吳仁彪，胡鵬舉，盧曉光

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

機(jī)載氣象雷達(dá)具有氣象探測(cè)、氣象回避、地形測(cè)量、地圖測(cè)繪等功能，是民航飛機(jī)必不可少的機(jī)載電子設(shè)備。機(jī)載氣象雷達(dá)的關(guān)鍵是信號(hào)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(kāi)發(fā)高效的信號(hào)處理算法和合理的數(shù)據(jù)處理方法，需要利用真實(shí)的機(jī)載氣象雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。只有高保真的雷達(dá)回波信號(hào)，包括多種氣象目標(biāo)（湍流、風(fēng)切變等）、多種模式（湍流、風(fēng)切變模式）下的回波信號(hào)，才能滿(mǎn)足需要。

目前，雷達(dá)回波信號(hào)的仿真大部分是針對(duì)某一體制的雷達(dá)設(shè)計(jì)的，如文獻(xiàn)[1-6]給出了一些常見(jiàn)體制雷達(dá)的回波信號(hào)仿真方法和系統(tǒng)。由于機(jī)載氣象雷達(dá)的特殊性，針對(duì)其回波信號(hào)仿真的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[7]中仿真模型是簡(jiǎn)化的風(fēng)切變模型，不能做到高保真地對(duì)氣象目標(biāo)進(jìn)行仿真，故不能正確反映氣象目標(biāo)的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]沒(méi)有對(duì)氣象目標(biāo)建模，僅僅對(duì)地雜波進(jìn)行了回波仿真，且沒(méi)有考慮真實(shí)場(chǎng)景中雷達(dá)的掃描。

雷達(dá)回波信號(hào)仿真的關(guān)鍵在于仿真模型的建立，常見(jiàn)的方法有3種，分別是外場(chǎng)實(shí)測(cè)法、緊湊場(chǎng)測(cè)量法以及理論建模評(píng)估法。理論建模評(píng)估法通用性最強(qiáng)，應(yīng)用最多，這類(lèi)方法大多是基于目標(biāo)起伏特性所建立的模型。對(duì)于氣象目標(biāo)模型的建立，不同于一般的目標(biāo)建模，常見(jiàn)的目標(biāo)建模大多基于目標(biāo)的起伏特性在時(shí)間上的相關(guān)性，建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)于氣象目標(biāo)仿真模型，不僅要考慮在時(shí)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(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)模型的方法。

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

1 機(jī)載氣象雷達(dá)回波信號(hào)仿真

機(jī)載氣象雷達(dá)回波仿真流程如圖1所示[9]。

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

機(jī)載氣象雷達(dá)回波仿真流程具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

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

2）對(duì)載機(jī)參數(shù)、雷達(dá)參數(shù)、波束參數(shù)、波形參數(shù)、場(chǎng)景參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行初始化。

3）判斷當(dāng)前波束內(nèi)的散射點(diǎn)，計(jì)算一個(gè)波束內(nèi)的雷達(dá)回波。

氣象目標(biāo)屬于一種體分布彌散目標(biāo)，在整個(gè)范圍內(nèi)由大量的微粒組成。對(duì)于每個(gè)散射點(diǎn)的回波由幅度和相位組成，對(duì)于風(fēng)場(chǎng)中處于雷達(dá)照射范圍內(nèi)的第m個(gè)微粒，雷達(dá)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?；夭ǖ南辔?。

分別計(jì)算每個(gè)散射點(diǎn)的雷達(dá)回波，而在整個(gè)波束范圍內(nèi)，雷達(dá)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(jī)噪聲，仿真過(guò)程中可以由雷達(dá)的接收機(jī)噪聲門(mén)限所確定。

4）更新飛機(jī)位置、氣象信息，更新天線(xiàn)掃描角。

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

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)模塊

結(jié)合雷達(dá)掃描過(guò)程，機(jī)載氣象雷達(dá)回波信號(hào)仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣既方便系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)，也方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(dá)參數(shù)設(shè)置模塊、雷達(dá)回波仿真模塊、信號(hào)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(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)較大，而且作為雷達(dá)回波仿真系統(tǒng)，所要讀入的數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，因此單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)讀取模塊，完成對(duì)所需數(shù)據(jù)的讀取，并對(duì)數(shù)據(jù)在格式以及類(lèi)型等方面進(jìn)行預(yù)處理，使得經(jīng)過(guò)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(jìn)行應(yīng)用。對(duì)風(fēng)場(chǎng)建模得到的密度場(chǎng)數(shù)據(jù)及速度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并對(duì)讀取的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

2）雷達(dá)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(dá)回波信號(hào)，根據(jù)飛機(jī)的實(shí)際飛行方式以及雷達(dá)的實(shí)際掃描參數(shù)對(duì)飛機(jī)飛行模式及雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。依據(jù)機(jī)載氣象雷達(dá)的參數(shù)，按照雷達(dá)回波仿真的需要對(duì)飛行模式進(jìn)行選擇，然后根據(jù)選擇的飛行模式，對(duì)載機(jī)參數(shù)、雷達(dá)參數(shù)、波束參數(shù)、掃描參數(shù)等進(jìn)行合理設(shè)置。通過(guò)對(duì)雷達(dá)工作模式的選擇和參數(shù)的設(shè)置，真實(shí)地模擬機(jī)載氣象雷達(dá)的掃描過(guò)程。

3）雷達(dá)回波仿真模塊 雷達(dá)回波仿真模塊是機(jī)載氣象雷達(dá)回波信號(hào)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(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)建模，對(duì)數(shù)據(jù)在讀取模塊進(jìn)行讀取，然后設(shè)置合理的參數(shù)，根據(jù)撒點(diǎn)法仿真的原理，按照機(jī)載氣象雷達(dá)的掃描方式對(duì)氣象目標(biāo)的雷達(dá)回波進(jìn)行計(jì)算。在此模塊，根據(jù)雷達(dá)回波信號(hào)仿真的流程，進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)行，由于數(shù)據(jù)量較大，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)置仿真進(jìn)度條對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

4）信號(hào)處理模塊 雷達(dá)回波信號(hào)仿真的目的，在于對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)處理，在進(jìn)行雷達(dá)回波信號(hào)仿真后，根據(jù)不同數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波仿真，進(jìn)行不同的信號(hào)處理，如雜波抑制、雨衰補(bǔ)償、風(fēng)切變的檢測(cè)、湍流的定標(biāo)等操作。

5）視圖模塊 為了更形象地展示對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)回波仿真過(guò)程，需要對(duì)飛機(jī)掃描過(guò)程進(jìn)行展示，對(duì)掃描結(jié)果動(dòng)態(tài)顯示、對(duì)信號(hào)處理的結(jié)果進(jìn)行展示，因此設(shè)置視圖模塊，更形象地對(duì)雷達(dá)回波仿真系統(tǒng)全過(guò)程進(jìn)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(yùn)行后，建立此次雷達(dá)回波仿真的項(xiàng)目文件，然后讀取需要進(jìn)行回波仿真的風(fēng)場(chǎng)模型，主要是密度場(chǎng)數(shù)據(jù)和速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，讀取完成后，選擇飛機(jī)的工作模式，如湍流模式、風(fēng)切變模式等，然后對(duì)載機(jī)參數(shù)、雷達(dá)參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行雷達(dá)回波仿真。仿真結(jié)束后，可以對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)

為了更有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)載氣象雷達(dá)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(yǔ)言，C#擁有C/C++的強(qiáng)大功能以及Visual Basic簡(jiǎn)易使用的特性，是第1個(gè)組件導(dǎo)向的程序語(yǔ)言，同C++與Java一樣亦為對(duì)象導(dǎo)向程序語(yǔ)言。Matlab是主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言，在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指而被廣泛應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。運(yùn)用C#與Matlab聯(lián)合編程，能夠充分利用C#友好的界面實(shí)現(xiàn)能力以及Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力。

2.2.1 C#與Matlab聯(lián)合編程

要實(shí)現(xiàn)C#與Matlab聯(lián)合編程，實(shí)現(xiàn)C#調(diào)用Matlab中的函數(shù)，關(guān)鍵是解決接口問(wèn)題。通過(guò)將Matlab的M文件編譯成DLL文件，然后在C#中進(jìn)行調(diào)用以實(shí)現(xiàn)C#與Matlab的聯(lián)合編程。

調(diào)用過(guò)程流程圖如圖3所示，具體步驟為：

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

2）在Matlab命令窗口運(yùn)行命令deploytool，然后在對(duì)話(huà)框中創(chuàng)建project，將test加入生成的項(xiàng)目，進(jìn)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(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程

為使仿真過(guò)程更加條理，在C#進(jìn)行界面設(shè)計(jì)時(shí)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(dá)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(duì)話(huà)框，通過(guò)StreamReader指令完成對(duì)指定目錄下風(fēng)場(chǎng)建模數(shù)據(jù)的讀取，為了方便后續(xù)計(jì)算，這里將讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，這里將數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成Double類(lèi)型。

2）參數(shù)的設(shè)置

參數(shù)的設(shè)置通過(guò)Windows窗體進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在窗體中，每一個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)TextBox，而每個(gè)參數(shù)均定義為全局變量，不同的飛行模式下對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行不同的初始化賦值，如若對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，直接在TextBox中進(jìn)行修改即可。

3）雷達(dá)回波仿真

雷達(dá)回波仿真過(guò)程通過(guò)C#調(diào)用Matlab函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先，在Matlab中編寫(xiě)雷達(dá)回波仿真函數(shù)，將風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及各個(gè)參數(shù)做為輸入，將雷達(dá)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(yùn)行命令deploytool，在對(duì)話(huà)框中創(chuàng)建project，將雷達(dá)回波仿真函數(shù)加入project中進(jìn)行編譯；最后在C#完成引用及調(diào)用過(guò)程。這里需注意的是，調(diào)用完成后，輸出的參數(shù)為MWArray類(lèi)型，必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，否則會(huì)提示類(lèi)型轉(zhuǎn)化錯(cuò)誤。

4）視圖顯示

視圖顯示過(guò)程通過(guò)調(diào)用Matlab的畫(huà)圖函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。將需要畫(huà)圖的函數(shù)或數(shù)據(jù)作為輸入，然后調(diào)用畫(huà)圖函數(shù)進(jìn)行畫(huà)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(jìn)行展示的Windows窗體中添加Panel容器，將保存的圖片進(jìn)行調(diào)取，予以顯示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

啟動(dòng)機(jī)載氣象雷達(dá)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(hù)輸入正確的用戶(hù)名及密碼后即可進(jìn)入主界面。

雷達(dá)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(gè)菜單，每個(gè)菜單中有相應(yīng)的子菜單，點(diǎn)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(dá)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(duì)常用的參數(shù)進(jìn)行了初始化，如果對(duì)參數(shù)修改，輸入相應(yīng)的參數(shù)值點(diǎn)擊確定即可。

仿真信號(hào)功率譜如圖7所示，仿真風(fēng)場(chǎng)模型橫向距離為8 000 m，高度為2 000 m，飛機(jī)距離風(fēng)場(chǎng)中心7 000 m，所以在距離飛機(jī)0～3 km處只有噪聲分布，在3～11 km處為氣象目標(biāo)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(shì)，而多普勒速度隨距離的變化呈現(xiàn)出反“S”曲線(xiàn)。圖8和圖9是對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行脈沖對(duì)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(guò)其他區(qū)域，譜寬反映速度的估計(jì)精度，在0～3 km處并沒(méi)有氣象目標(biāo)，只有噪聲存在；而在其他區(qū)域，譜寬較小，說(shuō)明能正確估計(jì)速度分布，在速度分布圖中，在3～11 km范圍內(nèi)，即氣象目標(biāo)分布范圍內(nèi)，風(fēng)速呈現(xiàn)反“S”型，符合風(fēng)切變風(fēng)場(chǎng)的特征。

圖10為流體力學(xué)軟件進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)建模時(shí)導(dǎo)出的風(fēng)場(chǎng)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(fēng)場(chǎng)建模參數(shù)。

圖11為三維風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切變雷達(dá)回波仿真結(jié)果。仿真氣象目標(biāo)為半徑4 000 m的圓柱體區(qū)域，飛機(jī)距中心風(fēng)場(chǎng) 8 000 m，從-45°～45°進(jìn)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(dá)回波幅度圖，能夠看出，在氣象目標(biāo)區(qū)域有較強(qiáng)的雷達(dá)回波，且回波強(qiáng)度隨距離的增大而減小；右上圖為利用脈沖對(duì)法估計(jì)得到的徑向速度圖，能夠看出，靠近飛機(jī)一側(cè)半圓區(qū)域徑向速度呈現(xiàn)負(fù)值，表示飛機(jī)逆風(fēng)，遠(yuǎn)離飛機(jī)一側(cè)半圓區(qū)域徑向速度呈現(xiàn)正直，表示飛機(jī)順風(fēng)；下圖是在某一方位上的徑向速度分布曲線(xiàn)，能夠看出，曲線(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的反“S”型，這也與風(fēng)切變的回波特征相符。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用C#軟件搭建了機(jī)載氣象雷達(dá)回波仿真平臺(tái)，對(duì)雷達(dá)回波仿真的過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)了不同飛行模式下利用高保真風(fēng)場(chǎng)建模數(shù)據(jù)的機(jī)載氣象雷達(dá)回波信號(hào)仿真，對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的驗(yàn)證說(shuō)明回波信號(hào)仿真數(shù)據(jù)的正確性，從而為后續(xù)信號(hào)處理提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前所進(jìn)行的仿真是基于二維風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的仿真，而真實(shí)場(chǎng)景中，氣象目標(biāo)場(chǎng)景為三維場(chǎng)景，下一步將對(duì)三維風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

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