本發(fā)明涉及機載氣象雷達領(lǐng)域，特別涉及一種風切變識別方法。
背景技術(shù)：
風切變是威脅飛機飛行安全的主要因素之一，相當多的空難事故是由低空風切變引起的。風切變是指風速風向在水平方向或垂直方向上的突變，產(chǎn)生風切變的天氣現(xiàn)象主要有：晴空湍流(熱力泡、層積云、積云)、鋒面天氣(冷鋒、暖鋒)、強對流天氣(多單體、超級單體、颮線、下?lián)舯┝?、近地面陣風鋒及輻射逆溫風切變等。因此，風切變具有尺度小，突發(fā)性強，強度大等特點。
在中小尺度天氣系統(tǒng)中，切變區(qū)往往存在風的輻合輻散過程，強的風垂直切變促進了對流風暴的形成和發(fā)展。因此，風切變的判定和識別在強對流天氣預(yù)報中有重要意義。強的垂直風切變所造成的微下沖氣流會嚴重影響飛機的飛行安全。據(jù)美國國家運輸安全委員會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全世界惡性空難事故很多都是由天氣原因造成的，其中大部分又與低空風切變有關(guān)。機載相控陣天氣雷達能夠準確、迅速地探測氣象目標物的強度、速度和譜寬數(shù)據(jù)，對實時做好危險天氣預(yù)警，保障飛機飛行安全具有重要意義。
風切變的主要類型有兩種，一種是水平風沿水平方向和垂直方向上的切變，另一種是垂直風的切變。利用風切變場中飛機近似的能量高度傳遞函數(shù)能夠確立適用于機載風切變探測告警系統(tǒng)的風切變危險通報的閾值。計算結(jié)果表明：對于水平風的垂直切變，以30米垂直高度差的水平風速作為度量，則對于飛機來說，其等效中度風切變預(yù)警閾值為2.5～4.5m·s-1·km-1(即以此作為風切變是否存在的判定標準)。
但是，在以前風切變的強度標準較為單一，并沒有涉及例如氣象條件、飛機性能及飛行員駕駛技術(shù)等多方面因素，使得最終結(jié)果的判定不是十分精確。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供了一種風切變識別方法，以解決現(xiàn)有風切變識別方法中存在的至少一個技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種風切變識別方法，包括如下步驟：
步驟一、對預(yù)定位置處用機載氣象雷達探測到的徑向速度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以去除所述徑向速度數(shù)據(jù)中的噪聲點和孤立點；
步驟二、根據(jù)預(yù)處理后的所述徑向速度數(shù)據(jù)計算出譜寬，并判斷所述譜寬是否大于預(yù)定值；如果大于，則說明所述預(yù)定位置可能存在風切變，并進行步驟三；如果小于，說明不存在風切變；
步驟三、通過區(qū)域生長法對預(yù)處理后的所述徑向速度數(shù)據(jù)進行風切變識別。
可選的，在所述步驟三的中包括：
步驟3.1、對步驟二中的所述徑向速度數(shù)據(jù)進行極直坐標轉(zhuǎn)換；
步驟3.2、轉(zhuǎn)換后的二維徑向速度數(shù)據(jù)存入二維數(shù)組DATA中；
步驟3.3、構(gòu)造一個RESULT二維數(shù)組，其中，值為0時表示初始化，值為1時表示識別后的切變區(qū)，值為255時表示識別后的非切變區(qū)；
步驟3.4、構(gòu)造一個SEED種子棧，存放種子點；
步驟3.5、設(shè)起始種子點M(x0,y0)為雷達中心的徑向風速，且所述徑向風速始終為0；
步驟3.6、將所述起始種子點M(x0,y0)作為二維數(shù)組DATA的中心點，將所述中心點與其4個鄰域內(nèi)的數(shù)據(jù)點進行差值比較，將獲取的差值與等效中度風切變預(yù)警閾值進行比較；如果大于，則RESULT二維數(shù)組中值設(shè)為1；如果小于，RESULT二維數(shù)組中值設(shè)為255；
步驟3.7、以步驟3.6中的4個鄰域點作為新的種子點，與各自周圍的4個鄰域點進行對比，進行判斷；
步驟3.8、重復(fù)步驟3.7，完成所述二維數(shù)組DATA中所有點的比對。
可選的，在所述步驟一中，是采用P-M偏微分方程模型對所述徑向速度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。
發(fā)明效果：
本發(fā)明的風切變識別方法可快速、準確、清晰地定位危險合成風切變區(qū)域，能夠在機載雷達上能實時地預(yù)警危險天氣，保障飛機的飛行安全。本發(fā)明的風切變識別方法，在氣象雷達徑向速度基數(shù)據(jù)的預(yù)處理上，去除庫間脈動的干擾、剔除孤立點和缺測點并保留關(guān)鍵的切變區(qū)，有效保存小風切變區(qū)數(shù)據(jù)信息；另外，聯(lián)合利用徑向速度和譜寬資料數(shù)據(jù)聯(lián)合判定合成風切變位置，能夠彌補僅依據(jù)徑向速度數(shù)據(jù)不能識別的風切變區(qū)域，提高風切變識別的精度；進一步，利用區(qū)域生長法快速識別徑向速度的合成風切變，比傳統(tǒng)的徑向及切向切變更能直觀地反映出風切變的位置及危險程度，且提高風切變識別速度。
附圖說明
圖1是本發(fā)明風切變識別方法中區(qū)域生長法的流程圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。
下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明風切變識別方法做進一步詳細說明。
本發(fā)明提供了一種風切變識別方法，包括如下步驟：
步驟一、對預(yù)定位置處用機載氣象雷達探測到的徑向速度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以去除徑向速度數(shù)據(jù)中的噪聲點和孤立點。
具體地，步驟一中采用P-M偏微分方程模型進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而達到去噪保真的效果，達到了去噪保真的效果；處理方法如下：
建立如下基于P-M偏微分方程的去噪保真模型(1)：
關(guān)系式(1)中，u是關(guān)于二維雷達極坐標系中的坐標位置和時間的函數(shù)，即徑向速度值，x,y表示分別沿雷達徑向和切向的數(shù)據(jù)點坐標；u隨時間成非線性擴散變化；div表示散度算子，▽u表示u的梯度，|▽u|指梯度的模，g(|▽u|)是梯度場的擴散系數(shù)，用于控制雷達數(shù)據(jù)隨梯度的擴散速度，一般有：
基于上述性質(zhì)，P-M給出如下擴散系數(shù)函數(shù)：
關(guān)系式(3)中，k為邊緣閾值，這個參數(shù)關(guān)系到去噪和邊緣保持這對矛盾的平衡程度。因此，在梯度較大處，即切變區(qū)域，k值盡量選取較小值，防止切變區(qū)被平滑掉；在梯度較小處，即非切變區(qū)域或噪聲點(孤立點)，k值盡量選取較大值，通過擴散平滑掉噪聲點。
對關(guān)系式(1)采用差分格式數(shù)值解法得如下(4)式：
其中，關(guān)系式(1)的div算子離散化為擴散數(shù)據(jù)點和沿其雷達徑向和切向相鄰的4個數(shù)據(jù)點的權(quán)重梯度均值，4個數(shù)據(jù)點方向上的權(quán)重梯度分別為：
聯(lián)立關(guān)系式(3)、(4)、(5)，得離散化的P-M去噪方程為：
利用關(guān)系式(6)式和(1)式給出的初始條件，進行迭代求解。關(guān)系式(6)中的t即表示迭代次數(shù)。從式中看出迭代次數(shù)過低，去噪效果不明顯，迭代次數(shù)過高容易平滑切變區(qū)的數(shù)據(jù)值。因此，本發(fā)明選取的迭代次數(shù)為t＝50，能夠達到較為理想的去噪保真效果。
步驟二、根據(jù)預(yù)處理后的徑向速度數(shù)據(jù)計算出譜寬，并判斷譜寬是否大于預(yù)定值；如果大于，則說明預(yù)定位置可能存在風切變，并進行步驟三；如果小于，說明不存在風切變。
通過對雷達徑向速度基數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，為了提高風切變識別的精度，還需增加氣象雷達譜寬基數(shù)據(jù)進行聯(lián)合判定。氣象雷達譜寬定義為：
關(guān)系式(7)中，表示給定距離庫內(nèi)雷達采樣脈沖回波信號的平均徑向速度，Vri表示給定距離庫內(nèi)每個采樣脈沖回波信號的徑向速度，N表示距離庫內(nèi)雷達脈沖采樣信號總數(shù)。
通過關(guān)系式(7)可知，譜寬反映的是距離庫內(nèi)雷達脈沖采樣信號的多普勒速度標準差。因此，選取譜寬數(shù)據(jù)作為風切變判據(jù)時需注意以下兩點：
1)、分析低仰角的譜寬資料。這是由于雨滴垂直下落的末速度與低仰角的徑向夾角很大，所以由下落末速度徑向分量可以忽略，造成的多普勒速度很小，從而減少對譜寬數(shù)據(jù)的干擾。
2)、對很近和很遠的譜寬資料不進行對比分析。這是由于遠距離處雷達有效照射體積很大，此體積內(nèi)可能包含很多偏離多普勒速度平均值的質(zhì)點，導(dǎo)致譜寬變大，產(chǎn)生較大誤差。
在排除以上一些干擾后，可以利用譜寬數(shù)據(jù)資料來輔助判別風切變位置。一般來說，譜寬數(shù)據(jù)達4m/s以上的，就認為該位置可能存在風切變區(qū)，將該位置對應(yīng)的速度數(shù)據(jù)進行特征標識，從而彌補單純依靠徑向速度數(shù)據(jù)識別風切變的缺陷。
步驟三、通過區(qū)域生長法對預(yù)處理后的徑向速度數(shù)據(jù)進行風切變識別。
具體地，步驟三的中區(qū)域生長法包括如下步驟：
步驟3.1、對步驟二中的所述徑向速度數(shù)據(jù)進行極直坐標轉(zhuǎn)換。
步驟3.2、轉(zhuǎn)換后的二維徑向速度數(shù)據(jù)存入二維數(shù)組DATA中。
步驟3.3、構(gòu)造一個RESULT二維數(shù)組(又叫：結(jié)果二維數(shù)組)，其中，值為0時表示初始化(即表示未進行對比識別)，值為1時表示識別后的切變區(qū)，值為255時表示識別后的非切變區(qū)。
步驟3.4、構(gòu)造一個SEED種子棧，存放種子點；以前棧是空的，后續(xù)新增的種子點。
步驟3.5、設(shè)起始種子點M(x0,y0)為雷達中心的徑向風速，且所述徑向風速始終為0。
步驟3.6、將所述起始種子點M(x0,y0)作為二維數(shù)組DATA的中心點，將所述中心點與其4個鄰域內(nèi)的數(shù)據(jù)點進行差值比較，將獲取的差值與等效中度風切變預(yù)警閾值(即背景技術(shù)中的等效中度風切變預(yù)警閾值2.5～4.5m·s-1·km-1)進行比較；如果大于，則RESULT二維數(shù)組中值設(shè)為1(即這兩個點之間有風切變)；如果小于，RESULT二維數(shù)組中值設(shè)為255(即有沒有風切變)。
步驟3.7、以步驟3.6中的4個鄰域點作為新的種子點，與各自周圍的4個鄰域點進行對比，進行判斷。
步驟3.8、重復(fù)步驟3.7，完成所述二維數(shù)組DATA中所有點的比對，從而得到風切變的分布。
需要說明的是，特別如圖1所示，區(qū)域生長法是基于經(jīng)過極直坐標轉(zhuǎn)換后的二維徑向速度數(shù)據(jù)，首先確定初始種子點并設(shè)定風切變閾值門限。種子點與周圍四點鄰域比較，當鄰域點為無效值或超過判定閾值或達到二維數(shù)組邊界時，則停止生長。否則，該鄰域點擴展為新種子點。需要注意的是，每完成一次鄰域點比較，則需要刪除當前種子點(此處將該點值置1或255)，防止重復(fù)遍歷。
本發(fā)明的風切變識別方法可快速、準確、清晰地定位危險合成風切變區(qū)域，能夠在機載雷達上能實時地預(yù)警危險天氣，保障飛機的飛行安全。本發(fā)明的風切變識別方法，在氣象雷達徑向速度基數(shù)據(jù)的預(yù)處理上，去除庫間脈動的干擾、剔除孤立點和缺測點并保留關(guān)鍵的切變區(qū)，有效保存小風切變區(qū)數(shù)據(jù)信息；另外，聯(lián)合利用徑向速度和譜寬資料數(shù)據(jù)聯(lián)合判定合成風切變位置，能夠彌補僅依據(jù)徑向速度數(shù)據(jù)不能識別的風切變區(qū)域，提高風切變識別的精度；進一步，利用區(qū)域生長法快速識別徑向速度的合成風切變，比傳統(tǒng)的徑向及切向切變更能直觀地反映出風切變的位置及危險程度，且提高風切變識別速度。
本發(fā)明發(fā)的風切變識別方法運用時，可以先建立風切變危險等級閾值數(shù)據(jù)庫，用于后續(xù)風切變危險告警等級判定；再解析并讀取雷達基數(shù)據(jù)文件，能夠解析不同格式定義的機載相控陣氣象雷達的徑向速度和譜寬基數(shù)據(jù)；進一步，通過解析獲取不同雷達基數(shù)據(jù)文件中的主要性能參數(shù)和觀測數(shù)據(jù)；最后基于上述解析數(shù)據(jù)，利用C++語言編制采用區(qū)域生長法的合成風切變快速識別算法，并封裝成DLL動態(tài)庫。該動態(tài)庫可供其他應(yīng)用程序動態(tài)加載。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準。