一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法，涉及氣象雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，利用多掃描機載氣象雷達，在垂直方向上采取低、中、高三波束的掃描方法，水平方向采取變密度掃描，航向及兩側(cè)區(qū)域采用較密集掃描，提高探測精度，遠離航向區(qū)域采用適當稀疏掃描，提高掃描和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度，對獲取的三波束掃描回波信號進行合成，獲取載機前方全空域氣象目標分布情況，為飛行安全提供有力保障，本發(fā)明可提高機載氣象雷達探測精度，增大探測距離，抑制地雜波干擾，獲取全空域氣象目標分布情況。
【專利說明】
-種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設及氣象雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種氣象目標的探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機載氣象雷達是商業(yè)飛機強制安裝的機載電子設備，能夠?qū)崟r探測飛機航路上的 端流、雷暴、冰富等災害性天氣，也能探測起降階段的風切變，可W稱得上是飛機的"雙眼"， 對于保障飛行安全具有舉足輕重的作用。隨著我國越來越多航線的開通，商業(yè)航班更加繁 忙，對于機載氣象雷達的要求也越來越高。傳統(tǒng)的單掃描機載氣象雷達，由于受到雷達地平 線的限制，只能探測到雷達波束與地球表面相切范圍內(nèi)的氣象目標。同時受制于雷達波束 寬度的限制，無法同時顯示載機前方全空域氣象目標分布情況。
[0003] 為了能夠探測全空域氣象目標，傳統(tǒng)方法是采用飛行員手動調(diào)節(jié)雷達波束仰角的 方法。調(diào)低仰角，探測載機前下方近距離空域氣象目標，調(diào)高仰角，探測遠距離空域氣象目 標。該方法雖然可W獲取到全空域的氣象目標分布情況，但獲取到的分布情況并不直觀，需 要飛行員根據(jù)經(jīng)驗在大腦中合成。運種方法過于依賴飛行員經(jīng)驗，增加了飛行員的工作復 雜度，容易出錯，甚至可能會對飛行員其它更重要的操作產(chǎn)生影響。由于無法抑制雷達地平 線處的地雜波，該方法也不能探測更遠距離氣象目標分布情況。
[0004] 多掃描技術(shù)是新型機載氣象雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一，其相關(guān)的數(shù)字信號處理技術(shù)是 研制新型雷達的關(guān)鍵所在，現(xiàn)有的多掃描技術(shù)未能與多重頻技術(shù)有效結(jié)合，雖然能夠探測 遠距離空域氣象目標，卻沒能實現(xiàn)近距離空域的高精度探測。與此同時，由于采用多掃描技 術(shù)，數(shù)據(jù)量必然增加，將會影響處理速度。因此提出一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域 氣象目標探測方法，利用多掃描機載氣象雷達，在垂直方向上采用低、中、高=波束進行掃 描，探測載機前方近、遠、中距離空域氣象目標。=波束采用不同的脈沖重復頻率，兼顧探測 距離與探測精度。水平方向上采用變精度的掃描方法，載機航向及兩側(cè)區(qū)域上采用密集掃 描，遠離航向區(qū)域采用適當稀疏掃描，保證掃描精度同時盡量較少掃描和后續(xù)數(shù)據(jù)處理時 間。對獲取的=波束掃描回波信號進行合成，得到載機前方全空域氣象目標分布情況，為飛 行安全提供有力保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種適用于機載氣象雷達的多掃描多重頻 全空域氣象目標探測方法，利用多掃描機載氣象雷達，在垂直方向上采取低、中、高=波束 的掃描方法，最低仰角波束采用高重復頻率脈沖，提高探測精度，探測近距離空域范圍內(nèi)氣 象目標1;中仰角波束采用低重復頻率脈沖，提高雷達無模糊作用距離，探測遠距離空域范 圍內(nèi)氣象目標3;最高仰角波束采用中重復頻率脈沖，探測中距離空域易受地物雜波干擾的 氣象目標2。水平方向采取變密度掃描，航向及兩側(cè)區(qū)域采用較密集掃描，提高探測精度，遠 離航向區(qū)域采用適當稀疏掃描，提高掃描和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度。對獲取的=波束掃描回 波信號進行合成，獲取載機前方全空域氣象目標分布情況，為飛行安全提供有力保障。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括下述步驟：
[0007] 步驟一、根據(jù)載機高度和雷達波束垂直寬度確定低、中、高=波束的仰角:設0為與 地球表面相切波束的仰角，則0 = arccos[r/(r+h)]，其中r為地球半徑，h為載機高度，中仰 角波束是與地球表面相切的波束，因此其仰角02 = 0 =曰'(3(3〇3^/片+11)]，最低仰角波束的 仰角為01 = 0+口最高仰角波束的仰角為巧=6-口口，其中巧為雷達波束垂直寬度，由雷達性 能參數(shù)決定的；
[000引步驟二、根據(jù)機載氣象雷達性能參數(shù)確定近距離空域、中距離空域、遠距離空域的 范圍，確定低、中、高S波束的脈沖重復頻率，設Re為雷達探測距離，則近距離空域是指： 0 ~八沖距離空域是指:爭巧< ~ 砸距離空域是指苗~及C，設低、中、高S波束對應的 4 4 2 2 脈沖重復頻率為。^2心，設臨時頻率變量
，則f2在PRFl與ftemp之間任取一固定 值，f3 = 2f2，fi = 2f3,其中c = 3.0Xl0V/s，為大氣中光速，PRFi為雷達性能參數(shù)中的脈沖重 復頻率最低值；
[0009] 步驟=、調(diào)節(jié)天線仰角到01位置，即最低仰角波束的位置，設置脈沖重復頻率為fi， 完成一個周期即水平掃描角從0°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù)為 Datal = (Ri，0i，丫，Pri),其中Ri為雷達到目標點的斜距，Ri取值范圍在近距離空域范圍之 內(nèi)，即0 ~|馬，0功最低仰角波束的仰角，丫為水平掃描角，取值范圍為0到180° ,Pr功最低 仰角波束回波功率；
[0010] 步驟四、調(diào)節(jié)天線仰角到92位置，即中仰角波束的位置，設置脈沖重復頻率為f2， 完成一個周期即水平掃描角從0°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù)為 Data2=化，02, 丫，Pn),其中R2為雷達到目標點的斜距，R2的有效取值范圍在近距離空域與 遠距離空域范圍之內(nèi)，即0~和^ ~/<內(nèi)，02為中仰角波束的仰角，Pn為中仰角波束 回波功率；
[0011] 步驟五、調(diào)節(jié)天線仰角到03位置，即最高仰角波束的位置，設置脈沖重復頻率為 f3,完成一個周期即水平掃描角從0°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù)為 Data3=(化，目3, 丫，Pn),化為雷達到目標點的斜距，R3的有效取值范圍在近距離空域與中距 離空域范圍之內(nèi)，即0-1巧和- 內(nèi)，03為最高仰角波束的仰角，Pn為最高仰角波束 4 4 2 的回波功率；
[0012] 步驟六、根據(jù)標準氣象雷達方程和步驟S、四、五所存儲的掃描數(shù)據(jù)化化1、化化2、 Data3計算近、中、遠距離空域的氣象目標回波反射率因子：
[0013] 標準氣象雷達方程為
'其中，Z為氣象雷達回波反射率因子，A為雷達波 長，R是雷達到目標的斜距，Pr為雷達回波功率，IkI2是由散射粒子介電性質(zhì)確定的常數(shù)，Go 為天線波束中屯、方向上的增益，Pt為雷達發(fā)射功率，經(jīng)過計算后所得到的數(shù)據(jù)為，Datal_l = (Ri,目1，丫，Zi)，Da1:a2_l = (R2,目2, 丫，Z2)，Data3_l = (R3,目3, 丫，23)，21、22、23為回波的反 射率因子；
[0014] 步驟屯、對步驟六計算得到的數(shù)據(jù)化化1_1、化化2_1、化化3_1做投影變換：
[0015] 將所探測到的氣象目標斜距投影到W地屯、為圓屯、、地屯、與載機連線為半徑的圓弧 上；
[0016] 雷達波束與地球表面相切，設地球圓屯、為點0,氣象目標位于點B，點A是載機所在 位置，點A '是氣象目標在載機航跡上的投影，則0A、0A '與地球表面和載機航跡分別垂直，貝U 該氣象目標點的斜距為n = AB，對應的投影弧長式
在A AOB中，設邊長
[0017]
[001 引則內(nèi)角a = ZA0A' =arccos[ ((r+h)2+d2-r22)/2d(r+h)]
[0019] a同時也是b對應的圓屯、角，可得
[0020] 12 =化 a(r+h)/360
[0021] 計算后得到的數(shù)據(jù)為Da1:al_2=(；Li, 丫，Zi)，Data2_2=(；L2, 丫，Z2)，Data3_2 = (；L3， 丫，Z3 )，b、L2、L3分別為化、化、R3在載機航跡上的投影；
[0022] 步驟八、根據(jù)步驟六計算得到的回波反射率因子Zi、Z2、Z3對近距離空域氣象目標 強度進行合成：
[0023] 近距離空域氣象目標強度由低、中、高=波束回波反射率因子進行合成，其合成采 用加權(quán)平均的方法，權(quán)值可由各波束自身強度確定，近距離空域氣象目標強度 得到數(shù)據(jù)Data_near=化n, 丫，Z)，其中 - - -
* :， Ln取值范圍為近距離空域，即0^巧g ;
[0024] 步驟九、根據(jù)步驟六計算得到的目標回波反射率因子Zi、Z2、Z3對中距離空域氣象 目標回波強度進行合成：
[0025] 中距離空域氣象目標強度Z = Z3,得到數(shù)據(jù)化ta_middle=(Lm，丫，Z)，其中Lm取值 范圍為中距離空域，即^巧。~^巧,；
[00%]步驟十、根據(jù)步驟六計算得到的目標回波反射率因子Zi、Z2、Z3對遠距離空域氣象 目標回波強度進行合成：
[0027]遠距離空域氣象目標強度Z = Z2,得到數(shù)據(jù)DataJar=化f，丫，Z)，其中Lf取值范圍 為遠距離空域，即^?巧-A;
[00巧]步驟^ 、根據(jù)步驟八、步驟九和步驟十中得到的化tajiear、化ta_middle、Data_ far獲取載機前方全空域氣象目標分布情況：
[0029；
[0030]其中，丫為水平掃描角，取值范圍為0到180°，Z為氣象目標反射率因子，L是氣象目 標到載機的距離，Data就是最終獲得的機載氣象雷達探測數(shù)據(jù)。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是利用多掃描機載氣象雷達，在垂直方向上采用低、中、高=波 束進行掃描，探測載機前方近、遠、中距離空域氣象目標，其中低、中、高=波束采用不同的 脈沖重復頻率，兼顧探測距離與探測精度;在水平方向上采用變密度的掃描方法、載機航向 及兩側(cè)區(qū)域采用密集掃描、遠離航向區(qū)域采用適當稀疏掃描，保證掃描精度同時盡量減少 掃描和后續(xù)數(shù)據(jù)處理時間；對獲取的=波束掃描回波信號進行合成，得到載機前方全空域 氣象目標分布情況，為飛行安全提供有力保障。本方法可提高機載氣象雷達探測精度，增大 探測距離，抑制地雜波干擾，獲取全空域氣象目標分布情況。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法示意圖。
[0033] 圖2是本發(fā)明水平變密度掃描示意圖。
[0034] 圖3是本發(fā)明波束仰角計算原理示意圖。
[0035] 圖4是本發(fā)明斜距投影計算方法示意圖。
[0036] 圖5是一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法掃描結(jié)果示意 圖。
[0037] 其中，101-載機；102-地球表面；103-近距離空域；104-氣象目標1; 105-低仰角波 束；106-中仰角波束；107-高仰角波束；108-中距離空域；109-氣象目標2; 110-地物；111-遠 距離空域；112-氣象目標3，201 -航向及兩側(cè)區(qū)域;202-遠離航向區(qū)域;203-水平掃描波束， 301-載機高度;302-與地表相切波束仰角；303-地球半徑;304-與地表相切波束;401-載機 所在位置點；402-氣象目標在載機航跡上的投影點;403-氣象目標位置點；404-載機航跡； 405-波束;501-區(qū)域D; 502-區(qū)域E; 503-區(qū)域F; 504-區(qū)域A; 505-區(qū)域B; 506-區(qū)域C。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0039] 本發(fā)明為一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法，在垂直方向 上采取多波束的掃描方法，提高探測精度，增大探測距離，有效抑制地雜波干擾;水平方向 采取變密度掃描，提高掃描和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度。對獲取的=波束掃描回波信號進行合 成，獲取載機前方全空域氣象目標分布情況，為飛行安全提供有力保障。
[0040] 附圖1為機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法示意圖。利用多掃 描機載氣象雷達，在垂直方向上采取低、中、高=波束的掃描方法，最低仰角波束（105)采用 高重復頻率脈沖，提高探測精度，探測近距離空域（103)范圍內(nèi)氣象目標1(104);中仰角波 束（106)采用低重復頻率脈沖，提高雷達無模糊作用距離，探測遠距離空域（111)范圍內(nèi)氣 象目標3(112);最高仰角波束（107)采用中重復頻率脈沖，探測中距離空域（108)易受地物 (110)雜波干擾的氣象目標2(109)。
[0041] 附圖2為水平變密度掃描示意圖。水平方向采取變密度掃描，航向及兩側(cè)區(qū)域 (201)采用較密集掃描，提高探測精度，遠離航向區(qū)域(202)采用適當稀疏掃描，提高掃描和 后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度。對獲取的=波束掃描回波信號進行合成，獲取載機前方全空域氣象 目標分布情況，為飛行安全提供有力保障。
[0042] 本發(fā)明為一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法，包括下述步 驟：
[0043] 步驟一、根據(jù)載機高度和雷達波束垂直寬度確定低、中、高=波束的仰角：附圖3為 波束仰角計算原理示意圖，設0(3〇2)為與地球表面相切波束(3〇4)的仰角，則0 =曰1^(：〇3[1'/ (r+h)]，其中r(303)為地球半徑，h(301)為載機高度，中仰角波束（106)是與地球表面(102) 相切的波束，因此其仰角92 = 0=曰'(3(3〇3^/("11)]，最低仰角波束（1〇5)的仰角為 巧=0 +口/2,最高仰角波束（107)的仰角為A=S-WU,其中口為雷達波束垂直寬度，由雷達性 能參數(shù)決定的；
[0044] 步驟二、根據(jù)機載氣象雷達性能參數(shù)確定近距離空域(103)、中距離空域(108)、遠 距離空域（111)的范圍，確定低、中、高=波束的脈沖重復頻率。設Re為雷達探測距離，則近 距離空域（103)是指：0~中距離空域（108)是指~K,,;遠距離空域（111)是指： ^巧~/?,.。設低、中、高S波束對應的脈沖重復頻率為：f 1、f 2、f 3，設臨時頻率變量 L
^lJf 2可W在PRFl與f temp之間任取一固定值，為了使探測距離有一定余量，應盡 量將f 2的取值靠近PRFi，f 3 = 2f 2，f 1 = 2f 3，其中C = 3. OXlO V/s，為大氣中光速，PRFl為雷達 性能參數(shù)中的脈沖重復頻率最低值；
[0045] 步驟=、調(diào)節(jié)天線仰角到01位置，即最低仰角波束（105)的位置，設置脈沖重復頻 率為fi，完成一個周期即水平掃描角從0°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù) 據(jù)為化化1 =(虹，目1，丫，Pri),其中化為雷達到目標點的斜距，Ri取值范圍在近距離空域范圍 之內(nèi)，即，01為最低仰角波束（105)的仰角，丫為水平掃描角，取值范圍為0到180°， Pri為最低仰角波束(105)回波功率；
[0046] 步驟四、調(diào)節(jié)天線仰角到02位置，即中仰角波束（106)的位置，設置脈沖重復頻率 為f2,完成一個周期即水平掃描角從0°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù) 為化化2=化，目2, 丫，Pn),其中R2為雷達到目標點的斜距，R2的有效取值范圍在近距離空域 與遠距離空域范圍之內(nèi)，即()-和^ K.…馬內(nèi)，02為中仰角波束（106)的仰角，丫為水平 掃描角，取值范圍為0到180°，Pn為中仰角波束(106)回波功率；
[0047] 步驟五、調(diào)節(jié)天線仰角到03位置，即最高仰角波束（107)的位置，設置脈沖重復頻 率為巧，完成一個周期即水平掃描角從0°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù) 據(jù)為化化3 =(化，目3，丫，Pn)，化為雷達到目標點的斜距，化的有效取值范圍在近距離空域與 中距離空域范圍之內(nèi)，即和內(nèi)，03為最高仰角波束（107)的仰角，丫為水平 4 4 2 掃描角，取值范圍為0到180°，Pn為最高仰角波束(107)的回波功率；
[004引步驟六、根據(jù)標準氣象雷達方程和步驟S、四、五所存儲的掃描數(shù)據(jù)化化1、化化2、 Data3計算近、中、遠距離空域的氣象目標回波反射率因子：
[0049] 標準氣象雷達方程為
其中，Z為氣象雷達回波反射率因子，A為雷達 波長，R是雷達到目標的斜距，Pr為雷達回波功率，IkI2是由散射粒子介電性質(zhì)確定的常數(shù)， Go波束中屯、方向上的增益，Pt為雷達發(fā)射功率，經(jīng)過計算后所得到的數(shù)據(jù)為，Datal_l = (Ri， 01，丫，21)，〇曰1曰2_1 = (1?2，目2，丫，22)，〇曰1曰3_1 =(化，目3，丫，23)，21、22、23為回波的反射率因 子；
[(K)加]步驟屯、對經(jīng)過步驟六計算后得到的數(shù)據(jù)化化1_1、化化2_1、化化3_1做投影變換：
[0051]將所探測到的氣象目標斜距投影到W地屯、為圓屯、、地屯、與載機連線為半徑的圓弧 上，附圖4為斜距投影計算方法示意圖，雷達波束(405)與地球表面（102)相切，設地球圓屯、 為點0,氣象目標位于點B(403)，點A(401)是載機（101)所在位置，點A'（402)是氣象目標在 載機航跡(404)上的投影，則OA、OA '與地球表面(102)和載機航跡(404)分別垂直，則該氣象 目標點的斜距為n = AB，對應的投影弧長為
在A AOB中，設邊長
[0化2]
[0化3]則內(nèi)角日二 ZA0A' = a;rccos[ ((r+h)2+d2-r22)/2d(r+h)]
[0054] a同時也是b對應的圓屯、角，可得
[0055] l2 = ^ia(r+h)/360
[0056] 計算后得到的數(shù)據(jù)為Da化 1_2二化1，丫，Zi)，Data2_2=化2，丫，Z2)，Data3_2 =化3， 丫，Z3)山、L2、L3分別為Ri、化、R3在載機航跡（404)上的投影；
[0057] 步驟八、根據(jù)步驟六計算得到的回波反射率因子Zi、Z2、Z3對近距離空域氣象目標 強度進行合成：
[005引近距離空域氣象目標強度由低、中、高=波束回波反射率因子進行合成，其合成采 用加權(quán)平均的方法，權(quán)值可由各波束自身強度確定，近距離空域氣象目標強度
得到數(shù)據(jù)Data_near=化n, 丫，Z)，其中 Ln取值范圍為近距離空域(103)，即0~-1八； 4
[0059] 步驟九、根據(jù)步驟六計算得到的目標回波反射率因子Zi、Z2、Z3對中距離空域氣象 目標回波強度進行合成：
[0060] 中距離空域氣象目標強度Z = Z3,得到數(shù)據(jù)化ta_middle=(Lm，丫，Z)，其中Lm取值 范圍為中距離空域(108)，即^A',~^穴,.;
[0061] 步驟十、根據(jù)步驟六計算得到的目標回波反射率因子Zi、Z2、Z3對遠距離空域氣象 目標回波強度進行合成：
[0062] 遠距離空域氣象目標強度Z = Z2,得到數(shù)據(jù)DataJar=化f，丫，Z)，其中Lf取值范圍 為遠距離空域(111)，即^巧,~巧.； I.
[0063] 步驟十一、根據(jù)步驟八、步驟九和步驟十中得到的Data_near、Data_middle、Data_ far獲取載機前方全空域氣象目標分布情況：
[0064]
[0065] 其中，丫為水平掃描角，取值范圍為0到180°，Z為氣象目標反射率因子，L是氣象目 標到載機的距離，Data就是最終獲得的機載氣象雷達探測數(shù)據(jù)。
[0066] -種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測方法，其一種具體實施例 為:某一機載氣象雷達發(fā)射機功率150W，天線增益35地，波束寬度3.5°，S波束脈沖重復頻 率分別為200化、400化、800化，脈沖寬度依次為扣3、1043、20叫，距離分辨能力為750111、 1500m、3000m。近距離空域范圍取為0-175Km，中距離空域范圍取為175Km-350Km，遠距離 空域范圍為取350Km-600Km。水平掃描時，載機航向方向120°范圍內(nèi)采用1.5°間隔進行掃 描，其余范圍采用3.0°間隔掃描。
[0067] 附圖5為掃描結(jié)果示意圖，區(qū)域A(504)內(nèi)氣象目標的距離分辨率為750m，角度分辨 率為1.5%該區(qū)域是對載機(101)威脅最大的區(qū)域，其回波數(shù)據(jù)是由=波束合成得到。區(qū)域B (505)內(nèi)氣象目標的距離分辨率為1500m，角度分辨率為1.5°，其回波數(shù)據(jù)主要來自最高仰 角波束。區(qū)域C(506)內(nèi)氣象目標的距離分辨率為3000m，角度分辨率為1.5°，其回波數(shù)據(jù)主 要來自中仰角波束。區(qū)域D(501)內(nèi)氣象目標的距離分辨率為750m，角度分辨率為3°，其回波 數(shù)據(jù)是由=波束合成得到。區(qū)域E(502)內(nèi)氣象目標的距離分辨率為1500m，角度分辨率為 3°，其回波數(shù)據(jù)主要來自最高仰角波束。區(qū)域F(503)內(nèi)氣象目標的距離分辨率為3000m，角 度分辨率為3°，其回波數(shù)據(jù)主要來自中仰角波束。
[0068] 本發(fā)明主要解決了機載氣象雷達對航路上氣象目標探測的問題，可W提高機載氣 象雷達探測精度，增大探測距離，提高處理速度，抑制地雜波干擾，獲取全空域氣象目標分 布，為飛行安全提供有力保障。
【主權(quán)項】
1. 一種機載氣象雷達多掃描多重頻全空域氣象目標探測的方法，其特征在于包括下述 步驟： 步驟一、根據(jù)載機高度和雷達波束垂直寬度確定低、中、高三波束的仰角:設Θ為與地球 表面相切波束的仰角，則9 = arCC〇S[r/(r+h)]，其中r為地球半徑，h為載機高度，中仰角波 束是與地球表面相切的波束，因此其仰角9 2 = 0=arccos[r/(r+h)]，最低仰角波束的仰角 為8 + ，最高仰角波束的仰角為$=01/2,其中供為雷達波束垂直寬度，由雷達性能參 數(shù)決定的； 步驟二、根據(jù)機載氣象雷達性能參數(shù)確定近距離空域、中距離空域、遠距離空域的范 圍，確定低、中、高三波束的脈沖重復頻率，設Re為雷達探測距離，則近距離空域是指：圪；中距離空域是指 ；遠距離空域是指設低、中、高三波束對應4 I 的脈沖重復頻率為fi、f2、f3，設臨時頻率變量 則f2在PRFAftemt^間任取一固定 值，& = 25，負=26,其中c = 3.0Xl〇V/s，為H屮為雷達性能參數(shù)中的脈沖重 復頻率最低值； 步驟三、調(diào)節(jié)天線仰角到Q1位置，即最低仰角波束的位置，設置脈沖重復頻率為^，完成 一個周期即水平掃描角從〇°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù)為Datal = (R1J1, γ，ΡΓ1)，其中R1為雷達到目標點的斜距，R1取值范圍在近距離空域范圍之內(nèi)，即S1為最低仰角波束的仰角，γ為水平掃描角，取值范圍為0到180°，Pr 1為最低仰角 波束回波功率； 步驟四、調(diào)節(jié)天線仰角到θ2位置，即中仰角波束的位置，設置脈沖重復頻率為f2,完成一 個周期即水平掃描角從〇°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù)為Data2 = (R2，02, γ，Pr2)，其中R2為雷達到目標點的斜距，R2的有效取值范圍在近距離空域與遠距離 空域范圍之內(nèi)，_勾，Θ2為中仰角波束的仰角，Pr2為中仰角波束回波功 率； 步驟五、調(diào)節(jié)天線仰角到θ3位置，即最高仰角波束的位置，設置脈沖重復頻率為f3,完成 一個周期即水平掃描角從〇°到180°的水平掃描，存儲掃描數(shù)據(jù)，存儲的掃描數(shù)據(jù)為Data3 = (R3，03, γ，Pr3)，R3為雷達到目標點的斜距，R3的有效取值范圍在近距離空域與中距離空域 范圍之內(nèi)，B&內(nèi)，θ3為最高仰角波束的仰角，Pr3為最高仰角波束的回波 功率；步驟六、根據(jù)標準氣象雷達方程和步驟三、四、五所存儲的掃描數(shù)據(jù)Datal、Data2、 Data3計算近、中、遠距離空域的氣象目標回波反射率因子： 標準氣象雷達方程，庫中，Z為氣象雷達回波反射率因子，λ為雷達波長，R 是雷達到目標的斜距，Pr為雷達回波功率，|Κ|2是由散射粒子介電性質(zhì)確定的常數(shù)，Go為天 線波束中心方向上的增益，Pt為雷達發(fā)射功率，經(jīng)過計算后所得到的數(shù)據(jù)為，DatalJ = U1, θ1; γ = γ，Z2)，Data3_l = (R3，03, γ，23)，21、22、23為回波的反射率因 子； 步驟七、對步驟六計算得到的數(shù)據(jù)Datal_l、Data2_l、Data3_l做投影變換： 將所探測到的氣象目標斜距投影到以地心為圓心、地心與載機連線為半徑的圓弧上； 雷達波束與地球表面相切，設地球圓心為點〇,氣象目標位于點B，點A是載機所在位置， 點A '是氣象目標在載機航跡上的投影，則0A、OA '與地球表面和載機航跡分別垂直，則該氣 象目標點的斜距為K = AB，對應的投影弧長為《=在Δ AOB中，設邊長則內(nèi)角α = ZAOA' =arccos[ ((r+h)2+d2_r22)/2d(r+h)] α同時也是I2對應的圓心角，可得 12 = 2 皿（r+h)/360 計算后得到的數(shù)據(jù)為Datal_2 = (Li, γ，Zi)，Data2_2 = (L2, γ，Z2)，Data3_2 = (L3, γ， Z3)，L1、L2、L3分別為R1、R 2、R3在載機航跡上的投影； 步驟八、根據(jù)步驟六計算得到的回波反射率因子ZhZ^Z3對近距離空域氣象目標強度 進行合成：近距離空域氣象目標強度由低、中、高三波束回波反射率因子i井軒會成·苴會成Φ田加擬平也 的方法，權(quán)值可由各波束自身強度確定，近距離空域氣象目標強5 得到數(shù)據(jù)Data_near=(Ln, γ，Z)，其中1^取值范圍為近距離空域，即〇~; 4 步驟九、根據(jù)步驟六計算得到的目標回波反射率因子ZhZ^Z3對中距離空域氣象目標 回波強度進行合成： 中距離空域氣象目標強度Z = Z3,得到數(shù)據(jù)Data_middle=(Lm, γ ,Z)，其中Lm取值范圍 為中距離空域，步驟十、根據(jù)步驟六計算得到的目標回波反射率因子ZhZ^Z3對遠距離空域氣象目標 回波強度進行合成： 遠距離空域氣象目標強度Z = Z2,得到數(shù)據(jù)Data_far=(Lf，γ，Ζ)，其中Lf取值范圍為遠 距離空域步驟i 、根據(jù)步驟八、步驟九和步驟十中得到的Data_near、Data_middle、Data_far 獲取載機前方全空域氣象目標分布情況：其中，γ為水平掃描角，取值范圍為〇到180°，Z為氣象目標反射率因子，L是氣象目標到 載機的距離，Data就是最終獲得的機載氣象雷達探測數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01S13/95GK106019286SQ201610308458
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】石海杰, 李京華, 岳露
【申請人】西北工業(yè)大學