机载气象雷达三维数据处理方法与流程

1.本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种机载气象雷达三维数据处理方法。


背景技术：

2.机载气象雷达用于探测航路上的雷雨区或其他危险气象目标区域，飞行员根据气象雷达提供的气象状况，及时操纵飞机沿安全路径飞行，避免遭遇各种危险气象。气象雷达系统通常包括发射和接受雷达信号的天线，处理雷达返回信号以向雷达显示器提供图形图像，显示结果通常以颜色表示天气危害程度。
3.大多数常规气象雷达都有一定的数字储存能力，雷达回波画面显示通常是以行扫描或者体扫描为显示，随着机载气象雷达技术的发展，对于载机周围立体全空域，多气象目标分类识别告警的需求，与机载气象雷达扫描相关联的大量数据使得飞行期间实时数据存储变得困难，雷达技术变的复杂且处理数据变多时，对于数据储存和检索目标气象信息变得更困难。
4.机载气象雷达通过持续、自动扫描载机前方所有气象信息，同时利用三维存储器保存数据，通过新的扫描信息持续更新反射率、谱宽、速度以及雷暴、冰雹等识别结果信息，数据的更新是跟随载机运动、速度、航向和高度变化的。在载机探测到危险气象目标时，根据航路和危险气象位置关系，做出改变航路计划，需要更多的气象数据支持，会从三维储存器中检索调取各种危险目标气象数据信息，综合分析危险等级做出航路决策，并在显示器中给出结果显示。
5.此外，机载气象雷达探测的大量数据使得长时间存储和数据通过链路传输几乎不可能。通常必须基于驾驶员记忆和推测不是基于记录的气象雷达数据来进行雷达性能的飞行后评估，具有用于飞行后分析的天气数据将有助于评估机组人员所经历的任何异常天气遭遇，该数据也可以发送给地面人员以传播到其他飞行器，或者直接发送给其他飞行器。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本说明书实施例提供一种机载气象雷达三维数据处理方法，以达到辅助飞行员决策，提升了机载气象雷达探测性能，保障飞行安全。
7.本说明书实施例提供以下技术方案：一种机载气象雷达三维数据处理方法，包括以下步骤：步骤一、接收立体扫描数据；步骤二、对接收到的立体扫描数据进行校正并进行插值变换，得到三维笛卡尔坐标系下的回波数据；步骤三、对三维笛卡尔坐标系下的回波数据进行处理，并选择对应数据进行压缩储存；步骤四、检索压缩信息，根据检索压缩信息进行辅助决策、显示和分发。
8.进一步地，步骤一具体为：根据飞机气象雷达对前方空域的立体扫描，得到相关原始雷达回波数据a0(nr，na，ne)以及飞机当时的位置(x，y，z)，其中，nr为距离门序号、na为方位角、ne为俯仰角值。
9.进一步地，步骤二具体为：根据接收到的雷达回波数据a0(nr，na，ne)结合飞机当时
的位置(x，y，z)，扫描参数中的俯仰角ne和距离门nr，并进行地球曲率坐标校正，得到校正后的回波数据a1，然后对回波数据a1进行插值变换，得到三维笛卡尔坐标系下的回波数据a2。
10.进一步地，步骤三具体为：
11.对得到三维笛卡尔坐标系下的回波数据a2进行处理，得到设定目标的特征参数值并记为回波数据a3；
12.将回波数据a3送入显示系统得到量化显示的数据a4；
13.选择a2、a3、a4中的一种或者多种组合进行压缩存储得到空间危险感知数据库z(n
x
，ny，nz)，其中n
x
、ny、nz为空间三维坐标。
14.进一步地，步骤四具体为：在检索事件信息请求出现时，在三维存储器中检索选定区域，得到特定关联事件气象数据信息z(n
xx
，n
yy
，n
zz
)，根据特定关联事件气象数据信息进行辅助决策、显示和分发，其中，n
xx
、n
yy
和n
zz
为关联气象事件的空间三维坐标。
15.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：通过气象雷达接收探测到的目标事件信息，进行压缩储存成相应的三维网格数据，在需要关联气象数据时，进行检索输出给雷达显示器显示，或者输出给地面或其他飞行器。该方法可以实现机载气象雷达数据存储和选定区域检索显示，在飞机遭遇危险目标改变航线时提供更多气象信息，辅助飞行员决策，提升了机载气象雷达探测性能，保障飞行安全。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，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技术的一些实施例，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它的附图。
17.图1是本发明实施例气象探测数据量化显示后压缩存储过程示意图；
18.图2是本发明实施例气象探测数据预处理后压缩存储过程示意图；
19.图3是本发明实施例气象探测数据直接压缩存储过程示意图；
20.图4是本发明实施例机载气象雷达三维数据检索显示场景示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
23.如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种机载气象雷达三维数据处理方法，包括以下步骤：
24.一、接收立体扫描数据
25.如图4所示为一种案例应用场景，飞机按照飞行计划正常飞行，气象雷达进行前方空域的气象探测，雷达获取气象回波数据a0(nr，na，ne)，其中nr为距离门序号、na为方位角、ne为俯仰角值，以及飞机当时的位置(x，y，z)。
26.二、立体扫描数据校正
27.雷达回波数据a0(nr，na，ne)，会被飞机位置(x，y，z)，扫描参数中的俯仰角ne、距离
门序号nr，根据地球曲率进行曲率坐标校正，校正后得到回波数据a1(nr，na，h)。
[0028][0029]
其中re表示地球等效半径，z表示载机高度，r(nr)表示距离门nr处的距离值。
[0030]
对回波数据a1(nr，na，h)进行插值变换，得到三维笛卡尔坐标系下的回波数据a2(n
x
，ny，nz)，其中n
x
、ny、nz分别为三维网格点坐标，插值基本公式为：
[0031][0032][0033]
其中，
[0034]
w：表示雷达体扫数据采样点权重；
[0035]
r0，a0，e0：表示雷达体扫数据球坐标，斜距、方位角、仰角；
[0036]
r，a，e：表示网格点球坐标；
[0037]
kr，ka，ke：表示bames插值法在径向、方位和仰角上的平滑参数；
[0038]
fa：表示插值网格点数据值；
[0039]
f0(i)：表示网格点(r，a，e)回波数据值相关影响区域内第i个采样点的回波数据值；
[0040]
n：表示网格点(r，a，e)回波数据值的影响区内采样点数。
[0041]
三、选择数据压缩储存
[0042]
根据校正后的危险气象回波数据a2(n
x
，ny，nz)，进行处理后的得到降水、雷暴、冰雹等特征参数计算后的回波数据a3(n
x
，ny，nz)，以及送入显示系统后量化颜色图标显示的信息a4(n
x
，ny，nz)。其中a3(n
x
，ny，nz)包括反射率因子a3(n
x
，ny，nz).dbz，雷暴a3(n
x
，ny，nz).storm有顶高、底高、质心位置、含水量，冰雹a3(n
x
，ny，nz).hail有大小尺寸和含水量等特征参数值；a4(n
x
，ny，nz)为显示量化信息，其中dbz中0、1、2、3对应黑、绿、黄、红颜色，storm中0、1代表有无雷暴标识，hail中0、1也表示有无冰雹标识。
[0043][0044][0045]
选定回波数据类型a2(n
x
，ny，nz)、a3(n
x
，ny，nz)、a4(n
x
，ny，nz)任意单一或组合类型进行压缩保存在三维存储器中生成空间危险感知数据库z(n
x
，ny，nz)。
[0046]
四、检索压缩信息决策、显示和分发
[0047]
如图4中所示场景，当正常航线气象扫描遇到冰雹、雷暴等危险目标气象时，分析航线和危险目标区域位置信息需要作出变更航线计划。
[0048]
作出变更航线计划时，需要参考周围更多气象扫描信息，发送请求给三维数据存储器。
[0049]
三维数据存储器收到关于航线变更需要周围更多危险气象探测信息的请求后，开始根据飞机位置信息(x，y，z)进行危险气象目标信息检索，以载机位置(x，y，z)为中心在三维空间危险感知数据库z(n
x
，ny，nz)中，划定关联距离如水平范围r1，垂直范围h内检索雷暴、冰雹等强目标信息z(n
xx
，n
yy
，n
zz
)。检索网格点选择过程如下公式：
[0050][0051][0052]
其中，(n
xx
，n
yy
，n
zz
)，为符合检索条件的网格点坐标。
[0053]
检索到关联飞行位置周围的危险气象目标如雷暴、冰雹、强降雨特征参数信息z(n
xx
，n
yy
，n
zz
)后，发送给飞行航线变更决策系统、雷达显示系统给出关键特征显示，辅助飞行员变更航线，同时也可把压缩后的特征数据分发给其他飞机和地面终端。
[0054]
本发明实施例的有益效果为：
[0055]
本发明实施例能够简单方便的应用在机载气象雷达系统中，提供更多更详细的气象目标探测数据及展示效果，辅助飞行员决策，也可检索分发压缩事件信息，提升了气象雷达探测功能，可应用于不同机载气象雷达领域，具有良好的市场推广前景。
[0056]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。