機載氣象雷達回波信號仿真系統

吳仁彪，胡鵬舉，盧曉光

（中國民航大學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備。機載氣象雷達的關鍵是信號處理以及數據處理部分，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據處理方法，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。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性，建立相應的統計模型，對于氣象目標仿真模型，不僅要考慮在時間維上的相關性，還應考慮其在空間維上的相關性，因此不能采用簡單的統計模型的方法。

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

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步驟如下：

1）讀取氣象目標建模生成的數據，主要是速度場數據和密度場數據。

2）對載機參數、雷達參數、波束參數、波形參數、場景參數等參數進行初始化。

3）判斷當前波束內的散射點，計算一個波束內的雷達回波。

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?；夭ǖ南辔弧?/p>

分別計算每個散射點的雷達回波，而在整個波束范圍內，雷達所接收到的回波可以表示為波束范圍內所有散射微?；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 系統設計與實現

2.1 系統設計

2.1.1 系統模塊

結合雷達掃描過程，機載氣象雷達回波信號仿真系統采用模塊化設計，這樣既方便系統逐步實現，也方便對系統進行調試。仿真系統做了如下模塊劃分，主要模塊包括數據讀取模塊、飛行模式選擇及雷達參數設置模塊、雷達回波仿真模塊、信號處理模塊及視圖模塊。

1）數據讀取模塊 由于流體力學軟件仿真的風場數據較大，而且作為雷達回波仿真系統，所要讀入的數據種類繁多，因此單獨設計一個數據讀取模塊，完成對所需數據的讀取，并對數據在格式以及類型等方面進行預處理，使得經過數據讀取模塊讀入并預處理后的數據可以直接進行應用。對風場建模得到的密度場數據及速度場數據進行讀取，并對讀取的風場數據進行初步處理。

2）雷達工作模式選擇及參數設置模塊 為了盡可能逼真地仿真雷達回波信號，根據飛機的實際飛行方式以及雷達的實際掃描參數對飛機飛行模式及雷達參數進行設置。依據機載氣象雷達的參數，按照雷達回波仿真的需要對飛行模式進行選擇，然后根據選擇的飛行模式，對載機參數、雷達參數、波束參數、掃描參數等進行合理設置。通過對雷達工作模式的選擇和參數的設置，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，利用流體力學軟件根據NASA提出的TASS模型對風場進行風場建模，對數據在讀取模塊進行讀取，然后設置合理的參數，根據撒點法仿真的原理，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，根據雷達回波信號仿真的流程，進行后臺運行，由于數據量較大，運算時間較長，設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，根據不同數據的雷達回波仿真，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，對掃描結果動態(tài)顯示、對信號處理的結果進行展示，因此設置視圖模塊，更形象地對雷達回波仿真系統全過程進行展示。

2.1.2 系統工作流程圖

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，主要是密度場數據和速度場數據，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、雷達參數等參數進行設置，進行雷達回波仿真。仿真結束后，可以對仿真數據進行數據驗證、數據展示、數據保存及導出等操作。

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

2.2 系統實現

為了更有效地實現機載氣象雷達回波仿真系統，本文使用C#和Matlab聯合編程的方法，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個組件導向的程序語言，同C++與Java一樣亦為對象導向程序語言。Matlab是主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高級語言，在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指而被廣泛應用在數字信號處理領域。運用C#與Matlab聯合編程，能夠充分利用C#友好的界面實現能力以及Matlab強大的數值計算能力。

2.2.1 C#與Matlab聯合編程

要實現C#與Matlab聯合編程，實現C#調用Matlab中的函數，關鍵是解決接口問題。通過將Matlab的M文件編譯成DLL文件，然后在C#中進行調用以實現C#與Matlab的聯合編程。

調用過程流程圖如圖3所示，具體步驟為：

1）在Matlab中編寫函數，如test，調試并保存。

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）添加調用語句，實現對Matlab函數的調用，完成C#與Matlab的聯合編程。

圖3 C#調用Matlab函數流程圖Fig.3 Process of invoking Matlab function by C#

2.2.2 具體實現過程

為使仿真過程更加條理，在C#進行界面設計時采用菜單形式完成，主要有數據讀取菜單、參數設置菜單、雷達回波仿真菜單以及視圖菜單。

1）數據的讀取

設置openfiledialog對話框，通過StreamReader指令完成對指定目錄下風場建模數據的讀取，為了方便后續(xù)計算，這里將讀入的數據進行格式轉換，這里將數據都轉換成Double類型。

2）參數的設置

參數的設置通過Windows窗體進行實現，在窗體中，每一個參數對應一個TextBox，而每個參數均定義為全局變量，不同的飛行模式下對每個參數進行不同的初始化賦值，如若對某個參數進行修改，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#調用Matlab函數進行實現。首先，在Matlab中編寫雷達回波仿真函數，將風場數據及各個參數做為輸入，將雷達回波仿真數據做為輸出，調試并保存；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加入project中進行編譯；最后在C#完成引用及調用過程。這里需注意的是，調用完成后，輸出的參數為MWArray類型，必須進行格式轉換，否則會提示類型轉化錯誤。

4）視圖顯示

視圖顯示過程通過調用Matlab的畫圖函數進行實現。將需要畫圖的函數或數據作為輸入，然后調用畫圖函數進行畫圖，設置圖片不顯示，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取，予以顯示。

3 系統運行結果

啟動機載氣象雷達回波仿真系統后，首先彈出系統登陸界面，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，在左側用treeView控件添加菜單。系統主要包括數據讀取、參數設置、視圖顯示、數據導出這幾個菜單，每個菜單中有相應的子菜單，點擊子菜單彈出相應的系統界面。

圖6為參數設置界面，在參數設置菜單中，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設置界面，在參數界面中，對常用的參數進行了初始化，如果對參數修改，輸入相應的參數值點擊確定即可。

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下降趨勢，而多普勒速度隨距離的變化呈現出反“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，即氣象目標分布范圍內，風速呈現反“S”型，符合風切變風場的特征。

圖10為流體力學軟件進行風場建模時導出的風場建模的網格圖、速度分布圖以及密度分布圖，右側為相應的風場建模參數。

圖11為三維風場風切變雷達回波仿真結果。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??；右上圖為利用脈沖對法估計得到的徑向速度圖，能夠看出，靠近飛機一側半圓區(qū)域徑向速度呈現負值，表示飛機逆風，遠離飛機一側半圓區(qū)域徑向速度呈現正直，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，曲線呈現出明顯的反“S”型，這也與風切變的回波特征相符。

4 結語

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，實現了不同飛行模式下利用高保真風場建模數據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據的正確性，從而為后續(xù)信號處理提供可靠的數據基礎。目前所進行的仿真是基于二維風場數據的仿真，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據進行仿真。

[1]王海彬.基于高頻電磁散射理論的電大復雜目標寬帶雷達回波快速計算方法[J].電子學報，2010，38（3）：561-566.

[2]陳秋菊，莫翠瓊.面向識別的雷達回波仿真技術可信度分析[J].雷達科學與技術，2010，8（1）：54-59.

[3]趙會芳，許家棟，陳 芳.基于相參脈沖串的多普勒雷達回波仿真[J].計算機仿真，2010（1）：17-19.

[4]袁仕繼，高勛章，金光虎.極化SAR直線運動目標建模與雷達回波仿真[J].航天電子對抗，2009（5）：14-17.

[5]賀治華.直升機的雷達回波仿真研究[J].計算機仿真，2008，25（8）：36-39.

[6]李晉生，王欽偉.合成孔徑雷達回波仿真技術研究[J].計算機仿真，2005，22（1）：268-270.

[7]張曉榮，李 勇，李 滔，等.機載前視風切變雷達回波信號的一種仿真方法[J].系統仿真學報，2009，21（22）：7023-7025.

[8]陶 文，李曉波，崔 博.基于C#和Matlab的雷達回波信號仿真軟件的實現[C]//中國通信學會第六屆學術年會論文集（下），2009：112-117.

[9]FAN YI，WU RENBIAO，MENG ZHICHAO，et al.Wind Shear Signal Simulation of the Airborne Weather Radar[C]//2011 IEEE Radar Conference，2011：710-713.