[发明专利]基于侧视雷达的降雨条件下飞机尾流环量估计方法

摘要

本发明提供一种基于侧视雷达的降雨条件下飞机尾流环量估计方法，利用单站侧视Doppler雷达进行探测。技术方案包括下述步骤：第一步、无飞机尾流时，通过最强散射雨滴的多普勒速度计算其下落末速度；第二步、有飞机尾流时，根据最强散射雨滴的多普勒速度和飞机尾流的对称关系计算各雷达距离单元内最强散射雨滴的运动速度；第三步、对最强散射雨滴的运动速度求物质导数得到其对应的加速度；第四步、利用非线性最小二乘方法优化求解最强散射雨滴的运动方程获得飞机尾流速度环量。本发明可以实现飞机在起飞和降落阶段的尾流的速度环量估计。

主权项

1.一种基于侧视雷达的降雨条件下飞机尾流环量估计方法，利用单站侧视Doppler雷达进行探测，其特征在于，包括下述步骤：第一步、无飞机尾流时计算最强散射雨滴的下落末速度本步骤要求在降雨条件下，当跑道上无飞机尾流或者雷达波束指向无飞机尾流区域，雷达测量到的雨滴速度为静止大气下的下落末速度在雷达视线上的投影；设从位于(r_n,α_m)的雷达距离单元的多普勒速度谱中求出最强谱分量所对应的Doppler速度为r_n是指雷达视线上的径向第n个雷达距离单元，α_m是指雷达视线上的第m个仰角，利用下式计算最强散射雨滴在无飞机尾流的静止大气下的下落末速度V_T：其中M为利用雷达测量雨滴速度时采用的雷达视线的数量，N为每个雷达视线上的径向上雷达距离单元的个数；第二步、有飞机尾流时计算各雷达距离单元内最强散射雨滴的速度此步骤要求在降雨条件下，雷达位于跑道的一侧，波束在垂直于跑道的平面内上下交替扫描；此步骤包括三个部分：A、估计各雷达距离单元内最强散射雨滴的Doppler速度：飞机起飞降落时沿着跑道飞行，则雷达波束上下扫描时探测到尾流内部受到尾流速度场调制的雨滴；设有飞机尾流时从位于(rn,αm)的雷达距离单元的多普勒速度谱中求出最强谱分量所对应的Doppler速度，记为VD(rn,αm)；B、根据散射强度分布确定尾流的对称轴：利用雷达进行扫描得到尾流内部雨滴分布的散射强度RHI图，RHI图是指距离高度指示图；对散射强度RHI图先进行二值化处理，再采用数学形态学方法对二值图进行处理以填补空洞和去掉离散点，利用上述处理后的二值图中两个涡心附近低散射强度区域的对称性获取尾流对称轴在x轴上的坐标以雷达天线所在处为原点，水平面内与机场跑道中轴线垂直的线为x轴；C、利用尾流的对称关系计算最强散射雨滴的速度：假设飞机尾流区域内某个雷达距离单元p(r_n,α_m)关于对称轴x＝的对称点为p′(r′_n,α′_m)，其中利用p(r_n,α_m)和p′(r′_n,α′_m)的Doppler速度(V_D(r_n,α_m)，V_D(r′_n,α′_m))按下式计算得到p(r_n,α_m)处最强散射雨滴对应的速度V(r_n,α_m)在各雷达视线径向和切向的投影：其中Vr(rn,αm)为径向速度，Vα(rn,αm)为切向速度；第三步、对最强散射雨滴的运动速度求物质导数得到其对应的加速度计算最强散射雨滴对应的加速度A(rn,αm)在各雷达视线径向和切向的投影：其中Ar(rn,αm)为径向加速度，Aα(rn,αm)为切向加速度，各个速度分量的偏微分可以通过对相应速度分量进行拟合得到；第四步、利用非线性最小二乘方法求解雨滴的运动方程获得尾流速度环量利用下述方程求尾流速度环量：其中Γ是待求的尾流速度环量，V_T为最强散射雨滴下落末速度，为重力加速度矢量，g＝9.8为重力加速度大小，V(r_n,α_m)和A(r_n,α_m)分别为(r_n,α_m)处雷达单元内最强散射雨滴的速度和加速度；上述方程中，U(r_n,α_m)为(r_n,α_m)处的归一化尾流速度，表达式如下：其中，x(r_n,α_m)＝r_ncosα_m，y(r_n,α_m)＝r_nsinα_m，和为雷达视线位于α₀角度时假设的尾流左右涡心的位置，且有ω为雷达波束上下扫描的角速度，为雷达单元(r_n,α_m)与尾流左涡涡心之间的距离，为雷达单元(r_n,α_m)与右涡涡心之间的距离，r_c＝0.052b₀为涡核半径；利用非线性最小二乘法求解上述运动方程得到未知量Γ的估计值。