一种机载气象雷达复合波形数据库及气象探测方法与流程

1.本发明属于机载气象雷达技术领域，具体涉及一种机载气象雷达复合波形数据库及气象探测方法。


背景技术：

2.机载气象雷达探测并显示飞机航路前方的气象目标情况，飞行员据此规划航路，确保飞行安全。因此，气象雷达显示的信息量和准确度直接影响到飞行员的观察与判断。
3.目前，机载气象雷达仅能提供气象的强度信息，但是气象反射率强度并不是评判气象对飞行安全威胁程度的唯一标准。通过分析气象目标特性可知，不同类型的气象目标表现出不同的速度特性，如对飞行安全影响严重的对流云内部气流活动剧烈且复杂，而非对流云内部气流活动较单一，因此，根据气象目标内部的气流运动情况可以辅助判断/评估气象目标对飞行安全的威胁程度，同时环境风速对气象目标的跟踪和预测有着非常显著的优势。
4.现有机载气象雷达采用1个气象脉冲和4个相参的湍流脉冲相结合的复合波形，可粗略实现湍流谱宽的估计，但由于脉冲数少及信噪比低的影响，使得速度估计精度差且还存在速度模糊的情况，严重制约了气象目标的速度估计性能。
5.因此，需要提供一种既不影响雷达现有气象探测能力，又可实现对气象目标速度较高精度的检测与估计方法。


技术实现要素：

6.本发明针对现有波形不具备对气象目标速度的估计能力，在已有技术基础上提出一种新的复合探测波形设计及使用方法，在不影响气象探测性能的同时，能够得到气象目标较为精确的速度和谱宽信息，可有效提升湍流探测能力和对威胁气象目标的评估能力，提升飞行安全。
7.本发明的目的在于，提供一种机载气象雷达复合探测波形数据库，所述波形数据库包括单prf相参波形数据子库、双prf相参波形数据子库以及单prf跳频波形数据子库。
8.本发明所提供的机载气象雷达复合探测波形数据库，还具有这样的特征，所述数据库中包括脉冲重复周期和脉冲数，则，所述单prf相参波形数据子库表示为：
9.spri
data
＝[pri
1 pri
2 ... prim]
[0010]
na
sprf
＝[na
1 na
2 ... nam]，
[0011]
其中，spri
data
∈[0.1 1]ms；spri
data
中的数据按照从小到大的顺序排列；
[0012]
prim＝spri
data
(m),m＝1,2,...,m，m(m≥1)为单prf相参波形库中波形个数；
[0013]
na
sprf
∈[1 512]，nam＝na
sprf
(m)为第m个波形对应的脉冲积累数；
[0014]
所述双prf相参波形数据子库表示为：
[0015][0016]
na
dprf
＝[na
1 na
2 ... nan]
[0017]
其中，dpri
data
∈[0.3 2]ms；pri
data
中的数据按照从小到大的顺序排列；
[0018]
dprin＝dpri
data
(n,:)＝[pri
n1 pri
n2
],n＝1,2,...,n，n(n≥1)为双prf相参波形库中组合波形的个数；
[0019]
na
dprf
∈[1512]，nan＝na
dprf
(n)为第n个波形组合对应的脉冲积累数；
[0020]
所述单prf跳频波形数据子库表示为：
[0021]
pri
data
＝[pri
1 pri
2 ... prik]
[0022]
na
prf
＝[na
1 na
2 ... nak]
[0023]
其中，pri
data
∈[1 5]ms；pri
data
中的数据按照从小到大的顺序排列；prik＝pri
data
(k),k＝1,2,...,k，k(k≥1)为单prf跳频波形库中波形个数，k≥1；
[0024]
na
prf
∈[1 128]，nak＝na
prf
(k)为第k个波形对应的脉冲积累数。
[0025]
本发明的另一目的在于，提供一种基于前述任一项所述的波形数据库的一种机载气象雷达气象探测方法，所述方法包括如下步骤：
[0026]
s1：设定探测模式；
[0027]
s2：从波形数据库中选择探测波形；
[0028]
s3：对s2获取的波形对应的雷达接收回波进行处理，获取气象目标的强度、速度以及谱宽信息；
[0029]
s4：根据s3获取的气象目标的强度、速度以及谱宽信息判断气象目标对飞行安全的威胁程度。
[0030]
本发明所提供的机载气象雷达气象探测方法，还具有这样的特征，所述探测模式包括俯仰扫描层数n
layer
(n
layer
≥1)、方位扫描范围az
scan
(az
scan
≥0
°
)以及各扫描层对应俯仰角
[0031]
本发明所提供的机载气象雷达气象探测方法，还具有这样的特征，所述s2中对于第n(n≤n
layer
)个俯仰层，选择步骤如下：
[0032]
s2.1：根据载机飞行高度、俯仰角和波束宽度，判断波束是否搭地，若搭地则进行s2.2，若不搭地，则进行s2.3：
[0033]
s2.2：计算波束最远搭地距离r
groud
：
[0034][0035]
s2.3：计算波束中心达到h
max
高度时对应的距离r
beamcenter
：
[0036][0037]
s2.4：根据s2.2和s2.3所分别计算的距离值，在波形数据库中选择相应的波形，
[0038]
其中，re为地球等效半径，h
plane
为载机高度，φ
3db
为俯仰波束宽度，φn为波束指向角，向上为正，h
max
为气象目标发展高度，h
max
∈[10 15]km。
[0039]
本发明所提供的机载气象雷达气象探测方法，还具有这样的特征，所述s2.4中，定义距离阈值r
threshold
＝[r
1 r2]，r
l
＝r
threshold
(l),l＝1,2分别表示三种不同波形对应的判定距离，则：
[0040]
若r
groud
≤r1或者r
beamcenter
≤r1，则在单prf相参波形数据子库中选择相应的单prf相参波形；
[0041]
若r1《r
groud
≤r2或者r1《r
beamcenter
≤r2，则在双prf相参波形数据子库中选择相应的双prf相参波形；
[0042]
若r
groud
》r3或者r
beamcenter
》r3，则结合依据量程r
range
则在单prf跳频波形数据子库中选择相应的单prf跳频波形。
[0043]
本发明所提供的机载气象雷达气象探测方法，还具有这样的特征，所述s3中，若从单prf相参波形数据子库中选择波形，则直接接收回波均相参；若在双prf相参波形数据子库中选择双prf相参波形，则两个不同的prf波形交替发射，接收回波均相参；若在单prf跳频波形数据子库中选择波形，则直接接收回波不相参。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0045]
本发明所提供的机载气象雷达复合探测波形数据库，优化了多扫描模式下不同俯仰层的气象探测波形，并且基于该数据库的雷达气象探测方法即可提升高空弱反射率气象目标的探测能力，又可精确估计气象目标速度、谱宽等信息，雷达利用气象目标的强度、速度及谱宽等反映气象特性的信息来辅助实现气象威胁性分析，并预测危险气象目标的发展趋势及运动特性，提升雷达对气象目标的探测性能及精确告警能力。
[0046]
本发明所提供的机载气象雷达复合探测波形数据库，兼顾机械扫描雷达和相控阵雷达，有效提升了飞机在不同地域飞行时的气象探测和评估能力，进一步的提高了危险气象的探测与识别能力，提高了气象告警可靠性，可应用于军用和民用气象雷达领域。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1：本发明实施例所提供的探测方法的多扫描探测模式示意图；
[0049]
图2：本发明实施例所提供的探测方法的多层扫描实现方法。
具体实施方式
[0050]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的机载气象雷达复合波形数据库及气象探测方法作具体阐述。
[0051]
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不
是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
[0052]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0053]
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0054]
一种机载气象雷达复合探测波形数据库，所述波形数据库包括单prf相参波形数据子库、双prf相参波形数据子库以及单prf跳频波形数据子库，该数据库中包括脉冲重复周期和脉冲数，则，
[0055]
单prf相参波形数据子库中的波形具有较大的不模糊速度，但不模糊距离较小，适用于近距离气象探测场景，表示为：
[0056]
spri
data
＝[pri
1 pri
2 ... prim]
[0057]
na
sprf
＝[na
1 na
2 ... nam]，
[0058]
其中，spri
data
∈[0.1 1]ms；spri
data
中的数据按照从小到大的顺序排列；
[0059]
prim＝spri
data
(m),m＝1,2,...,m，m(m≥1)为单prf相参波形库中波形个数；
[0060]
na
sprf
∈[1 512]，nam＝na
sprf
(m)为第m个波形对应的脉冲积累数；
[0061]
双prf相参波形数据子库中的波形包含两种不同prf波形，不模糊距离较大，且通过双prf可实现速度解模糊，提升速度检测范围，适用于中等距离气象探测场景，表示为：
[0062][0063]
na
dprf
＝[na
1 na
2 ... nan]
[0064]
其中，dpri
data
∈[0.3 2]ms；pri
data
中的数据按照从小到大的顺序排列；
[0065]
dprin＝dpri
data
(n,:)＝[pri
n1 pri
n2
],n＝1,2,...,n，n(n≥1)为双prf相参波形库中组合波形的个数；
[0066]
na
dprf
∈[1 512]，nan＝na
dprf
(n)为第n个波形组合对应的脉冲积累数；
[0067]
单prf跳频波形数据子库中的波形采用大pri波形、不模糊距离远，且通过跳频技术能够避免强气象二次回波问题，适用于远距离气象探测场景，表示为：
[0068]
pri
data
＝[pri
1 pri
2 ... prik]
[0069]
na
prf
＝[na
1 na
2 ... nak]
[0070]
其中，pri
data
∈[1 5]ms；pri
data
中的数据按照从小到大的顺序排列；prik＝pri
data
(k),k＝1,2,...,k，k(k≥1)为单prf跳频波形库中波形个数，k≥1；
[0071]
na
prf
∈[1 128]，nak＝na
prf
(k)为第k个波形对应的脉冲积累数。pri为脉冲重复周期。
[0072]
如图1-2所示，在部分实施例中，提供了一种基于前述实施例所述的波形数据库的机载气象雷达气象探测方法，所述方法包括如下步骤：
[0073]
s1：设定探测模式：包括俯仰扫描层数n
layer
(n
layer
≥1)、方位扫描范围az
scan
(az
scan
≥0
°
)以及各扫描层对应俯仰角其中，各扫描层对应俯仰角根据载机飞行高度、雷达波束宽度、气象目标特性以及地形高程等信息确定；
[0074]
s2：从波形数据库中选择探测波形：
[0075]
对于第n(n≤n
layer
)个俯仰层，选择步骤如下：
[0076]
s2.1：根据载机飞行高度、俯仰角和波束宽度，判断波束是否搭地，若搭地则进行s2.2，若不搭地，则进行s2.3：
[0077]
s2.2：计算波束最远搭地距离r
groud
：
[0078][0079]
s2.3：计算波束中心达到h
max
高度时对应的距离r
beamcenter
：
[0080][0081]
s2.4：根据s2.2和s2.3所分别计算的距离值，在波形数据库中选择相应的波形，
[0082]
其中，re为地球等效半径，h
plane
为载机高度，φ
3db
为俯仰波束宽度，φn为波束指向角，向上为正，h
max
为气象目标发展高度，h
max
∈[10 15]km，需综合考虑气象发展特性、雷达探测性能以及实际情况确定该参数的取值；
[0083]
s3：对s2获取的波形对应的雷达接收回波进行处理，获取气象目标的强度、速度以及谱宽信息；若从单prf相参波形数据子库中选择波形，则直接接收回波均相参；若在双prf相参波形数据子库中选择双prf相参波形，则两个不同的prf波形交替发射，接收回波均相参；若在单prf跳频波形数据子库中选择波形，则直接接收回波不相参；
[0084]
s4：根据s3获取的气象目标的强度、速度以及谱宽信息判断气象目标对飞行安全的威胁程度。
[0085]
在部分实施例中，所述s2.4中，定义距离阈值r
threshold
＝[r
1 r2]，r
l
＝r
threshold
(l),l＝1,2分别表示三种不同波形对应的判定距离，则：
[0086]
若r
groud
≤r1或者r
beamcenter
≤r1，则在单prf相参波形数据子库中选择相应的单prf相参波形；
[0087]
若r1《r
groud
≤r2或者r1《r
beamcenter
≤r2，则在双prf相参波形数据子库中选择相应的双prf相参波形；
[0088]
若r
groud
》r3或者r
beamcenter
》r3，则结合依据量程r
range
则在单prf跳频波形数据子库中选择相应的单prf跳频波形。
[0089]
在部分实施例中，为了实现前述的探测方法，可使用两种探测方式，两种探测方式均为多扫描探测，如图2所示，方式1为先完成一个指定俯仰角的方位维水平扫描，再改变俯仰角，实现该俯仰角的方位维水平扫描，如图2(a)所示；方式2为先完成指定方位向的俯仰维扫描，再沿着下一个方位实现俯仰维扫描，如图2(b)所示。其中，方式1适用于机械扫描雷达和相控阵雷达，方式2仅适用于相控阵雷达，一个完整的多扫描探测时间更短，信息更新
速率更快。
[0090]
在部分实施例中，单prf相参波形和双prf相参波形的接收回波经处理后，可提取气象目标的强度、速度及谱宽等信息，同时提高了雷达对低反射率气象目标的探测性能；单prf跳频波形接收回波处理后，可得到气象目标的强度信息。
[0091]
将多扫描空域内数据处理得到的强度、速度及谱宽等气象目标特征信息，结合气象目标特性，可实现气象目标的威胁性判断，并预测气象目标的发展趋势、运动方向及速度等，为飞行员提供多维度的信息参考，提升飞行安全性。
[0092]
在部分实施例中，所提供的机载气象雷达气象探测方法如下：
[0093]
步骤1：探测模式选择
[0094]
机载气象雷达使用期间，选择多扫描探测方式，参数设置为：扫描层数n
layer
＝6(如图1)；方位扫描范围
±
60
°
；量程r
range
＝320km；载机飞行高度h
plane
＝8000m；波束宽度φ
3db
＝3
°
；各扫描层对应俯仰角φ＝[-9
°ꢀ‑5°ꢀ‑
2.3
°ꢀ‑
0.6
°ꢀ1°ꢀ3°
]。
[0095]
步骤2：建立波形数据库
[0096]
建立波形数据库，库中包含单prf相参波形数据子库、双prf相参波形数据子库以及单prf跳频波形数据子库。
[0097]
a)单prf相参波形数据子库定义为：
[0098]
spri
data
＝[0.3 0.4 0.5 0.6]ms
ꢀꢀꢀ
(1)
[0099]
其中，sprim＝spri
data
(m),m＝1,2,...,4；
[0100]
b)双prf相参波形数据子库定义为：
[0101][0102]
其中，dprin＝dpri
data
(n,:),n＝1,2,...,4；
[0103]
c)单prf跳频波形数据子库定义为：
[0104]
pri
data
＝[1.2 1.6 2.4 3.2]ms
ꢀꢀꢀ
(3)
[0105]
其中，prik＝pri
data
(k),k＝1,2,...,4；
[0106]
距离阈值定义为r
threshold
＝[90 180]，r
l
＝r
threshold
(l),l＝1,2表示三种不同波形对应的判定距离阈值。
[0107]
步骤3：波形选择
[0108]
针对不同仰角的波束，其探测范围及波束照射空域内的目标特性差异较大，为了更好地得到气象目标参数，不同仰角需选择不同的探测波形。因此，对于第n(n∈[1 n
layer
])个俯仰层，确定波形参数。
[0109]
当6个俯仰层的俯仰角分别为φ＝[-9
°ꢀ‑5°ꢀ‑
2.3
°ꢀ‑
0.6
°ꢀ1°ꢀ3°
]时，对应的波形分别为：
[0110]
第1层，俯仰角-9
°
，波束最远搭地距离r
groud
＝67km，满足r
groud
≤r1，选择单prf相参波形，sprim＝0.5ms，脉冲数na
sprf
＝64；
[0111]
第2层，俯仰角-5
°
，波束最远搭地距离r
groud
＝153km，满足r1《r
groud
≤r2，选择双prf
相参波形，dprin＝[1 1.2]ms，两个重频对应的脉冲数均为na
dprf
＝64；
[0112]
第3层，俯仰角-2.3
°
，波束最远搭地距离r
groud
》r2，此时量程r
range
＝320km，选择单prf跳频波形，pri＝2.4ms，脉冲数na
prf
＝1；
[0113]
第4层，俯仰角-0.6
°
，波束不搭地且r
beamcenter
》r2，此时量程r
range
＝320km，选择单prf跳频波形，pri＝2.4ms，脉冲数na
prf
＝1；
[0114]
第5层，俯仰角1
°
，r
beamcenter
＝152km，满足r1《r
beamcenter
≤r2，选择双prf相参波形，dprin＝[1 1.2]ms，两个重频对应的脉冲数均为na
dprf
＝128；
[0115]
第6层，俯仰角3
°
，r
beamcenter
＝70km，满足r
beamcenter
≤r1，选择单prf相参波形，sprim＝0.5ms，脉冲数na
sprf
＝256。
[0116]
综上，本发明针对现有波形不具备对气象目标速度的估计能力，在已有技术基础上提出一种新的复合探测波形设计及使用方法。雷达气象探测过程中采用多扫描方式实现大范围气象探测并显示，不同之处在于雷达根据载机飞行参数、扫描方式，从波形库中选择对应俯仰指向角的波形，实现对不同空域的气象探测并获取气象目标的速度和谱宽信息，雷达可将多扫描得到的强度信息和速度、谱宽信息进行融合处理，辨别气象目标类型并评估气象目标的威胁程度，并预测气象目标的发展趋势及运动速度和方向。本发明在不影响气象探测性能的同时，能够得到气象目标较为精确的速度和谱宽信息，可有效提升湍流探测能力和对威胁气象目标的评估能力，提升飞行安全。
[0117]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。