数字云团的仿真建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属雷达仿真及计算机应用技术领域，具体涉及一种数字云团的仿真建模方 法。
【背景技术】
[0002] 数字云团是机载气象雷达仿真系统的扫描对象，云团模型的难易及其应用方法直 接影响机载气象雷达仿真系统的时间性能、真实程度等指标。由于云团的不规则性及组成 云团颗粒的运动多变性，很难用精确的模型去描述它。尤其是在诸如气象雷达仿真、飞行器 模拟等应用中，云团的模拟必须保证实时性，同时具有大规模的特点。选择一种合适的建模 方法，主要取决于云团的应用领域，目前，按照几何维数的不同，云团的实时建模可分为二 维模型和三维模型。按照建模原理，云团的建模可分为基于个体生长的方法和基于物理过 程的方法。其中，基于个体生长的方法主要是获得云团的视觉形状而不需要模拟云团生成 或消散的真实物理过程，主要有以下四种模型：一是用粒子系统表现云团等不规则模糊物 体；二是利用卫星图像，用元球建模模拟三维云的动画效果；三是基于体元的细胞机自动 模型模拟三维云的发展过程；四是通过纹理函数生成云的纹理，适合绘制静态云图。而基于 物理过程的方法主要是结合气象学、物理学、流体学等学科，考虑与云团形成有关的各种因 素，在可视的领域进行方法的研究，通过数值模拟形象仿真云团形成的物理过程，比如在 VegaPrime中建立云团模型。目前较成功的方法有：CML(Coupledmaplattice)模型，细 胞自动机的扩展模型；基于流体力学的积云对流气象模型，通过Navier-Stokes方程计算 气象数据，将结果存在体元网格中，通过体绘制技术绘制体元。在上述云团的建模算法中， 主要存在下述难以克服的问题：一是算法中引入各种复杂的数值模型，对系统要求较高，计 算时间较长；二是主要是反映了自然现象的形成过程，不适合作为实时的机载气象雷达仿 真云团建模的工程化模型。上述缺陷，制约了机载气象雷达云团仿真的实时性和针对性。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题：提供一种数字云团的仿真建模方法，从机载气象雷达仿 真的角度，真实地反映出雷暴云团颗粒的回波状态，根据颗粒的回波状态能够更准确地反 映出云团的几何形状。
[0004] 本发明采用的技术方案：数字云团的仿真建模方法，云团的几何数学模型是由若 干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些颗粒信息的描述，可以确定整个云团的几何形状， 其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射因子为准。
[0005] 具体包含下述步骤：
[0006] 1)创建直角坐标系，绘制期望云团外部轮廓；
[0007] 2)在云团外部轮廓取N个采样点，其中应包含凹凸分界等状态突变的特殊点特殊 占.
[0008] 3)在创建的凸集中，计算相邻两个采样点所构成弧形的曲率半径，若该点为凹，则 略过此点；
[0009] 4)若相邻两段弧形的曲率半径差值绝对值小于e，其中e>0,则视为同一颗粒， 假设第n个采样点到第n+1个采样点的弧为5","+1，其中n，n+lGN。knin+1为弧的曲率， 贝1J弧知的曲率半径rn, n+1 = 1/kn, n+1，若有
[0010]
[0011]贝iJ计算弧的曲率半径为
[0012] rn，n+n=(r n，n+l+Fn+1，n+2+… +rn+n 1，n+m),Imn|，
[0013] 5)按照此规律生成所有边缘颗粒；
[0014] 6)制造颗粒生成器，随机生成位置范围在[X_，X_]和[Y_，Y_]，半径大小在 [R_，R_]范围内的颗粒，通过计算判断该颗粒是否有效，并记录全部有效的颗粒数据集 合，形成该云团的拟合；
[0015] 7)针对每个颗粒计算其与雷达天线的相对位置，得到雷达当前时刻波束扫描范围 该云团的回波反射因子序列。
[0016] 上述步骤6中，判断颗粒是否有效的过程是：判断颗粒是否全部在云团内部，如果 颗粒不在云团内部，则直接无效；如果颗粒在云团内部，则判断颗粒是否有非重合部分，如 果颗粒没有非重合部分，则判定颗粒无效；如果颗粒有非重合部分，则判定颗粒有效，并记 录颗粒数据。
[0017] 上述步骤7中，每个颗粒与雷达天线相对位置的计算方法是：
[0018] 1)计算雷达天线和当前颗粒中心x方向距离xdis和y方向距离ydis，单位：海里， 计算式如下：
[0019]
[0020] 其中，
[0021] _Aa。为飞机（即雷达天线）当前经度，单位：弧度
[0022] 为飞机（即雷达天线）当前炜度，单位：弧度
[0023] _ A st为云团参考点1当前经度，单位：弧度
[0024]-4>st为云团参考点1当前炜度，单位：弧度
[0025] _%为当前颗粒i和云团参考点2连线的方向角，单位：弧度
[0026]_，为当前颗粒i到云团参考点2距离，单位：海里
[0027] _Rearth为地球半径，单位：海里
[0028] _xst为云团参考点1和云团参考点2在x方向的距离，单位：海里
[0029] -yst为云团参考点1和云团参考点2在y方向的距离，单位海里
[0030] 2)计算当前颗粒相对雷达天线的方位，即当前颗粒中心距雷达天线的距离Si(单 位海里），以及当前颗粒中心和雷达天线连线的夹角0 ,(单位弧度），计算式如下：
[0031]
[0032] 3)当得到各个颗粒相对雷达天线的方位后，开始判断当前波束的回波状态，雷达 天线发射的波束能量随着宽度的增大而减小，能量衰减3dB以上的区域便不计入在雷达波 束扫描范围内；
[0033] 8)按照雷达型号的特性对其进行衰减补偿算法，对回波序列进行处理，根据强弱 等级的阈值判断，得到雷达显示器上的标准雷达云团图像，运行结果如图7所示。
[0034] 图8a、图8b、图8c为飞机和云团不断接近过程中，雷达显示器扫描到的云团图像。 雷达天线从左至右往返扫描，当飞机（雷达天线）和云团相对方向发生变化时，雷达显示器 的云团图像也在不断变化，即实现了云团的动态模拟。
[0035] 本发明与现有技术相比的优点：
[0036] 1、一般雷暴云团的体积都是比较庞大的，雷达波束扫描到的部分是由众多小雨滴 组成的，每个雨滴都进行能量的反射，所以众多雨滴的能量反射形成了可测量的回波信号， 从机载气象雷达系统仿真的角度，结合雷达工作过程的云团几何数学模型对雷达仿真更为 有效；
[0037] 2、云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒组成，根据这些信息的描 述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠加的部分，回波状态以高反射 因子为准。
[0038] 3、利用云团的粒子系统模型对云团进行构建，生成的云团的位置和方向能够随雷 达位置的变化而变化，具有较好的实时性；
[0039] 4、该模型具有简单易用，运算速度快，周期时间短的特性。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明的云团边缘颗粒创建示意图；
[0041] 图2为本发明的云团内部颗粒创建流程图；
[0042] 图3为本发明的云团颗粒几何图形示意图；
[0043] 图4为本发明的云团整体图形示意图；
[0044] 图5为本发明的云团颗粒数据计算示意图；
[0045] 图6为分三种情况下当前颗粒回波判断示意图；
[0046] 图7为本发明绘制的雷达显示图像；
[0047] 图8a、图8b、图8c为飞机运动过程中雷达显示器上云团动态模拟图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图1-8描述本发明的一种实施例。
【附图说明】 [0049] ：
[0050] 图1云团边缘颗粒的创建描述了云团边缘颗粒的创建示意图，以其中某些采样点 为例，描述了颗粒选取的过程；
[0051] 图2云团内部颗粒的创建流程描述了云团内部颗粒的生成及判断过程；
[0052] 图3云团颗粒的几何图形描述了二维平面内颗粒的分布情况，每个颗粒中心的数 字代表该颗粒在该云团内的编号；
[0053] 图4云团的整体图形描述了将这些颗粒组合后呈现的云团形状；
[0054] 图5云团的颗粒数据计算示意图描述了云团和雷达天线相对位置计算方法；
[0055] 图6当前颗粒的回波判断分三种情况描述了当前颗粒产生的雷达波束的回波状 态；
[0056] 图7中雷达显示图像描述了图4云团在雷达显示器上的标准雷达图像；
[0057] 图8a、图8b、图8c为飞机和云团不断接近过程中，雷达显示器扫描到的云团图像。
[0058] 数字云团的仿真建模方法，云团的几何数学模型是由若干个有着自己属性的颗粒 组成，根据这些颗粒信息的描述，可以确定整个云团的几何形状，其中，各颗粒之间若有叠 加的部分，回波状态以