應(yīng)用提供大范圍動態(tài)云場數(shù)據(jù)訪問接口。該技術(shù)方案包括"基礎(chǔ)層數(shù) 據(jù)設(shè)定"、"元胞自動機(jī)迭代"和"三維云場數(shù)據(jù)接口 "三個子模塊，每個仿真模塊獨(dú)立運(yùn)行， 并實(shí)時交換數(shù)據(jù)。
[0058] 一、基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)設(shè)定模塊
[0059] 通過讀取動態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)，建立三維云場生成網(wǎng)格并設(shè)定其初始狀態(tài)：
[0060] 在初始狀態(tài)，可將衛(wèi)星云圖像素值、作為云場網(wǎng)格中基礎(chǔ)層，如圖1中Base Layer，& =[幻所有格點(diǎn)的狀態(tài)，從而形成較貼近實(shí)際觀測值的元胞自動機(jī)迭代結(jié)果，
[0062]二、元胞自動機(jī)迭代模塊
[0063] 按照自動迭代規(guī)則，將三維云場網(wǎng)格的每個格點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行更新，從而將原始衛(wèi)星 云圖數(shù)據(jù)擴(kuò)散到三維空間，詳細(xì)迭代規(guī)則為：
[0064] 考慮到云場自身發(fā)展規(guī)律和計算效率等因素，本發(fā)明未采用Dobashi等人的迭代 規(guī)則，而是提出基于馬爾科夫鏈的迭代規(guī)則，將云場密度看成雨滴出現(xiàn)的概率，從而形成關(guān) 于概率的計算公式：
[0065]
[0066] 其中，pWl表示t_l時刻的云滴會在t時刻停留在原格點(diǎn)位置的概率， pQ^lhH)表示t_l時亥IJ的云滴會在t時亥m生水平迀移的概率，pG+H)表示t_l時亥IJ 的云滴會在t時刻發(fā)生垂直迀移的概率，這些概率可有高斯分布函數(shù)定義：
[0070] 工程人員可以通過調(diào)整0 i 0 2 0 3的取值來間接控制最終生成云場的厚度和垂直 剖面形狀。典型的云場計算結(jié)果可參見圖6和圖7。
[0071] 三、云場數(shù)據(jù)接口模塊
[0072] 為機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用提供任意空間位置云場密度分布數(shù)據(jù)訪問接口，其內(nèi)部 計算采用雙二維網(wǎng)格的局部迭代計算，具有高度并行計算特性并占有較少內(nèi)存空間，詳細(xì) 計算過程為：
[0073] 直接在圖1所示的計算網(wǎng)格展開方程（4)涉及三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)的存儲和訪問，在面 向大范圍云場重建問題時，將耗費(fèi)大量內(nèi)存空間（即使一個低精度1900 1300衛(wèi)星圖像所 形成的512層網(wǎng)格也需要多余4Gb的內(nèi)存空間），考慮到機(jī)載氣象雷達(dá)仿真是僅需要隨機(jī)訪 問云場中一個二維平面的云場密度信息，如圖5所示的扇形區(qū)域，在內(nèi)存中維護(hù)一個巨大 三維網(wǎng)格體數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重內(nèi)存空間的浪費(fèi)。本發(fā)明提出一個二維快速并行計算策略，其最 大優(yōu)勢是僅須在內(nèi)存中維護(hù)與衛(wèi)星圖像同樣分辨率的二維網(wǎng)格，即可支持隨機(jī)訪問三維空 間任意位置云場密度的，且無需實(shí)時更新整個元胞自動機(jī)格點(diǎn)狀態(tài)。
[0074] 與數(shù)值天氣仿真、飛行模擬等應(yīng)用不同，機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用不需要隨時讀取 整個三維空間的云場數(shù)據(jù)，僅需計算機(jī)載氣象雷達(dá)掃描線上的云場數(shù)據(jù)即可，如圖2所示， 同時，一般搭載機(jī)載氣象雷達(dá)的民航客機(jī)的巡航速度較高、飛行范圍較大，仿真多架飛機(jī) 在同一空域內(nèi)飛行的情況頻率較多，需要三維云場覆蓋較大范圍（一般為l〇〇〇km 1000km 1000km以上），在普通PC機(jī)內(nèi)維護(hù)如此大規(guī)模的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)存在計算速度、內(nèi)存空間等 諸多困難，很難達(dá)到實(shí)時動態(tài)仿真的水平。
[0075] 實(shí)際上，每個格點(diǎn)迭代t步時方程（4)僅涉及僅用到t+1內(nèi)的鄰近格點(diǎn)信息，完全 可以針對每個格點(diǎn)進(jìn)行局部計算，從而通過并行計算大幅提高計算速度。另一方面，如圖3 所示，方程（4)本質(zhì)上是在兩個正交的2D網(wǎng)格（x方向和y方向）上進(jìn)行，可通過近似計算 將3D網(wǎng)格迭代降低到2D網(wǎng)格迭代計算，從而大幅降低對內(nèi)存空間的需求。
[0076] 考慮到機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用需求對大范圍云場少量2D網(wǎng)格的隨機(jī)訪問（與當(dāng) 前飛機(jī)姿態(tài)和雷達(dá)掃描線偏角決定），云場重建過程無需在整個三維云場中進(jìn)行，而是僅針 對被訪問位置附近的格點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)更新。這樣做雖然造成一定程度相鄰格點(diǎn)冗余計算，但 相對于整個三維云場的更新計算量而言，整體計算量是大幅下降的。
[0077] 設(shè)在z-x平面迭代的格點(diǎn)為&，在z- y平面迭代的格點(diǎn)為，迭代規(guī)則為：
[0080]則最終Vijk格點(diǎn)的狀態(tài)為：
[0082] 方程（5)~（7)與方程（4)相比，對每個格點(diǎn)的計算量有所增加，但優(yōu)勢是僅在兩 個特定的二維網(wǎng)格上進(jìn)行計算，且無需其他三維網(wǎng)格的信息，對內(nèi)存空間的需求大幅減少。 基于方程（5)~（7)的迭代規(guī)則，本文提出的大范圍三維云場生成技術(shù)在實(shí)際計算時僅保 存一張2D衛(wèi)星云圖的圖像數(shù)據(jù)，并提供一個函數(shù)接口以供機(jī)載氣象雷達(dá)仿真應(yīng)用訪問三 維云場任意位置的云滴密度。
[0083] 方程（5)~（7)與方程（4)相比，對每個格點(diǎn)的計算量有所增加，但優(yōu)勢是僅在兩 個特定的二維網(wǎng)格上進(jìn)行計算，且無需其他三維網(wǎng)格的信息，對內(nèi)存空間的需求大幅減少。 基于方程（5)~（7)的迭代規(guī)則，本文提出的大范圍三維云場生成技術(shù)在實(shí)際計算時僅保 存一張2D衛(wèi)星云圖的圖像數(shù)據(jù)，并提供一個函數(shù)接口 Cld(x，y，z)以供機(jī)載氣象雷達(dá)仿真 應(yīng)用訪問三維云場任意位置的云滴密度。
[0084] 函數(shù)接口 Cld(x, y, z)的計算過程如表1所示：
[0085] 表1函數(shù)接口 Cld(x, y, z)的計算過程
[0086]
[0087]
[0088] 如圖4a、4b和圖5所示，函數(shù)Cld(x, y, z)僅需一張2D衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，其計算過程 完全獨(dú)立于其他位置的云場計算，可在多核CPU上或眾核GPU上實(shí)現(xiàn)完全并行計算，從而大 幅提尚計算效率，占有最少內(nèi)存空間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的=維云場生成方法，用w機(jī)載氣象雷達(dá)的機(jī)外環(huán)境的 模擬，其特征在于，包括W下步驟： 1) 獲取動態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)作為仿真S維云場的信息來源； 2) 根據(jù)動態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)采用元胞自動機(jī)迭代的方法生成仿真=維云場內(nèi)的云滴分 布密度； 3) 采用雙二維網(wǎng)格的局部迭代方法對已經(jīng)生成的仿真S維云場中設(shè)及測試的空間進(jìn) 行數(shù)據(jù)更新； 4) 根據(jù)數(shù)據(jù)更新后的=維云場進(jìn)行機(jī)載氣象雷達(dá)外部環(huán)境的模擬測試。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的=維云場生成方法，其特征在 于，所述的步驟2)具體包括W下步驟： 21) 在初始零時刻，將動態(tài)衛(wèi)星云圖中的像素值lu作為仿真S維云場的基礎(chǔ)層所有格 點(diǎn)的云滴密度口(哨i])'即：其中，的上標(biāo)為時刻值，下標(biāo)為基礎(chǔ)層格點(diǎn)的坐標(biāo)； 22. W仿真=維云場的基礎(chǔ)層為初始值，采用于馬爾科夫鏈的迭代規(guī)則獲取仿真=維 云場中格點(diǎn)（i，j，k)的云滴密度 戶(如=I〇'-V(難)+ M知I 抽W) +如知I A'-V的片) + Mv' I v'-i叫） 其中，p(〇t|〇t-i)為t-1時刻的云滴會在t時刻停留在原格點(diǎn)位置的概率，p(ht|ht-i)為t-1時刻的云滴會在t時刻發(fā)生水平遷移的概率，P(ytIv^)為t-1時刻的云滴會在t時刻 發(fā)生垂直遷移的概率，戶0奮1)為t-1時刻格點(diǎn)（i，j，k)的云滴密度，為t時刻格點(diǎn) (i，j，k)在X方向上相鄰格點(diǎn)的云滴密度為格點(diǎn)Q，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S維坐標(biāo)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的=維云場生成方法，其特征在 于，所述的步驟22)中的p(〇t|〇t-i)、p(ht|ht-i)和p(vt|vt-i)服從正態(tài)分布；其中，0 1、0 2、0 3為仿真S維云場厚度和垂直剖面形狀控制參數(shù)，Z為飛行高度值，Z。 為人為設(shè)定的云場垂直位置基準(zhǔn)高度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的=維云場生成方法，其特征在 于，所述的步驟3)具體包括W下步驟： 31) 獲取機(jī)載氣象雷達(dá)的掃描位置； 32) 通過雙二維網(wǎng)格的局部迭代方法對被掃描位置的附近格點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)更新，最終格 點(diǎn)vuk的狀態(tài)八>；/;^)為：其中，戶(喘）為在t時刻Z-X平面迭代的格點(diǎn)，謀）為在t時刻z-y平面迭代的格點(diǎn)，p(〇t|〇t-1)為t-1時亥IJ的云滴會在t時亥IJ停留在原格點(diǎn)位置的概率，P化t|ht-1)為t-1時亥U 的云滴會在t時刻發(fā)生水平遷移的概率，P(ytIv^)為t-1時刻的云滴會在t時刻發(fā)生垂直 遷移的概率，如語1)為在t-1時刻格點(diǎn)Vuk的狀態(tài)，知吃±1^)為在t時刻格點(diǎn)的狀態(tài)， 林^;|'±1|)為在t時亥IJ格點(diǎn)Vu(kH)的狀態(tài)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的=維云場生成方法，其特征在 于，所述的步驟4)具體包括W下步驟： 由多核CPU根據(jù)數(shù)據(jù)更新后的=維云場生成一個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)境模擬測試中獲取=維云場任意位置的云滴密 度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)仿真的三維云場生成方法，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：1)獲取動態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)作為仿真三維云場的信息來源；2)根據(jù)動態(tài)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)采用元胞自動機(jī)迭代的方法生成仿真三維云場內(nèi)的云滴分布密度；3)采用雙二維網(wǎng)格的局部迭代方法對已經(jīng)生成的仿真三維云場中涉及測試的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；4)根據(jù)數(shù)據(jù)更新后的三維云場及狀態(tài)查詢接口進(jìn)行機(jī)載氣象雷達(dá)外部環(huán)境的模擬測試。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有占用內(nèi)存少、計算數(shù)據(jù)少、精度高、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01S7/40, G01S13/95
【公開號】CN104931970
【申請?zhí)枴緾N201510333350
【發(fā)明人】張軍, 黃燃東, 魏建義, 刁海南
【申請人】航太信息科技（上海）有限公司
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年6月16日