吳仁彪，胡鵬舉，盧曉光

（中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

機載氣象雷達具有氣象探測、氣象回避、地形測量、地圖測繪等功能，是民航飛機必不可少的機載電子設(shè)備。機載氣象雷達的關(guān)鍵是信號處理以及數(shù)據(jù)處理部分，也是決定其性能的主要因素。為了開發(fā)高效的信號處理算法和合理的數(shù)據(jù)處理方法，需要利用真實的機載氣象雷達回波信號進行驗證。只有高保真的雷達回波信號，包括多種氣象目標（湍流、風切變等）、多種模式（湍流、風切變模式）下的回波信號，才能滿足需要。

目前，雷達回波信號的仿真大部分是針對某一體制的雷達設(shè)計的，如文獻[1-6]給出了一些常見體制雷達的回波信號仿真方法和系統(tǒng)。由于機載氣象雷達的特殊性，針對其回波信號仿真的研究相對較少，文獻[7]中仿真模型是簡化的風切變模型，不能做到高保真地對氣象目標進行仿真，故不能正確反映氣象目標的特點。文獻[8]沒有對氣象目標建模，僅僅對地雜波進行了回波仿真，且沒有考慮真實場景中雷達的掃描。

雷達回波信號仿真的關(guān)鍵在于仿真模型的建立，常見的方法有3種，分別是外場實測法、緊湊場測量法以及理論建模評估法。理論建模評估法通用性最強，應(yīng)用最多，這類方法大多是基于目標起伏特性所建立的模型。對于氣象目標模型的建立，不同于一般的目標建模，常見的目標建模大多基于目標的起伏特性在時間上的相關(guān)性，建立相應(yīng)的統(tǒng)計模型，對于氣象目標仿真模型，不僅要考慮在時間維上的相關(guān)性，還應(yīng)考慮其在空間維上的相關(guān)性，因此不能采用簡單的統(tǒng)計模型的方法。

本文利用流體力學(xué)仿真軟件對氣象目標高保真建模和仿真的數(shù)據(jù)，依照雷達不同的工作模式如風切變模式、湍流模式，設(shè)置相應(yīng)的載機參數(shù)、雷達參數(shù)、掃描參數(shù)、波束參數(shù)等，真實地模擬載機掃描過程，得到機載氣象雷達回波信號。在此基礎(chǔ)上搭建了機載氣象雷達回波仿真系統(tǒng)平臺，完成數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)置、仿真過程展示以及結(jié)果的驗證和導(dǎo)出，為后續(xù)信號處理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 機載氣象雷達回波信號仿真

機載氣象雷達回波仿真流程如圖1所示[9]。

圖1 雷達回波仿真流程圖Fig.1 Flow chart of radar echo simulation

機載氣象雷達回波仿真流程具體實現(xiàn)步驟如下：

1）讀取氣象目標建模生成的數(shù)據(jù)，主要是速度場數(shù)據(jù)和密度場數(shù)據(jù)。

2）對載機參數(shù)、雷達參數(shù)、波束參數(shù)、波形參數(shù)、場景參數(shù)等參數(shù)進行初始化。

3）判斷當前波束內(nèi)的散射點，計算一個波束內(nèi)的雷達回波。

氣象目標屬于一種體分布彌散目標，在整個范圍內(nèi)由大量的微粒組成。對于每個散射點的回波由幅度和相位組成，對于風場中處于雷達照射范圍內(nèi)的第m個微粒，雷達回波可表示為

式中：Am（t）表示該微粒的回波幅度；φm（t）表示該微粒回波的相位。

分別計算每個散射點的雷達回波，而在整個波束范圍內(nèi)，雷達所接收到的回波可以表示為波束范圍內(nèi)所有散射微?；夭ǖ寞B加

式中：n0為接收機噪聲，仿真過程中可以由雷達的接收機噪聲門限所確定。

4）更新飛機位置、氣象信息，更新天線掃描角。

5）判斷掃描是否完成，若完成，輸出回波信號；若未完成，返回步驟3），繼續(xù)操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)模塊

結(jié)合雷達掃描過程，機載氣象雷達回波信號仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，這樣既方便系統(tǒng)逐步實現(xiàn)，也方便對系統(tǒng)進行調(diào)試。仿真系統(tǒng)做了如下模塊劃分，主要模塊包括數(shù)據(jù)讀取模塊、飛行模式選擇及雷達參數(shù)設(shè)置模塊、雷達回波仿真模塊、信號處理模塊及視圖模塊。

1）數(shù)據(jù)讀取模塊 由于流體力學(xué)軟件仿真的風場數(shù)據(jù)較大，而且作為雷達回波仿真系統(tǒng)，所要讀入的數(shù)據(jù)種類繁多，因此單獨設(shè)計一個數(shù)據(jù)讀取模塊，完成對所需數(shù)據(jù)的讀取，并對數(shù)據(jù)在格式以及類型等方面進行預(yù)處理，使得經(jīng)過數(shù)據(jù)讀取模塊讀入并預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可以直接進行應(yīng)用。對風場建模得到的密度場數(shù)據(jù)及速度場數(shù)據(jù)進行讀取，并對讀取的風場數(shù)據(jù)進行初步處理。

2）雷達工作模式選擇及參數(shù)設(shè)置模塊 為了盡可能逼真地仿真雷達回波信號，根據(jù)飛機的實際飛行方式以及雷達的實際掃描參數(shù)對飛機飛行模式及雷達參數(shù)進行設(shè)置。依據(jù)機載氣象雷達的參數(shù)，按照雷達回波仿真的需要對飛行模式進行選擇，然后根據(jù)選擇的飛行模式，對載機參數(shù)、雷達參數(shù)、波束參數(shù)、掃描參數(shù)等進行合理設(shè)置。通過對雷達工作模式的選擇和參數(shù)的設(shè)置，真實地模擬機載氣象雷達的掃描過程。

3）雷達回波仿真模塊 雷達回波仿真模塊是機載氣象雷達回波信號仿真的核心，利用流體力學(xué)軟件根據(jù)NASA提出的TASS模型對風場進行風場建模，對數(shù)據(jù)在讀取模塊進行讀取，然后設(shè)置合理的參數(shù)，根據(jù)撒點法仿真的原理，按照機載氣象雷達的掃描方式對氣象目標的雷達回波進行計算。在此模塊，根據(jù)雷達回波信號仿真的流程，進行后臺運行，由于數(shù)據(jù)量較大，運算時間較長，設(shè)置仿真進度條對運行狀態(tài)進行監(jiān)視。

4）信號處理模塊 雷達回波信號仿真的目的，在于對雷達回波信號處理，在進行雷達回波信號仿真后，根據(jù)不同數(shù)據(jù)的雷達回波仿真，進行不同的信號處理，如雜波抑制、雨衰補償、風切變的檢測、湍流的定標等操作。

5）視圖模塊 為了更形象地展示對機載氣象雷達回波仿真過程，需要對飛機掃描過程進行展示，對掃描結(jié)果動態(tài)顯示、對信號處理的結(jié)果進行展示，因此設(shè)置視圖模塊，更形象地對雷達回波仿真系統(tǒng)全過程進行展示。

2.1.2 系統(tǒng)工作流程圖

軟件工作流程如圖2所示。軟件運行后，建立此次雷達回波仿真的項目文件，然后讀取需要進行回波仿真的風場模型，主要是密度場數(shù)據(jù)和速度場數(shù)據(jù)，讀取完成后，選擇飛機的工作模式，如湍流模式、風切變模式等，然后對載機參數(shù)、雷達參數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置，進行雷達回波仿真。仿真結(jié)束后，可以對仿真數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)驗證、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)保存及導(dǎo)出等操作。

圖2 軟件工作流程圖Fig.2 Flow chart of software operation

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

為了更有效地實現(xiàn)機載氣象雷達回波仿真系統(tǒng)，本文使用C#和Matlab聯(lián)合編程的方法，C#是微軟為.NET Framework量身訂做的程序語言，C#擁有C/C++的強大功能以及Visual Basic簡易使用的特性，是第1個組件導(dǎo)向的程序語言，同C++與Java一樣亦為對象導(dǎo)向程序語言。Matlab是主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高級語言，在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指而被廣泛應(yīng)用在數(shù)字信號處理領(lǐng)域。運用C#與Matlab聯(lián)合編程，能夠充分利用C#友好的界面實現(xiàn)能力以及Matlab強大的數(shù)值計算能力。

2.2.1 C#與Matlab聯(lián)合編程

要實現(xiàn)C#與Matlab聯(lián)合編程，實現(xiàn)C#調(diào)用Matlab中的函數(shù)，關(guān)鍵是解決接口問題。通過將Matlab的M文件編譯成DLL文件，然后在C#中進行調(diào)用以實現(xiàn)C#與Matlab的聯(lián)合編程。

調(diào)用過程流程圖如圖3所示，具體步驟為：

1）在Matlab中編寫函數(shù)，如test，調(diào)試并保存。

2）在Matlab命令窗口運行命令deploytool，然后在對話框中創(chuàng)建project，將test加入生成的項目，進行編譯。

3）在C#中分別添加Matlab中的MWArray.dll文件和上述步驟中生成的test.dll文件。

4）添加調(diào)用語句，實現(xiàn)對Matlab函數(shù)的調(diào)用，完成C#與Matlab的聯(lián)合編程。

圖3 C#調(diào)用Matlab函數(shù)流程圖Fig.3 Process of invoking Matlab function by C#

2.2.2 具體實現(xiàn)過程

為使仿真過程更加條理，在C#進行界面設(shè)計時采用菜單形式完成，主要有數(shù)據(jù)讀取菜單、參數(shù)設(shè)置菜單、雷達回波仿真菜單以及視圖菜單。

1）數(shù)據(jù)的讀取

設(shè)置openfiledialog對話框，通過StreamReader指令完成對指定目錄下風場建模數(shù)據(jù)的讀取，為了方便后續(xù)計算，這里將讀入的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，這里將數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成Double類型。

2）參數(shù)的設(shè)置

參數(shù)的設(shè)置通過Windows窗體進行實現(xiàn)，在窗體中，每一個參數(shù)對應(yīng)一個TextBox，而每個參數(shù)均定義為全局變量，不同的飛行模式下對每個參數(shù)進行不同的初始化賦值，如若對某個參數(shù)進行修改，直接在TextBox中進行修改即可。

3）雷達回波仿真

雷達回波仿真過程通過C#調(diào)用Matlab函數(shù)進行實現(xiàn)。首先，在Matlab中編寫雷達回波仿真函數(shù)，將風場數(shù)據(jù)及各個參數(shù)做為輸入，將雷達回波仿真數(shù)據(jù)做為輸出，調(diào)試并保存；然后在Matlab命令窗口運行命令deploytool，在對話框中創(chuàng)建project，將雷達回波仿真函數(shù)加入project中進行編譯；最后在C#完成引用及調(diào)用過程。這里需注意的是，調(diào)用完成后，輸出的參數(shù)為MWArray類型，必須進行格式轉(zhuǎn)換，否則會提示類型轉(zhuǎn)化錯誤。

4）視圖顯示

視圖顯示過程通過調(diào)用Matlab的畫圖函數(shù)進行實現(xiàn)。將需要畫圖的函數(shù)或數(shù)據(jù)作為輸入，然后調(diào)用畫圖函數(shù)進行畫圖，設(shè)置圖片不顯示，然后將圖片按指定的格式保存在指定的位置。在C#進行展示的Windows窗體中添加Panel容器，將保存的圖片進行調(diào)取，予以顯示。

3 系統(tǒng)運行結(jié)果

啟動機載氣象雷達回波仿真系統(tǒng)后，首先彈出系統(tǒng)登陸界面，如圖4所示，用戶輸入正確的用戶名及密碼后即可進入主界面。

雷達回波仿真系統(tǒng)的主界面如圖5所示，界面采用雙菜單欄的形式，即在頂部用menuStrip菜單，在左側(cè)用treeView控件添加菜單。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)置、視圖顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出這幾個菜單，每個菜單中有相應(yīng)的子菜單，點擊子菜單彈出相應(yīng)的系統(tǒng)界面。

圖6為參數(shù)設(shè)置界面，在參數(shù)設(shè)置菜單中，選取雷達回波仿真的飛行模式，然后彈出該飛行模式下的參數(shù)設(shè)置界面，在參數(shù)界面中，對常用的參數(shù)進行了初始化，如果對參數(shù)修改，輸入相應(yīng)的參數(shù)值點擊確定即可。

仿真信號功率譜如圖7所示，仿真風場模型橫向距離為8 000 m，高度為2 000 m，飛機距離風場中心7 000 m，所以在距離飛機0～3 km處只有噪聲分布，在3～11 km處為氣象目標的回波，能夠看出受距離的影響，回波幅度隨距離的增加呈現(xiàn)下降趨勢，而多普勒速度隨距離的變化呈現(xiàn)出反“S”曲線。圖8和圖9是對仿真信號進行脈沖對法處理所得到的速度分布和譜寬，在圖中能夠看出在0～3 km的譜寬明顯超過其他區(qū)域，譜寬反映速度的估計精度，在0～3 km處并沒有氣象目標，只有噪聲存在；而在其他區(qū)域，譜寬較小，說明能正確估計速度分布，在速度分布圖中，在3～11 km范圍內(nèi)，即氣象目標分布范圍內(nèi)，風速呈現(xiàn)反“S”型，符合風切變風場的特征。

圖10為流體力學(xué)軟件進行風場建模時導(dǎo)出的風場建模的網(wǎng)格圖、速度分布圖以及密度分布圖，右側(cè)為相應(yīng)的風場建模參數(shù)。

圖11為三維風場風切變雷達回波仿真結(jié)果。仿真氣象目標為半徑4 000 m的圓柱體區(qū)域，飛機距中心風場 8 000 m，從-45°～45°進行掃描，得到的掃描結(jié)果仿真如圖11所示。在圖11中，左上圖為雷達回波幅度圖，能夠看出，在氣象目標區(qū)域有較強的雷達回波，且回波強度隨距離的增大而減?。挥疑蠄D為利用脈沖對法估計得到的徑向速度圖，能夠看出，靠近飛機一側(cè)半圓區(qū)域徑向速度呈現(xiàn)負值，表示飛機逆風，遠離飛機一側(cè)半圓區(qū)域徑向速度呈現(xiàn)正直，表示飛機順風；下圖是在某一方位上的徑向速度分布曲線，能夠看出，曲線呈現(xiàn)出明顯的反“S”型，這也與風切變的回波特征相符。

4 結(jié)語

本文利用C#軟件搭建了機載氣象雷達回波仿真平臺，對雷達回波仿真的過程進行了說明，實現(xiàn)了不同飛行模式下利用高保真風場建模數(shù)據(jù)的機載氣象雷達回波信號仿真，對雷達回波信號的驗證說明回波信號仿真數(shù)據(jù)的正確性，從而為后續(xù)信號處理提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前所進行的仿真是基于二維風場數(shù)據(jù)的仿真，而真實場景中，氣象目標場景為三維場景，下一步將對三維風場數(shù)據(jù)進行仿真。

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