一种基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气象探测和计算机仿真领域，尤其是涉及一种基于机载气象雷达仿真 的三维云场生成方法。
【背景技术】
[0002] 机载气象雷达（Airborne Weather Radar)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。
[0003] 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。
[0004] 本文借鉴计算机图形技术中采用元胞自动机（Cellular Automaton，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。
【发明内容】
[0005] 本发明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、应用灵活的基于机载气象雷达仿真的三维云场生成方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -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：
[0008] 1)获取动态卫星云图数据作为仿真三维云场的信息来源；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 所述的步骤2)具体包括以下步骤：
[0013] 21)在初始零时刻，将动态卫星云图中的像素值、作为仿真三维云场的基础层所 有格点的云滴密度4<「#，即：
[0015] 其中，的上标为时刻值，下标为基础层格点的坐标；
[0016] 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P(4):
[0017]
[0018] 其中，pW'为t_l时刻的云滴会在t时刻停留在原格点位置的概率， P(ht|hH)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生水平迀移的概率，P( Vt| VH)为t-1时刻的云 滴会在t时刻发生垂直迀移的概率，Mvp)为t-1时刻格点（i，j，k)的云滴密度，狀） 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。
[0019] 所述的步骤22)中的口(〇1|〇 1_1)4况|1^1)和口^|，1)服从正态分布 ：
[0023] 其中，〇 〇 2、〇 3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，Zo为人为设定的云场垂直位置基准高度。
[0024] 所述的步骤3)具体包括以下步骤：
[0025]31)获取机载气象雷达的扫描位置；
[0026] 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：
[0031] 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 (〇t I 〇H)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 I hW)为t-1 时刻的云滴会在t时刻发生水平迀移的概率，p (Vt I VH)为t-1时刻的云滴会在t时刻发生 垂直迀移的概率，A41)为在t-1时刻格点v ijk的状态，为在t时刻格点％±1&的 状态为在t时刻格点Vijat±1^状态。
[0032] 所述的步骤4)具体包括以下步骤：
[0033] 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。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0035] -、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。
[0036] 二、计算数据少、精度高：本发明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。
[0037] 三、应用灵活：本发明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】
[0038] 图1为元胞自动机计算网格示意图。
[0039] 图2为机载气象雷达仿真计算过程示意图。
[0040] 图3为两个正交的2D网格。
[0041] 图4为本发明输出的大范围云场不意图，其中图（4a)为大范围云场不意图，图 (4b)为图（4a)中A部的放大图。
[0042] 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。
[0043] 图6为大范围稀疏格点云场数据输出结果。
[0044] 图7为小范围云场体数据输出结果。
[0045] 图8为本发明技术方案示意图。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0047] 实施例：
[0048] 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。
[0049]如图1所示，该网格的三维示意图，为生成大范围云场数据，本发明采用卫星云 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：
[0050]V = {viJk= (xj,zk) | i G [1, m],j G [1, n],k G [1,1]}
[0051] 为方便问题描述，可设定Xj，yi，z ke [0, 1]，其他空间位置情况可通过线性拉伸得 到所需要的云场覆盖区域。三维云场的生成任务即可通过某种计算方式，得到计算网格中 任意位置的云滴密度：
[0052] P (viJk) = f (xj, zk) (1)
[0053] 元胞自动机计算过程是一个迭代过程，即空间中每个格点vijk在t时刻的属性由 其周边邻近点在t_l时刻的状态共同决定：
[0055] 其中CA为元胞自动机迭代规则；
[0056] 由此，如图3所示，本发明技术方案以三维空间上元胞自动机迭代为理论基础，实 际程序实现时采用双二维计算网格，对每个空间位置的云滴密度实施完全独立的计算过 程。
[0057] 为达到动态仿真机载气象雷达系统工作过程，需要为其仿真环境提供大范围三维 云场分布数据，以便可随时根据飞机当前位置和雷达扫描线方向计算雷达信号回波强度。 本发明提出的三维云场生成技术方案实施方式如图8所示，通过读取动态卫星云图数据， 为机载气象雷达仿真