民航機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警的三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)分析

蔡嘉晨

摘 要 激光雷達(dá)在民航機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，在多年的研究與發(fā)展中，激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)也有所發(fā)展，三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的出現(xiàn)，在很大程度上解決了傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)雷達(dá)的弊端，取得了良好的效益。自2016年以來(lái)，已有多部激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在蘭州中川機(jī)場(chǎng)完成試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了豐碩的應(yīng)用成果?；诖?，本文首先對(duì)三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，進(jìn)而提出三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在民航機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá);民航機(jī)場(chǎng);風(fēng)切變;側(cè)風(fēng)

引言

（低空）風(fēng)切變是指600m高度以內(nèi)，風(fēng)矢量沿著垂直或某個(gè)水平的方向變化，具有時(shí)間短、強(qiáng)度大、難預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，這也提高了探測(cè)與預(yù)警難度。風(fēng)切變會(huì)影響飛機(jī)控制難度，所以采取有效的探測(cè)技術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)隱藏危險(xiǎn)，保證飛機(jī)安全。激光技術(shù)不斷發(fā)展，與雷達(dá)技術(shù)結(jié)合形成了激光雷達(dá)，特別是激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的出現(xiàn)，給風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警提供了基礎(chǔ)支撐。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中，具有數(shù)據(jù)獲取率高、時(shí)空分辨率高等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的漏洞。因此，加強(qiáng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的研究有著重要意義。

1 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 系統(tǒng)分析

通過(guò)分析可知，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)主要應(yīng)用了光纖相干光路、脈沖激光相干探測(cè)結(jié)構(gòu)體，光源為窄線寬脈沖激光，可以有效通過(guò)激光探測(cè)到氣溶膠散射回波信號(hào)多普勒頻移信息，從而測(cè)量徑向風(fēng)矢量測(cè)量。系統(tǒng)中的光機(jī)掃描伺服結(jié)構(gòu)可以對(duì)指定空域展開(kāi)全覆蓋測(cè)量，我國(guó)民航機(jī)場(chǎng)多數(shù)都是采用多片光學(xué)反射鏡結(jié)構(gòu)，具有光路復(fù)雜、光機(jī)配合難、光學(xué)效率較低等問(wèn)題，而激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用了二軸光電掃描球技術(shù)，包括電子艙、光學(xué)艙、二軸掃描伺服機(jī)構(gòu)。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代，美國(guó)專家就開(kāi)展了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)切變探測(cè)研究工作，并在2002年推出了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)WindTrace。近些年隨著光纖技術(shù)不斷發(fā)展，借助光纖激光器為核心的雷達(dá)成為研究主流，最具代表性的就是法國(guó)Leosphere公司推出的WindCubeS400-AT系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)3海里區(qū)域風(fēng)場(chǎng)危險(xiǎn)警告，在法國(guó)多個(gè)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)的對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的研究也持續(xù)了十多年，取得了一定成就，但機(jī)場(chǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)化經(jīng)營(yíng)還處于初期階段，整體應(yīng)用情況還不夠成熟，這就需要進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警研究，不斷完善三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)，保證民航飛機(jī)的安全。

2 三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警的應(yīng)用模式

由于風(fēng)切變會(huì)直接影響飛機(jī)的起降，在降落階段速度逐漸減少，極大地提高了危險(xiǎn)性，所以在飛機(jī)降落過(guò)程中必須要保障氣象條件。所以要全面考量實(shí)際地形條件、氣候條件、業(yè)務(wù)保障，合理選擇激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)安裝部位。飛機(jī)起降要重點(diǎn)觀察機(jī)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)分布情況、下滑道仰頭風(fēng)向、測(cè)風(fēng)以及各類風(fēng)切變識(shí)別等。結(jié)合以上需求，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的主要工作模式有以下兩種：

2.1 風(fēng)廓線探測(cè)模式

該模式是指激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)發(fā)射多波束雷達(dá)波（錐形分布），實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)上空掃描，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)反演高層度數(shù)據(jù)信息得到不同高度風(fēng)場(chǎng)輪廓信息，根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算水平風(fēng)垂直切變、氣流切變等，這也是激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)最常見(jiàn)的工作模式。其機(jī)理是通過(guò)上空風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。還可以將風(fēng)廓線探測(cè)模式細(xì)分為DBS、VAD反演等[1]。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)高度層水平風(fēng)垂直切變值計(jì)算出水平風(fēng)垂直切變因子，切變因子的增加預(yù)示飛機(jī)會(huì)遇到非常強(qiáng)的顛簸情況。還可以借助上下層垂直氣流變化計(jì)算出垂直氣流切變因子，如果該數(shù)據(jù)出現(xiàn)較強(qiáng)波動(dòng)，則表示機(jī)場(chǎng)上空很有可能有強(qiáng)烈下沖、上洗起落，會(huì)直接影響飛機(jī)起降安全，此時(shí)就要將進(jìn)近過(guò)程終止。

2.2 掃描探測(cè)模式

大氣環(huán)境構(gòu)成十分復(fù)雜，受到環(huán)境影響會(huì)導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)上空風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)變化，而激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的核心功能之一就是探測(cè)與預(yù)警風(fēng)場(chǎng)變化，特別是快速識(shí)別起降通道風(fēng)場(chǎng)變化，可以及時(shí)得出側(cè)風(fēng)、迎頭風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。整體上，掃描探測(cè)模式可以分為水平風(fēng)場(chǎng)掃描和下滑道掃描。

（1）水平風(fēng)場(chǎng)探測(cè)

通常情況下采用PPI探測(cè)模式，也就是雷達(dá)采用固定角度對(duì)上空進(jìn)行掃描探測(cè)，根據(jù)方位角變化計(jì)算出平面風(fēng)矢量分布圖，主要是根據(jù)波束徑向速度計(jì)算風(fēng)切變和風(fēng)場(chǎng)反演，這樣即可實(shí)現(xiàn)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的探測(cè)與預(yù)警功能?，F(xiàn)行的PPI可以實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角掃描，掃描間隔為1～3min/幀，實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變探測(cè)。在起降通道風(fēng)切變檢測(cè)過(guò)程中，顯示器上通常是以跑道盡頭作為起點(diǎn)，沿著3海里延長(zhǎng)線按照1海里的長(zhǎng)度劃分，結(jié)合每個(gè)網(wǎng)格徑向風(fēng)矢量計(jì)算風(fēng)切變因子，如果實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)了預(yù)定數(shù)值，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信息。可見(jiàn)，PPI可以直接掌控風(fēng)切變、風(fēng)場(chǎng)演變狀況，但分級(jí)起降通道風(fēng)切變檢測(cè)還要采用下滑道掃描模式。

（2）下滑道風(fēng)場(chǎng)探測(cè)

在采用下滑道風(fēng)場(chǎng)模式中，對(duì)虛擬滑道附近采集數(shù)據(jù)信息從而得出側(cè)風(fēng)、迎頭風(fēng)，因此要求數(shù)據(jù)采集、更新頻率更快（相比PPI）。在風(fēng)場(chǎng)變化頻率較大時(shí)，特別是在飛機(jī)下滑道觸點(diǎn)較短時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用下滑道風(fēng)場(chǎng)檢測(cè)方案效果更好[2]。

側(cè)風(fēng)、迎頭風(fēng)的波動(dòng)會(huì)威脅到飛機(jī)安全，為了能夠同時(shí)測(cè)量，盡可能靠近跑道觸點(diǎn)安裝激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)下滑道掃描功能。每個(gè)高空層選擇一個(gè)中波束（中波束為跑道中心線平行的波束），通過(guò)多層掃描，將激光束方位、俯仰角固定在一定范圍內(nèi)，空間上形成一個(gè)錐體。俯仰角在2.5～3.5°之間，步長(zhǎng)0.5°;方位角在0～30°之間，根據(jù)波束量確定步長(zhǎng)，方位范圍包含了多條徑向數(shù)據(jù)相互重構(gòu)反演迎頭風(fēng)、側(cè)風(fēng)。根據(jù)下滑道、垂直方向分解波束進(jìn)行矢量風(fēng)場(chǎng)分解，將所采集的數(shù)據(jù)上傳到控制中心進(jìn)行處理、變化，得出側(cè)風(fēng)、迎頭風(fēng)數(shù)據(jù)，之后將安全觸點(diǎn)進(jìn)行段落劃分，根據(jù)ICAO計(jì)算側(cè)風(fēng)、迎頭風(fēng)的風(fēng)切變因子，如果超出預(yù)設(shè)數(shù)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)可以對(duì)機(jī)場(chǎng)上空展開(kāi)三維監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)上方大氣流暢的探測(cè)與預(yù)警功能，借助風(fēng)廓線探測(cè)、下滑道探測(cè)等方案，即可得出機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變數(shù)據(jù)信息，并且可以實(shí)時(shí)更新采集數(shù)據(jù)，一旦采集數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)即可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，從而保證飛機(jī)起降安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 范琪，陳永雄，劉志平.應(yīng)用于民航機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變探測(cè)與預(yù)警的三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)[J].光子學(xué)報(bào)，2019，48（5）：555-556.

[2] 王青梅，郭利樂(lè).激光雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變探測(cè)中的應(yīng)用[J].激光與紅外，2012，42（12）：100-101.