一种机载双波段气象雷达探测方法与流程

1.本发明属于机载气象雷达技术领域，具体涉及一种机载双波段气象雷达探测方法。


背景技术：

2.机载气象雷达通常采用x波段雷达进行气象探测，飞机在高空飞行时，无遮挡情况下x波段能够探测到几百公里外的强反射率气象目标，并对其进行预警，但在低空飞行时，由于x波段雷达天线波束较宽，易受地杂波影响，近距探测性能差；同时，对于含水量较少的云，以及小雨、雪、雾等，x波段气象雷达很难探测到，当飞机飞行在大气层低层时,云、雨、雾等会严重干扰飞行员视线，误入云中还有可能导致机体结冰、颠簸。
3.因此，需要提供一种能解决现有技术中的机载气象雷达近距离探测性能差并且探测精度不高的问题的机载气象雷达探测方法。


技术实现要素：

4.本发明针对现有机载气象雷达探测方法所存在的问题，结合了毫米波段雷达的特性，在满足原有x波段气象降雨探测的基础上，提升了机载气象雷达对各类气象的探测感知与现实能力。
5.本发明的目的在于，提供一种机载双波段气象雷达探测方法，所述方法包括如下步骤：
6.s1：采用双波段共口径天线，分时发射x波段电磁波和ka波段电磁波；
7.s2：气象雷达接收x波段电磁波和ka波段电磁波，并进行地杂波抑制；
8.s3：根据x波段电磁波计算反射率rrf
x
；
9.s4：根据ka波段电磁波计算反射率rrf
ka
、速度v
ka
和谱宽w
ka
；
10.s5：根据s3获取的反射率rrf
x
、s4获取的反射率rrf
ka
、速度v
ka
和谱宽w
ka
进行气象目标的分析，并显示分析结果。
11.本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述双波段共口径天线为低剖面设计，所述双波共口径天线形成的x波段天线波束宽度是ka波段天线波束宽度的3-5倍。
12.本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述x波段电磁波的俯仰探测不少于2行，所述ka波段电磁波的俯仰探测不少于5行。
13.本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述x波段电磁波和ka波段电磁波的分时发射步骤如下：
14.s1.1：确定波束探测俯仰中心角φ0[0015][0016]
其中，re为地球等效半径(8700km)，h0为载机高度、hg为地形高度；
[0017]
s1.2：根据探测行数和探测俯仰中心角分别确定x波段扫描和ka波段扫描的俯仰角；
[0018]
s1.3：采用先俯仰后方位的方式按序进行x波段电磁波和ka波段电磁波的发射，所述发射的波形为三段波形组成复合波形，所述复合波形的三段波形分别为按照顺序形成的x波段用于测量反射率rrf
x
的电磁波波形、ka波段用于测量反射率rrf
ka
的电磁波波形以及ka波段用于测量速度和谱宽的电磁波波形。
[0019]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述地形高度为探测范围内的平均地高。
[0020]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述s1.2中x波段扫描的俯仰角φxn和ka波段扫描的俯仰角φkan分别为：
[0021][0022][0023]
其中，σ
φx
为x波段波束间隔，n
x
≮2，in
x
为1,2，
……nx
，σ
φka
为ka波段波束间隔，in
ka
为1,2，
……nka
，n
ka
≮5，和向上取整。
[0024]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述s1.3中用于测量速度和谱宽的电磁波波形以φ0为波束中心，每帧包括2n个相参脉冲，其中n≮5。
[0025]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述s5包括如下步骤：
[0026]
s5.1：提取x波段的气象目标x1，
…
，xn，根据不同俯仰层的x波段反射率rrf
x
计算每个气象目标的质心位置、质心高度和气象顶高；
[0027]
s5.2：提取ka波段的气象目标ka1，
…
，kan，根据不同俯仰层的ka波段反射率rrf
ka
和谱宽w
ka
计算每个气象目标的质心位置、质心高度、气象顶高和谱宽均值；
[0028]
s5.3：将x波段探测的目标与ka波段探测目标进行关联，如两者质心距离小于3km，则判断是同一气象目标，将两者的质心位置、质心高度和气象顶高进行选大合并；、
[0029]
s5.4：根据质心位置、质心高度和气象顶高进行气象目标识别分析：
[0030]
质心高度大于零度线高度，气象顶高大于8000m，则判断为雷暴目标，设置第一标识；
[0031]
质心高度大于零度线高度，谱宽均值大于5m/s,则判断为成长期雷暴，设置第二标识；
[0032]
质心高度位于零度线上下500m，谱宽均值大于3m/s,则会有积冰风险，设置第三标识；
[0033]
根据速度v
ka
,识别每公里速度变化大于10m/s的区域，判断为切变区，设置第四标识；
[0034]
s5.5：根据载机的飞行阶段，采用不同的标识图符叠加在显示画面。
[0035]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述s5.5中的显示画面还包括对反射率的显示，其中，需对同一距离内x波段探测得到多个俯仰角的反
射率rrf
x
以及ka波段探测得到多个俯仰角的反射率rrf
ka
进行选大处理，rrf＝max(rrf
ka
,rrf
x
),将rrf做为双波段雷达的综合反射率进行显示。
[0036]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，还具有这样的特征，所述机载气象雷达的反射率显示范围不小于0dbz-40dbz，采用多色阶显示，色阶范围不大于10dbz。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0038]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法，在满足原有x波段气象降雨探测功能的基础上，利用ka波段实现了对云的探测，并综合云的空间结构以及多普勒信息实现危险气象识别与危险区域告警，在显示画面中标示严重威胁飞行安全的气象，提醒飞行员注意。全面提升了机载气象雷达对各类气象的探测感知与显示能力，进一步提高了飞行安全，减少了不必要的偏航。
[0039]
本发明所提供的机载双波段气象雷达探测方法可应用于军用和民用机载气象雷达领域，尤其适用于中小型机载平台以及低空飞行器，本发明增强了机载气象雷达的对弱反射率目标的探测与预警能力，可进一步提高飞行安全。
附图说明
[0040]
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。
[0041]
图1：本发明实施例所提供的探测方法的流程图；
[0042]
图2：本发明实施例所提供的探测方法中的双波段立体探测方式图；
[0043]
图3：本发明实施例所提供的探测方法的探测波形图；
[0044]
图4：本发明实施例所提供的探测方法的x波段反射率探测结果图；
[0045]
图5：本发明实施例所提供的探测方法的ka波段反射率探测结果图；
[0046]
图6：本发明实施例所提供的探测方法的探测结果的综合显示图。
[0047]
具体实施方式
[0048]
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探测方法作具体阐述。
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
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。
[0052]
与x波段相比，毫米波段雷达在气象探测上具有以下特点：
[0053]
a)天线波束窄，方向性好，有极高的空间分辨力；
[0054]
b)具有较强的探测小粒子(如云、雾、小雨等)的能力；
[0055]
c)多普勒效应明显，具有较好的多普勒速度的分辨力，测速精度高；
[0056]
d)空间衰减大，无法穿透降雨目标，探测距离近。
[0057]
基于毫米波段雷达在气象探测上的特点，本发明提供了一种机载双波段气象雷达综合探测系统，采用共口径双波段天线，可分时发射x波段电磁波与ka波段电磁波，利用x波段实现对降雨的探测以及远距离气象目标的战略监控，利用ka波段实现对低反射率云团(x波段无法探测的过冷水、冻雨等目标)的精细化探测和识别，双波段探测结果相互结合互补，能够引导飞机在规避危险降雨目标，在低能见度云中合理规划飞行路线，回避结冰空域，全面提升飞行安全。具体实施例如下：
[0058]
如图1-6所示，为一种机载双波段气象雷达探测方法，所述方法包括如下步骤：
[0059]
s1：采用双波段共口径天线，分时发射x波段电磁波和ka波段电磁波；
[0060]
s2：气象雷达接收x波段电磁波和ka波段电磁波，并进行地杂波抑制；
[0061]
s3：根据x波段电磁波计算反射率rrf
x
；
[0062]
s4：根据ka波段电磁波计算反射率rrf
ka
、速度v
ka
和谱宽w
ka
；
[0063]
s5：根据s3获取的反射率rrf
x
、s4获取的反射率rrf
ka
、速度v
ka
和谱宽w
ka
进行气象目标的分析，并显示分析结果。
[0064]
在部分实施例中，所述双波段共口径天线为低剖面设计，所述双波共口径天线形成的x波段天线波束宽度是ka波段天线波束宽度的3-5倍。
[0065]
在部分实施例中，所述x波段电磁波的俯仰探测不少于2行，所述ka波段电磁波的俯仰探测不少于5行。
[0066]
在部分实施例中，所述x波段电磁波和ka波段电磁波的分时发射步骤如下：
[0067]
s1.1：确定波束探测俯仰中心角φ0[0068]
其中，re为地球等效半径(8700km)，h0为载机高度、hg为地形高度；
[0069]
s1.2：根据探测行数和探测俯仰中心角分别确定x波段扫描和ka波段扫描的俯仰角；
[0070]
s1.3：如图3所示，采用先俯仰后方位的方式按序进行x波段电磁波和ka波段电磁波的发射，所述发射的波形为三段波形组成复合波形，所述复合波形的三段波形分别为按照顺序形成的x波段用于测量反射率rrf
x
的电磁波波形、ka波段用于测量反射率rrf
ka
的电磁波波形以及ka波段用于测量速度和谱宽的电磁波波形，x波段用于测量反射率rrf
x
的电磁波波形用于雨探测，共发射了2个脉冲；ka波段用于测量反射率rrf
ka
的电磁波波形用于云探测，共发射了9个脉冲，每个脉冲对应一个俯仰角度；ka波段用于测量速度和谱宽的电磁波波形用于多普雷信息探测。
[0071]
在部分实施例中，所述地形高度为探测范围内的平均地高，该平均地高可通过提取载机前方探测范围内的数字高程信息，计算平均地高得到，如无法获取高度信息，则设置为一固定值。
[0072]
在部分实施例中，所述s1.2中x波段扫描的俯仰角φxn和ka波段扫描的俯仰角φkan分别为：
[0073][0074][0075]
其中，σ
φx
为x波段波束间隔，n
x
≮2，in
x
为1,2，
……nx
，σ
φka
为ka波段波束间隔，in
ka
为1,2，
……nka
，n
ka
≮5，和向上取整。
[0076]
在部分实施例中，所述s1.3中用于测量速度和谱宽的电磁波波形以φ0为波束中心，每帧包括2n个相参脉冲，其中n≮5。
[0077]
在部分实施例中，所述s5包括如下步骤：
[0078]
s5.1：提取x波段的气象目标x1，
…
，xn，根据不同俯仰层的x波段反射率rrf
x
计算每个气象目标的质心位置、质心高度和气象顶高；
[0079]
s5.2：提取ka波段的气象目标ka1，
…
，kan，根据不同俯仰层的ka波段反射率rrf
ka
和谱宽w
ka
计算每个气象目标的质心位置、质心高度、气象顶高和谱宽均值；
[0080]
s5.3：将x波段探测的目标与ka波段探测目标进行关联，如两者质心距离小于3km，则判断是同一气象目标，将两者的质心位置、质心高度和气象顶高进行选大合并；、
[0081]
s5.4：根据质心位置、质心高度和气象顶高进行气象目标识别分析：
[0082]
质心高度大于零度线高度，气象顶高大于8000m，则判断为雷暴目标，设置第一标识；
[0083]
质心高度大于零度线高度，谱宽均值大于5m/s,则判断为成长期雷暴，设置第二标识；
[0084]
质心高度位于零度线上下500m，谱宽均值大于3m/s,则会有积冰风险，设置第三标识；
[0085]
根据速度v
ka
,识别每公里速度变化大于10m/s的区域，判断为切变区，设置第四标识；
[0086]
s5.5：根据载机的飞行阶段，采用不同的标识图符叠加在显示画面。
[0087]
在部分实施例中，所述s5.5中的显示画面还包括对反射率的显示，其中，需对同一距离内x波段探测得到多个俯仰角的反射率rrf
x
以及ka波段探测得到多个俯仰角的反射率rrf
ka
进行选大处理，rrf＝max(rrf
ka
,rrf
x
),将rrf做为双波段雷达的综合反射率进行显示。
[0088]
在部分实施例中，所述机载气象雷达的反射率显示范围不小于0dbz-40dbz，采用多色阶显示，色阶范围不大于10dbz。
[0089]
在部分实施例中，得到如图4-6所示的结果，探测场景：载机前方20-40km处存在弱反射率过冷水云团与成熟期雷暴
[0090]
a)如图4所示，x波段仅能够探测到成熟期雷暴，；
[0091]
b)如图5所示，ka波段探测到了弱反射率过冷水云团与成熟期雷暴，但成熟期雷暴衰减严重，反射率显示严重偏弱；
[0092]
c)根据双波段的探测结果进行气象威胁评估，识别出了，将双波段的反射率探测结果进行综合后送显，并对识别到的雷暴采用字符标示进行告警，对过冷水区采用离散点告警，得到图6。
[0093]
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。