一種基于機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法技術

本發明專利技術涉及一種基于機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法，用以機載氣象雷達的機外環境的模擬，包括以下步驟：1)獲取動態衛星云圖數據作為仿真三維云場的信息來源；2)根據動態衛星云圖數據采用元胞自動機迭代的方法生成仿真三維云場內的云滴分布密度；3)采用雙二維網格的局部迭代方法對已經生成的仿真三維云場中涉及測試的空間進行數據更新；4)根據數據更新后的三維云場及狀態查詢接口進行機載氣象雷達外部環境的模擬測試。與現有技術相比，本發明專利技術具有占用內存少、計算數據少、精度高、應用靈活等優點。

【技術實現步驟摘要】
一種面向機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法
本專利技術涉及氣象探測和計算機仿真領域，尤其是涉及一種面向機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法。
技術介紹
機載氣象雷達(AirborneWeatherRadar)可以探測飛機前方航道的天氣狀況，包括雷雨、冰雹、風暴、湍流、云霧和微暴等，幫助飛行員正確評估氣象態勢，對飛行安全與飛行品質都有重要的保障作用，已經成為大型民用飛機不可或缺的重要部件。傳統機載氣象雷達研發過程在地面只能進行物理樣機通電檢查和靜態測試，綜合性能測試要通過試飛來完成。然而，飛行試驗中實飛環境選擇、試飛測試、與其他航電子系統動態交聯等行為成本高、難度大，穿越極端天氣空域的實驗更是危險重重。現代機載氣象雷達研發過程傾向于通過計算機模擬技術仿真機外飛行環境，可在開發機載氣象雷達原理樣機、工程樣機乃至型號產品時對其各項功能進行功能和性能測試與驗證，并對機載氣象雷達原理樣機模型算法設計、產品研制進行改進，大大縮短產品研制周期和開發節省成本。面向機載氣象雷達仿真應用的機外環境模擬軟件必須提供大范圍的云場密度分布數據，并支持多架次飛機在同一空域中的云滴密度數據隨機訪問。由此，一個高性能云場數據生成技術就顯得至關重要。現有三維云場仿真技術主要分類成兩類：1.利用流體動力學和云滴微物理學進行數值模擬的偏向數值氣象條件仿真技術；2.利用計算機圖形技術生成視覺相似的三維云場可視化圖像。第一類技術生成的云場真實度較高，可以生成一定范圍內三維云場體數據。但求解流體動力學和微物理方程是一個復雜耗時的過程，計算時間隨著計算網格的增加而快速增長，很難在普通PC上實現大范圍云場數據實時動態輸出。第二類技術可在普通PC上實現云場的實時渲染，但其技術著眼點是面向視覺顯示而不是物理真實性，一般不能產生大范圍三維云場體數據。本文借鑒計算機圖形技術中采用元胞自動機(CellularAutomaton，CA)生成云場的思路，提出利用衛星云圖數據作為元胞自動機的其實狀態，提高生成云場與真實測量數據的貼近度。進一步，本文提出一種利用雙二維網格迭代近似三維網格迭代的算法，大幅降低傳統元胞自動機在大范圍三維空間計算時對內存空間的需求。針對機載氣象雷達仿真應用的實際需求，本文提出的三維云場生成技術提供一個返回任意空間位置云滴密度的函數接口，該函數計算過程僅需一張衛星圖像且完全獨立于其他位置的計算，可在多核CPU上實現高度并行的快速計算。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種占用內存少、計算數據少、精度高、應用靈活的面向機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：一種面向機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法，用以機載氣象雷達的機外環境的模擬，包括以下步驟：1)獲取動態衛星云圖數據作為仿真三維云場的信息來源；2)根據動態衛星云圖數據采用元胞自動機迭代的方法生成仿真三維云場內的云滴分布密度；3)采用雙二維網格的局部迭代方法對已經生成的仿真三維云場中涉及測試的空間進行數據更新；4)根據數據更新后的三維云場進行機載氣象雷達外部環境的模擬測試。所述的步驟2)具體包括以下步驟：21)在初始零時刻，將動態衛星云圖中的像素值Iij作為仿真三維云場的基礎層所有格點的云滴密度即：其中，的上標為時刻值，下標為基礎層格點的坐標；22)以仿真三維云場的基礎層為初始值，采用于馬爾科夫鏈的迭代規則獲取仿真三維云場中格點(i,j,k)的云滴密度其中，p(ot|ot-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻停留在原格點位置的概率，p(ht|ht-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻發生水平遷移的概率，p(vt|vt-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻發生垂直遷移的概率，為t-1時刻格點(i,j,k)的云滴密度，為t時刻格點(i,j,k)在x方向上相鄰格點的云滴密度，為格點(i,j,k)在y方向上相鄰格點的云滴密度，為在z方向上相鄰格點的云滴密度，(i,j,k)為格點的三維坐標。所述的步驟22)中的p(ot|ot-1)、p(ht|ht-1)和p(vt|vt-1)服從正態分布：其中，σ1、σ2、σ3為仿真三維云場厚度和垂直剖面形狀控制參數，z為飛行高度值，z0為人為設定的云場垂直位置基準高度。所述的步驟3)具體包括以下步驟：31)獲取機載氣象雷達的掃描位置；32)通過雙二維網格的局部迭代方法對被掃描位置的附近格點進行狀態更新，最終格點vijk的狀態為：迭代規則為：其中，為在t時刻z-x平面迭代的格點，為在t時刻z-y平面迭代的格點，p(ot|ot-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻停留在原格點位置的概率，p(ht|ht-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻發生水平遷移的概率，p(vt|vt-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻發生垂直遷移的概率，為在t-1時刻格點vijk的狀態，為在t時刻格點v(i±1)jk的狀態，為在t時刻格點vij(k±1)的狀態。所述的步驟4)具體包括以下步驟：由多核CPU根據數據更新后的三維云場生成一個返回任意空間位置云滴密度的函數接口Cld(x,y,z)，供機載氣象雷達外部環境模擬測試中獲取三維云場任意位置的云滴密度。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：一、占用內存少：狀態查詢接口函數和三維云場計算在多核CPU上或眾核GPU上實現完全并行計算，從而大幅提高計算效率，減少占有的內存空間，使普通PC平臺都能實現大范圍三維云場的動態仿真，具有較高實際工程應用價值。二、計算數據少、精度高：本專利技術在面向機載氣象雷達仿真應用時，無需實際計算整個三維云場數據，僅需輸出雷達波掃描位置的云場密度即可，并且通過雙二維網格的局部迭代方法進行三維云場的更新，大大減少了需要計算的數據總量，提高了仿真精度。三、應用靈活：本專利技術對大范圍云場生成任務，可使用二維網格近似計算空間單獨格點位置的云場密度，輸出稀疏云場數據，對小范圍云場仿真、可視化等任務，可使用三維網格離線生成某個小區域的體數據。附圖說明圖1為元胞自動機計算網格示意圖。圖2為機載氣象雷達仿真計算過程示意圖。圖3為兩個正交的2D網格。圖4為本專利技術輸出的大范圍云場示意圖，其中圖(4a)為大范圍云場示意圖，圖(4b)為圖(4a)中A部的放大圖。圖5為三維云場中雷達掃描線位置關系及其仿真掃描結果示意圖。圖6為大范圍稀疏格點云場數據輸出結果。圖7為小范圍云場體數據輸出結果。圖8為本專利技術技術方案示意圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術進行詳細說明。實施例：三維云場生成技術最終目標是能提供某一空域任意位置的云滴密度，考慮到飛行器機動速度較快的特性，此空域一般范圍較大。另一方面，機載氣象雷達仿真應用仿真訪問此空域的位置僅為雷達波掃描線上的稀疏位置，如圖2所示的錐形區域，故僅需提供返回任意位置云滴密度的API接口即可，并不需要計算整個云場所有位置的云滴密度動態變化情況。如圖1所示，該網格的三維示意圖，為生成大范圍云場數據，本專利技術采用衛星云圖信息作為初始種子，以元胞自動機迭代的形式生長出三維云場，設元胞自動機計算網格為：V＝{vijk＝(xj,yi,zk)|i∈[1,m],j∈[1,n],k∈[1,l]}為方便問題描述，可設定xj,yi,zk∈[0,1]，其他空間位置情況可通過線性拉伸得到本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法，用以機載氣象雷達的機外環境的模擬，其特征在于，包括以下步驟：1)獲取動態衛星云圖數據作為仿真三維云場的信息來源；2)根據動態衛星云圖數據采用元胞自動機迭代的方法生成仿真三維云場內的云滴分布密度；3)采用雙二維網格的局部迭代方法對已經生成的仿真三維云場中涉及測試的空間進行數據更新；4)根據數據更新后的三維云場進行機載氣象雷達外部環境的模擬測試。

【技術特征摘要】
1.一種面向機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法，用以機載氣象雷達的機外環境的模擬，其特征在于，包括以下步驟：1)獲取動態衛星云圖數據作為仿真三維云場的信息來源；2)根據動態衛星云圖數據采用元胞自動機迭代的方法生成仿真三維云場內的云滴分布密度，所述的步驟2)具體包括以下步驟：21)在初始零時刻，將動態衛星云圖中的像素值Iij作為仿真三維云場的基礎層所有格點的云滴密度即：其中，的上標為時刻值，下標為基礎層格點的坐標；22)以仿真三維云場的基礎層為初始值，采用于馬爾科夫鏈的迭代規則獲取仿真三維云場中格點(i,j,k)的云滴密度其中，p(ot|ot-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻停留在原格點位置的概率，p(ht|ht-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻發生水平遷移的概率，p(vt|vt-1)為t-1時刻的云滴會在t時刻發生垂直遷移的概率，為t-1時刻格點(i,j,k)的云滴密度，為t時刻格點(i,j,k)在x方向上相鄰格點的云滴密度，為格點(i,j,k)在y方向上相鄰格點的云滴密度，為在z方向上相鄰格點的云滴密度，(i,j,k)為格點的三維坐標；3)采用雙二維網格的局部迭代方法對已經生成的仿真三維云場中涉及測試的空間進行數據更新；4)根據數據更新后的三維云場進行機載氣象雷達外部環境的模擬測試。2.根據權利要求1所述的一種面向機載氣象雷達仿真的三維云場生成方法，其特征在于，所述的步驟22)中的p(ot|ot-1)、p(ht|ht-1)和p(vt|vt-1)服從正態分布：

【專利技術屬性】
技術研發人員：張軍，黃燃東，魏建義，刁海南，
申請(專利權)人：航太信息科技上海有限公司，
類型：發明
國別省市：上海;31