利用机载雷达对风场紊流强度进行估算的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种对风场素流强度进行估算的方法。更具体地说，本发明设及一种 利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法。
【背景技术】
[0002] 穿越危险风场的飞行会导致飞机颠鑛和较大的机体过载，不仅严重影响客机的乘 坐品质，还会导致客舱致伤等危险事件，遭遇素流时乘客受伤的事故时有发生。
[0003] 要对穿越风场的飞行安全性进行研究，必须获得风场的素流强度信息，素流的强 度有多种度量方式，最为常用的定义是基于风场能量分布给出的，素流强度等于风场速度 的均方根值。如果获取了气流速度的均方根值，已有的研究成果就可W对飞机穿越风场的 飞行响应进行估算。
[0004] 目前在役飞行器对素流及微下冲风切变等扰动风场的探测和预警，主要依靠 W气 象雷达为核屯、的探测设备。现在的气象雷达广泛使用多普勒相参体制，多普勒体制气象雷 达可W通过空气中水汽凝结物或者微小粒子对素流和风切变等目标风场进行测量，提供风 场的Ξ种数据，即基本反射率因子、平均径向速度和谱宽，其中谱宽数据就是风场速度的方 差信息。
[0005] 基于雷达谱宽数据，已经有一些成熟的研究成果，例如可W使用雷达谱宽数据对 探测风场的素流耗散率微观结构性参数进行估计。但是谱宽数据或者素流耗散率都不直接 等同于影响飞行响应的素流强度，仅仅只是包含了素流速度的均方根信息。从飞行员实际 使用和研究人员研究分析的角度，更希望获得素流强度信息。
[0006] 基于运样的背景，针对风场素流强度的参数需求，需要一种利用气象雷达对所探 测风场的素流强度进行估算的方法，W方便对所探测风场进行研究，W及对雷达等风场探 测设备进行二次开发。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
[000引本发明还有一个目的是提供一种利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法， W利用多普勒气象雷达探测风场所得到的统计特征，尤其是谱宽数据，对所探测风场的素 流强度进行估算，为飞行员和指挥员提供按空间分布和按时间分布的素流强度估计Ξ维分 布场。
[0009] 为了实现本发明的运些目的和其它优点，提供了一种利用机载雷达对风场素流强 度进行估算的方法，包括W下步骤：
[0010] 步骤一、将风场的素流强度定义式和风场的谱宽数据定义式联立成方程组；
[0011] 步骤二、根据素流风场频谱模型推导出含有所述谱宽数据和素流强度的关系式， W使得所述步骤一中的方程组闭合；
[0012] 步骤Ξ、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，W得到所述风场的谱宽数据；
[0013] 步骤四、利用步骤Ξ得到的所述风场的谱宽数据对所述步骤二中闭合后的方程组 进行求解，W得到所述风场的素流强度的估算值。
[0014] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤一 中，风场的素流强度的定义式为：
[0015]
[0016] 其中，σ为风场的素流强度，Τ为测量统计平均风速的时间尺度，V为当地风度，?；为 平均风速。
[0017] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤一 中，风场的谱宽数据的定义式为：
[001 引
[0019] 其中，Ον为风场的谱宽数据，Φ (V)为速度谱分布密度，为多普勒速度在巧Ijv+dv间 隔内的功率，哀为回波信号的平均功率，V为当地风度，为平均风速。
[0020] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤一 中，回波信号的平均功率的定义式为：
[0021]
[0022] 其中，Λ为回波信号的平均功率，V为当地风度，Φ (V)为速度谱分布密度，为多普 勒速度在V到v+dv间隔内的功率。
[0023] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤二 中，素流风场频谱模型为德莱顿模型或冯卡口模型。
[0024] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述冯卡口 模型的关系式为：
[0025] 当 〇^<R时，
[0029]其中，r为所观测的风场位置，R为素流风场的一个特征长度，等于径向与切向速度 方差之比R= 〇r/〇0; σ为风场的素流强度;μ为一个无量纲参数，与素流尺度成正比，与径向速 度方差成反比，y = a/L/〇r，L是素流尺度，a为跟雷达和天线有关的一个参数，日/是a相对于 雷达探测位置的一阶导数；M(a, 丫，ξ)为一个构造的复合超几何分布函数；积分量 义二σ^Λ是素流的空间频率k的构造函数，k的单位为弧度/米。
[0030] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤四 中，对闭合后的方程组求解采用计算机数值迭代算法。
[0031] 优选的是，所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述计算机 数值迭代算法为四阶龙格-库塔法或五阶龙格-库塔法。
[0032] 本发明至少包括W下有益效果:利用本发明的基于雷达探测数据所提供的素流强 度估计值，可W为飞行员和指挥员提供按空间分布和按时间分布的素流强度估计Ξ维分布 场，克服了 W往只能提供素流耗散率等微观结构参数的局限，可W用于风场评价、风场数字 建模等后续研究，并为雷达等风场探测产品的二次开发提供了方法基础。
[0033] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本 发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，W令本领域技术人员参照说明书 文字能够据W实施。
[0035] 应当理解，本文所使用的诸如"具有"、"包含"W及"包括"术语并不配出一个或多 个其它元件或其组合的存在或添加。
[0036] 综合国内外相关研究，在低天线仰角、无强烈雨富天气、信号回波强度高于15地的 情况下，我们认为用谱宽数据做素流强度估计，其精度是可W接受的。
[0037] 本发明提供一种利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法，包括W下步骤：
[0038] 步骤一、根据素流遍历性假设，得到风场的素流强度定义式;使用多普勒气象雷达 对风场进行测量，能够获取风场的谱宽数据，谱宽数据包含有风场速度的方差信息。将风场 的素流强度定义式和风场的谱宽数据定义式联立成方程组。
[0039] 步骤二、为使上述方程组闭合，W便求解素流强度，需要另外引入设及雷达谱宽数 据和素流强度的关系式。本发明引入素流风场频谱模型W提供风场功率谱分布，根据素流 风场频谱模型推导出含有所述谱宽数据和素流强度的关系式，W使得所述步骤一中的方程 组闭合。
[0040] 步骤Ξ、机载雷达对目标区域的风场进行实时测量，W得到所述风场的谱宽数据。
[0041] 步骤四、利用步骤Ξ得到的所述风场的谱宽数据，结合雷达探测参数，对所述步骤 二中闭合后的方程组进行求解，W得到所述风场的素流强度的估算值。
[0042] 所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤一中，风场的 素流强度的定义式为：
[0043]
[0044] 其中，0为风场的素流强度，T为测量统计平均风速的时间尺度，V为当地风度，V为 平均风速。
[0045] 所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤一中，在一定 观测区域内，风场的谱宽数据(速度谱方差)的定义式为：
[0046]
[0047] 其中，Ον为风场的谱宽数据，φ (V)为速度谱分布密度，为多普勒速度在V到v+dv间 隔内的功率，声f为回波信号的平均功率，V为当地风度，为平均风速。
[0048] 所述的利用机载雷达对风场素流强度进行估算的方法中，所述步骤一中，回波信 号的平均功率的定义式为：