆心之间的距离r以及原点至最小包围圆圆心的连线与所述ZOX平面中Z轴之间的夹角η3，夹角η1和η2的表达式为：
[0023]η1＝η3‑
sin
‑1(r
′
/r)
[0024]η2＝η3+sin
‑1(r
′
/r)。
[0025]优选地，在步骤S234中获得所有云团中可能被雷达的水平波束照射的云团后，还包括以下步骤：
[0026]步骤S235将可能被雷达的水平波束照射的云团中的第一多面体和所述所有的第二多面体均投影到雷达直角坐标系中的ZOX平面上以获得每一个多面体对应的多边形；
[0027]步骤S236对每一个多面体对应的多边形以该多边形的中心位置为圆心作最小包围圆，之后从原点向每一个多边形的最小包围圆作两条切线，令两条切线与雷达直角坐标系的Z轴的夹角分别为η
′1和η
′2，且η
′1&lt;η
′2；
[0028]步骤S237判断夹角η
′1和η
′2分别与夹角a1和a2之间的关系，当η
′1≤a1&lt;η
′2或η
′1&lt;a2≤η
′2时，则确定所述最小包围圆中的多面体被雷达的水平波束照射；
[0029]步骤S238重复步骤S136至步骤S137的步骤，依次判断可能被雷达照射的云团中的多面体，以获得被雷达的水平波束照射的所有的多面体并标记所述被雷达的水平波束照射的所有的多面体。
[0030]进一步地，在步骤S3中，对所述雷达的波束在某个时刻t时所处的方位角和俯仰角下的波束宽度进行水平方向和垂直方向采样包括以下步骤：
[0031]步骤S31以雷达为原点，将水平波束宽度为θ的雷达波束以间隔Δθ的角度进行水
平方向采样，以获得第i个采样点的方位角θ
i
下的水平子波束，所述第i个采样点的方位角θ
i
的表达式为：
[0032]θ
i
＝α1+i*Δθ
‑
Δθ/2，其中，i＝1，2，...，M
[0033]其中，M表示以间隔Δθ的角度对水平波束宽度为θ的雷达波束进行水平方向采样时，将所述雷达波束平均分成了M份水平子波束，θ
i
表示第i份水平子波束的角平分线与雷达直角坐标系中Z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气象云的雷达成像仿真方法，所述雷达成像仿真方法包括以下步骤：步骤S1在气象模拟场景中设置多个云团且每一个云团均包括用于表示云团的总云区范围的第一多面体和用于表示云团中的子云区的至少一个第二多面体，所述至少一个第二多面体中的所有第二多面体均嵌套在所述第一多面体中；步骤S2雷达扫描工作范围内的所有云团，并对所述所有云团进行初步过滤以获得被所述雷达的波束照射的所有的多面体并标记所述多面体；步骤S3对所述雷达的波束在某个时刻t时所处的方位角和俯仰角下的波束宽度进行水平方向和垂直方向采样以获得所述雷达波束的水平子波束和垂直子波束；步骤S4判断所述水平子波束和垂直子波束是否被标记的多面体填充，以获得不同距离段的降雨强度；步骤S5根据所述不同距离的降雨强度计算雷达的回波能量。2.根据权利要求1所述的气象云的雷达成像仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，所述初步过滤包括以下步骤：步骤S21将雷达扫描获得的工作范围内的第一多面体的中心位置、至少一个第二多面体中的所有第二多面体的中心位置、第一多面体的高度、所述所有第二多面体的高度以及第一多面体和至少一个第二多面体中的所有第二多面体的顶点位置从地理坐标系转化为雷达直角坐标系下的数据；步骤S22在雷达直角坐标系下，根据第一多面体的中心位置和第一多面体和至少一个第二多面体中的所有第二多面体的顶点位置以所述中心位置为圆心作最小包围圆；步骤S23根据雷达的波束宽度，判断最小包围圆是否在雷达的波束范围内以获得可能被雷达的波束照射的云团；其中，同一云团中的第一多面体和所有第二多面体的顶点均落入最小包围圆中。3.根据权利要求2所述的气象云的雷达成像仿真方法，其特征在于，在步骤S23中，根据雷达的波束宽度，判断最小包围圆是否在雷达的波束范围内包括以下步骤：步骤S231将最小包围圆投影到以雷达位置为原点O的三维的雷达直角坐标系的ZOX平面中，从原点向最小包围圆作两条切线，令两条切线与雷达直角坐标系的Z轴的夹角分别为η1和η2，且η1＜η2；步骤S232将雷达的水平波束投影到雷达直角坐标系的ZOX平面中，令雷达的水平波束的两侧与雷达直角坐标系的Z轴的夹角分别为a1和a2，且a1＜a2；步骤S233判断夹角η1和η2分别与夹角a1和a2之间的关系，当η1≤a1＜η2或η1＜a2≤η2时，则确定所述最小包围圆中的云团可能被雷达的水平波束照射；步骤S234重复步骤S131至步骤S133的步骤，依次判断雷达工作范围内的所有云团，以获得所有云团中可能被雷达的水平波束照射的云团。4.根据权利要求3所述的气象云的雷达成像仿真方法，其特征在于，在步骤S231中，通过最小包围圆以获得最小包围圆半径r
′
、原点至最小包围圆圆心之间的距离r以及原点至最小包围圆圆心的连线与所述ZOX平面中Z轴之间的夹角η3，夹角η1和η2的表达式为：η1＝η3‑
sin
‑1(r
′
/r)
η2＝η3+sin
‑1(r
′
/r)。5.根据权利要求3所述的气象云的雷达成像仿真方法，其特征在于，在步骤S234中获得所有云团中可能被雷达的水平波束照射的云团后，还包括以下步骤：步骤S235将可能被雷达的水平波束照射的云团中的第一多面体和所述所有的第二多面体均投影到雷达直角坐标系中的ZOX平面上以获得每一个多面体对应的多边形；步骤S236对每一个多面体对应的多边形以该多边形的中心位置为圆心作最小包围圆，之后从原点向每一个多边形的最小包围圆作两条切线，令两条切线与雷达直角坐标系的Z轴的夹角分别为η
′1和η
′2，且η
′1＜η
′2；步骤S237判断夹角η
′1和η
′2分别与夹角a1和a2之间的关系，当η
′1≤a1＜η
′2或η
′1＜a2≤η
′2时，则确定所述最小包围圆中的多面体被雷达的水平波束照射；步骤S238重复步骤S136至步骤S137的步骤，依次判断可能被雷达照射的云团中的多面体，以获得被雷达的水平波束照射的所有的多面体并标记所述被雷达的水平波束照射的所有的多面体。6.根据权利要求5所述的气象云的雷达成像仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，对所述雷达的波束在某个时刻t时所处的方位角和俯仰角下的波束宽度进行水平方向和垂直方向采样包括以下步骤：步骤S31以雷达为原点，将水平波束宽度为θ的雷达波束以间隔Δθ的角度进行水平方向采样，以获得第i个采样点的方位角θ
i
下的水平子波束，所述第i个采样点的方位角θ
i
的表达式为：θ
i
＝α1+i*Δθ
‑
Δθ/2，其中，i＝1，2，...，M其中，M...

【专利技术属性】
技术研发人员：余应福，徐涛，方伟，刘凯，方君，王萌，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学航空作战勤务学院，
类型：发明
国别省市：