一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的三維云場(chǎng)生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣象探測(cè)和計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真 的三維云場(chǎng)生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)載氣象雷達(dá)（Airborne Weather Radar)可以探測(cè)飛機(jī)前方航道的天氣狀況，包 括雷雨、冰雹、風(fēng)暴、湍流、云霧和微暴等，幫助飛行員正確評(píng)估氣象態(tài)勢(shì)，對(duì)飛行安全與飛 行品質(zhì)都有重要的保障作用，已經(jīng)成為大型民用飛機(jī)不可或缺的重要部件。傳統(tǒng)機(jī)載氣象 雷達(dá)研發(fā)過(guò)程在地面只能進(jìn)行物理樣機(jī)通電檢查和靜態(tài)測(cè)試，綜合性能測(cè)試要通過(guò)試飛來(lái) 完成。然而，飛行試驗(yàn)中實(shí)飛環(huán)境選擇、試飛測(cè)試、與其他航電子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)交聯(lián)等行為成本 高、難度大，穿越極端天氣空域的實(shí)驗(yàn)更是危險(xiǎn)重重。現(xiàn)代機(jī)載氣象雷達(dá)研發(fā)過(guò)程傾向于通 過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)仿真機(jī)外飛行環(huán)境，可在開(kāi)發(fā)機(jī)載氣象雷達(dá)原理樣機(jī)、工程樣機(jī)乃至型 號(hào)產(chǎn)品時(shí)對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行功能和性能測(cè)試與驗(yàn)證，并對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)原理樣機(jī)模型算法 設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研制進(jìn)行改進(jìn)，大大縮短產(chǎn)品研制周期和開(kāi)發(fā)節(jié)省成本。
[0003] 面向機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用的機(jī)外環(huán)境模擬軟件必須提供大范圍的云場(chǎng)密度分 布數(shù)據(jù)，并支持多架次飛機(jī)在同一空域中的云滴密度數(shù)據(jù)隨機(jī)訪問(wèn)。由此，一個(gè)高性能云場(chǎng) 數(shù)據(jù)生成技術(shù)就顯得至關(guān)重要?，F(xiàn)有三維云場(chǎng)仿真技術(shù)主要分類成兩類：1.利用流體動(dòng)力 學(xué)和云滴微物理學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬的偏向數(shù)值氣象條件仿真技術(shù)；2.利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù) 生成視覺(jué)相似的三維云場(chǎng)可視化圖像。第一類技術(shù)生成的云場(chǎng)真實(shí)度較高，可以生成一定 范圍內(nèi)三維云場(chǎng)體數(shù)據(jù)。但求解流體動(dòng)力學(xué)和微物理方程是一個(gè)復(fù)雜耗時(shí)的過(guò)程，計(jì)算時(shí) 間隨著計(jì)算網(wǎng)格的增加而快速增長(zhǎng)，很難在普通PC上實(shí)現(xiàn)大范圍云場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出。 第二類技術(shù)可在普通PC上實(shí)現(xiàn)云場(chǎng)的實(shí)時(shí)渲染，但其技術(shù)著眼點(diǎn)是面向視覺(jué)顯示而不是 物理真實(shí)性，一般不能產(chǎn)生大范圍三維云場(chǎng)體數(shù)據(jù)。
[0004] 本文借鑒計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中采用元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automaton，CA)生成云場(chǎng) 的思路，提出利用衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)作為元胞自動(dòng)機(jī)的其實(shí)狀態(tài)，提高生成云場(chǎng)與真實(shí)測(cè)量數(shù) 據(jù)的貼近度。進(jìn)一步，本文提出一種利用雙二維網(wǎng)格迭代近似三維網(wǎng)格迭代的算法，大幅降 低傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)在大范圍三維空間計(jì)算時(shí)對(duì)內(nèi)存空間的需求。針對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng) 用的實(shí)際需求，本文提出的三維云場(chǎng)生成技術(shù)提供一個(gè)返回任意空間位置云滴密度的函數(shù) 接口，該函數(shù)計(jì)算過(guò)程僅需一張衛(wèi)星圖像且完全獨(dú)立于其他位置的計(jì)算，可在多核CPU上 實(shí)現(xiàn)高度并行的快速計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種占用內(nèi)存少、計(jì) 算數(shù)據(jù)少、精度高、應(yīng)用靈活的基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的三維云場(chǎng)生成方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的三維云場(chǎng)生成方法，用以機(jī)載氣象雷達(dá)的機(jī)外環(huán)境 的模擬，包括以下步驟：
[0008] 1)獲取動(dòng)態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)作為仿真三維云場(chǎng)的信息來(lái)源；
[0009] 2)根據(jù)動(dòng)態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)采用元胞自動(dòng)機(jī)迭代的方法生成仿真三維云場(chǎng)內(nèi)的云 滴分布密度；
[0010] 3)采用雙二維網(wǎng)格的局部迭代方法對(duì)已經(jīng)生成的仿真三維云場(chǎng)中涉及測(cè)試的空 間進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；
[0011] 4)根據(jù)數(shù)據(jù)更新后的三維云場(chǎng)進(jìn)行機(jī)載氣象雷達(dá)外部環(huán)境的模擬測(cè)試。
[0012] 所述的步驟2)具體包括以下步驟：
[0013] 21)在初始零時(shí)刻，將動(dòng)態(tài)衛(wèi)星云圖中的像素值、作為仿真三維云場(chǎng)的基礎(chǔ)層所 有格點(diǎn)的云滴密度4<「#，即：
[0015] 其中，的上標(biāo)為時(shí)刻值，下標(biāo)為基礎(chǔ)層格點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0016] 22)以仿真三維云場(chǎng)的基礎(chǔ)層為初始值，采用于馬爾科夫鏈的迭代規(guī)則獲取仿真 三維云場(chǎng)中格點(diǎn)（i，j，k)的云滴密度P(4):
[0017]
[0018] 其中，pW'為t_l時(shí)刻的云滴會(huì)在t時(shí)刻停留在原格點(diǎn)位置的概率， P(ht|hH)為t-1時(shí)刻的云滴會(huì)在t時(shí)刻發(fā)生水平迀移的概率，P( Vt| VH)為t-1時(shí)刻的云 滴會(huì)在t時(shí)刻發(fā)生垂直迀移的概率，Mvp)為t-1時(shí)刻格點(diǎn)（i，j，k)的云滴密度，狀） 為t時(shí)刻格點(diǎn)（i，j，k)在x方向上相鄰格點(diǎn)的云滴密度，為格點(diǎn)（i，j，k)在y方 向上相鄰格點(diǎn)的云滴密度，為在z方向上相鄰格點(diǎn)的云滴密度，（i，j，k)為格點(diǎn)的 三維坐標(biāo)。
[0019] 所述的步驟22)中的口(〇1|〇 1_1)4況|1^1)和口^|，1)服從正態(tài)分布 ：
[0023] 其中，〇 〇 2、〇 3為仿真三維云場(chǎng)厚度和垂直剖面形狀控制參數(shù)，z為飛行高度 值，Zo為人為設(shè)定的云場(chǎng)垂直位置基準(zhǔn)高度。
[0024] 所述的步驟3)具體包括以下步驟：
[0025]31)獲取機(jī)載氣象雷達(dá)的掃描位置；
[0026] 32)通過(guò)雙二維網(wǎng)格的局部迭代方法對(duì)被掃描位置的附近格點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)更新，最 終格點(diǎn)vijk的狀態(tài)/?(<)為：
[0031] 其中，)為在t時(shí)刻Z-X平面迭代的格點(diǎn)，/?(<)為在t時(shí)刻 Z-y平面迭代的 格點(diǎn)，P (〇t I 〇H)為t-1時(shí)刻的云滴會(huì)在t時(shí)刻停留在原格點(diǎn)位置的概率，p (ht I hW)為t-1 時(shí)刻的云滴會(huì)在t時(shí)刻發(fā)生水平迀移的概率，p (Vt I VH)為t-1時(shí)刻的云滴會(huì)在t時(shí)刻發(fā)生 垂直迀移的概率，A41)為在t-1時(shí)刻格點(diǎn)v ijk的狀態(tài)，為在t時(shí)刻格點(diǎn)％±1&的 狀態(tài)為在t時(shí)刻格點(diǎn)Vijat±1^狀態(tài)。
[0032] 所述的步驟4)具體包括以下步驟：
[0033] 由多核CPU根據(jù)數(shù)據(jù)更新后的三維云場(chǎng)生成一個(gè)返回任意空間位置云滴密度的 函數(shù)接口 Cld (x，y，z)，供機(jī)載氣象雷達(dá)外部環(huán)境模擬測(cè)試中獲取三維云場(chǎng)任意位置的云滴 密度。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0035] -、占用內(nèi)存少：狀態(tài)查詢接口函數(shù)和三維云場(chǎng)計(jì)算在多核CPU上或眾核GPU上實(shí) 現(xiàn)完全并行計(jì)算，從而大幅提高計(jì)算效率，減少占有的內(nèi)存空間，使普通PC平臺(tái)都能實(shí)現(xiàn) 大范圍三維云場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真，具有較高實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
[0036] 二、計(jì)算數(shù)據(jù)少、精度高：本發(fā)明在面向機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用時(shí)，無(wú)需實(shí)際計(jì)算 整個(gè)三維云場(chǎng)數(shù)據(jù)，僅需輸出雷達(dá)波掃描位置的云場(chǎng)密度即可，并且通過(guò)雙二維網(wǎng)格的局 部迭代方法進(jìn)行三維云場(chǎng)的更新，大大減少了需要計(jì)算的數(shù)據(jù)總量，提高了仿真精度。
[0037] 三、應(yīng)用靈活：本發(fā)明對(duì)大范圍云場(chǎng)生成任務(wù)，可使用二維網(wǎng)格近似計(jì)算空間單獨(dú) 格點(diǎn)位置的云場(chǎng)密度，輸出稀疏云場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)小范圍云場(chǎng)仿真、可視化等任務(wù)，可使用三維 網(wǎng)格離線生成某個(gè)小區(qū)域的體數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1為元胞自動(dòng)機(jī)計(jì)算網(wǎng)格示意圖。
[0039] 圖2為機(jī)載氣象雷達(dá)仿真計(jì)算過(guò)程示意圖。
[0040] 圖3為兩個(gè)正交的2D網(wǎng)格。
[0041] 圖4為本發(fā)明輸出的大范圍云場(chǎng)不意圖，其中圖（4a)為大范圍云場(chǎng)不意圖，圖 (4b)為圖（4a)中A部的放大圖。
[0042] 圖5為三維云場(chǎng)中雷達(dá)掃描線位置關(guān)系及其仿真掃描結(jié)果示意圖。
[0043] 圖6為大范圍稀疏格點(diǎn)云場(chǎng)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果。
[0044] 圖7為小范圍云場(chǎng)體數(shù)據(jù)輸出結(jié)果。
[0045] 圖8為本發(fā)明技術(shù)方案示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0047] 實(shí)施例：
[0048] 三維云場(chǎng)生成技術(shù)最終目標(biāo)是能提供某一空域任意位置的云滴密度，考慮到飛行 器機(jī)動(dòng)速度較快的特性，此空域一般范圍較大。另一方面，機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用仿真訪問(wèn) 此空域的位置僅為雷達(dá)波掃描線上的稀疏位置，如圖2所示的錐形區(qū)域，故僅需提供返回 任意位置云滴密度的API接口即可，并不需要計(jì)算整個(gè)云場(chǎng)所有位置的云滴密度動(dòng)態(tài)變化 情況。
[0049]如圖1所示，該網(wǎng)格的三維示意圖，為生成大范圍云場(chǎng)數(shù)據(jù)，本發(fā)明采用衛(wèi)星云 圖信息作為初始種子，以元胞自動(dòng)機(jī)迭代的形式生長(zhǎng)出三維云場(chǎng)，設(shè)元胞自動(dòng)機(jī)計(jì)算網(wǎng)格 為：
[0050]V = {viJk= (xj,zk) | i G [1, m],j G [1, n],k G [1,1]}
[0051] 為方便問(wèn)題描述，可設(shè)定Xj，yi，z ke [0, 1]，其他空間位置情況可通過(guò)線性拉伸得 到所需要的云場(chǎng)覆蓋區(qū)域。三維云場(chǎng)的生成任務(wù)即可通過(guò)某種計(jì)算方式，得到計(jì)算網(wǎng)格中 任意位置的云滴密度：
[0052] P (viJk) = f (xj, zk) (1)
[0053] 元胞自動(dòng)機(jī)計(jì)算過(guò)程是一個(gè)迭代過(guò)程，即空間中每個(gè)格點(diǎn)vijk在t時(shí)刻的屬性由 其周邊鄰近點(diǎn)在t_l時(shí)刻的狀態(tài)共同決定：
[0055] 其中CA為元胞自動(dòng)機(jī)迭代規(guī)則；
[0056] 由此，如圖3所示，本發(fā)明技術(shù)方案以三維空間上元胞自動(dòng)機(jī)迭代為理論基礎(chǔ)，實(shí) 際程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)采用雙二維計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)空間位置的云滴密度實(shí)施完全獨(dú)立的計(jì)算過(guò) 程。
[0057] 為達(dá)到動(dòng)態(tài)仿真機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)工作過(guò)程，需要為其仿真環(huán)境提供大范圍三維 云場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，以便可隨時(shí)根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前位置和雷達(dá)掃描線方向計(jì)算雷達(dá)信號(hào)回波強(qiáng)度。 本發(fā)明提出的三維云場(chǎng)生成技術(shù)方案實(shí)施方式如圖8所示，通過(guò)讀取動(dòng)態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)， 為機(jī)載氣象雷達(dá)仿真