淺析艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

梁曉峰，張振華

(海軍裝備部，成都 610100)

引 言

海洋占地球面積70% 以上，作為孕育人類生命的搖籃，蘊(yùn)藏著無(wú)盡的資源和秘密，大洋深處曾經(jīng)是人類的禁區(qū)，如今卻越來(lái)越成為人類的希望，也越來(lái)越成為世界各國(guó)爭(zhēng)奪的目標(biāo)。作為國(guó)家領(lǐng)海及海洋戰(zhàn)略發(fā)展的守護(hù)與保衛(wèi)者，海軍艦船的作戰(zhàn)能力及航行安全保障是一項(xiàng)重要的工作。隨著遼寧艦、山東艦等的服役，未來(lái)我國(guó)海軍艦載飛行器會(huì)越來(lái)越多，海軍對(duì)艦船氣象保障的要求也會(huì)越來(lái)越高。

海洋大氣水文綜合環(huán)境信息包括風(fēng)、氣溫、濕度、氣壓、水文、流水、海鹽等多要素，其中海面中低空大氣風(fēng)場(chǎng)具有復(fù)雜性，存在急流、風(fēng)切變、湍流、下?lián)舯┝鞯韧{航空器飛行安全的氣象因素。此外，艦船在海洋航行時(shí)，由于艦船上層建筑及龐大軀身所引的起大氣流場(chǎng)改變，導(dǎo)致艦面及艦船艉部等的大氣風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)各種尺度及形狀的亂流，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的風(fēng)切變，對(duì)艦載飛行器的起降安全將產(chǎn)生直接的威脅。在航空氣象學(xué)中，600m以下空氣層中風(fēng)向和風(fēng)速突然改變的情況稱為低空風(fēng)切變，低空風(fēng)切變由于發(fā)生突然、時(shí)間短、尺度小、強(qiáng)度大，當(dāng)質(zhì)量和慣性都較大的飛機(jī)遇到低空風(fēng)切變時(shí)，由于飛行高度太低，缺乏足夠的空間與實(shí)踐進(jìn)行機(jī)動(dòng)而發(fā)生事故。因此,低空風(fēng)切變是航空界公認(rèn)的飛機(jī)在起飛和著陸階段的“殺手”[1-3]。

相對(duì)于地面固定機(jī)場(chǎng)環(huán)境，艦船起降場(chǎng)地很小，且存在多自由度的運(yùn)動(dòng)，艦船周邊產(chǎn)生的風(fēng)切變對(duì)飛行器起降安全影響更為劇烈。據(jù)相關(guān)資料顯示，在海面航行的艦船，大氣紊流情況比較復(fù)雜，如航行中艦首處出現(xiàn)上洗氣流、在艦尾處出現(xiàn)公雞尾狀氣流，以及在艦船上層建筑后因陡壁效應(yīng)在甲板上方產(chǎn)生復(fù)雜的紊流等，且這些亂流隨航向、航速及環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的變化而復(fù)雜變化，形成的風(fēng)切變對(duì)離艦進(jìn)艦的飛行器將產(chǎn)生不利影響，并增加發(fā)生航向偏離、姿態(tài)失控等的概率；此外，艦船上起降距離及面積小，艦船受風(fēng)浪影響會(huì)有6個(gè)自由度的搖晃，特別是高海況下甲板起伏高度差可達(dá)數(shù)米以上，上述惡劣環(huán)境對(duì)起降安全影響極大，因此在艦船上航空器的起降被稱為在“刀尖上跳舞”的行為。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在艦船上起降，直升機(jī)飛行員遇到生命危險(xiǎn)的概率約為宇航員的5倍，約為噴氣轟炸機(jī)飛行員的10倍，約為民航飛行員的54倍[4]。因此，為保證艦船飛行器的安全，對(duì)艦船周邊尤其是起降艦面及艦艉的空氣流場(chǎng)特性進(jìn)行高精度測(cè)量，據(jù)此指導(dǎo)飛行器的起降作業(yè)，對(duì)于艦船保障飛行安全和提升作戰(zhàn)能力等，都具有重要的意義[5]。

針對(duì)艦船艦面大氣流場(chǎng)的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外采用了多種辦法，包括理論建模仿真、風(fēng)洞、艦面拉煙、測(cè)風(fēng)桿(陣)測(cè)量等[6-7]。但由于海洋大氣環(huán)境的不確定性，以及艦船運(yùn)動(dòng)形態(tài)的多樣性，上述方式獲得的艦面及艦艉的大氣流場(chǎng)信息雖然能對(duì)艦船航空飛行器飛行安全包線的確定能起到一定程度的指導(dǎo)作用，但難以對(duì)多種海況下的復(fù)雜流暢進(jìn)行有效描繪，因此，在線對(duì)艦船周邊大氣流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，為航空器起降提供精準(zhǔn)的流場(chǎng)信息，是艦船航空氣象保障的重要任務(wù)[8]。

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)是現(xiàn)代激光光電技術(shù)與傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)手段，能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取大氣3維風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，具有測(cè)量時(shí)空分辨率高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的實(shí)時(shí)精細(xì)測(cè)量，是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)切變、湍流和飛行器漩渦流等大氣流場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警的最為有效手段，近10年來(lái)已經(jīng)在民航、氣象、環(huán)保等多領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用，技術(shù)逐步成熟[9]。將激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)應(yīng)用到艦船上，有效獲取艦船周邊大氣流場(chǎng)高時(shí)空分辨信息，是提升艦船航空飛行器在高海況條件下的安全起降保障能力的重要手段,具有重要應(yīng)用需求與潛力。

1 艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的原理及技術(shù)

自20世紀(jì)70年代科學(xué)家采用光學(xué)多普勒技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度測(cè)量以來(lái)，基于該技術(shù)衍生出的激光測(cè)風(fēng)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。大氣中氣體分子、氣溶膠等示蹤物的群速度反映了大氣風(fēng)速，雷達(dá)向空中發(fā)射激光波束，沿光束傳播途徑上的示蹤物會(huì)對(duì)激光波束產(chǎn)生米氏散射效應(yīng)，并在散射回波信號(hào)中疊加運(yùn)動(dòng)多普勒頻移。由于激光視線方向的粒子運(yùn)動(dòng)速度與該多普勒頻移存在著固定關(guān)系：Δf=±2v/λ(其中Δf為多普勒頻移，v為粒子沿光束方向的徑向速度，λ為激光波長(zhǎng))。因此，雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的鑒頻處理與計(jì)算，并結(jié)合多波束光機(jī)掃描及風(fēng)場(chǎng)反演，可實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場(chǎng)分布測(cè)量[2]。測(cè)量原理如圖1所示[2]。

圖1 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)量原理

根據(jù)鑒頻方式的不同，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)主要分為相干探測(cè)和直接探測(cè)兩類探測(cè)體制，兩者均采用激光多普勒原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)沿激光束方向的徑向風(fēng)速度矢量的測(cè)量，并通過(guò)系統(tǒng)在空間多種形態(tài)的波束掃描，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)場(chǎng)分布的測(cè)量與描繪。兩者最大差別在于獲得徑向風(fēng)速度矢量方式的不同，也即對(duì)多普勒頻移的鑒頻方式的不同。

其中直探技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)大氣散射回波信號(hào)強(qiáng)度的接收，并通過(guò)窄帶光學(xué)鑒頻器的鑒頻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多普勒頻移的檢測(cè)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是大氣分子和氣溶膠顆粒均可為雷達(dá)測(cè)量的示蹤物，系統(tǒng)可用在高層大氣及氣溶膠濃度少地區(qū)的大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量；但主要缺點(diǎn)是探測(cè)靈敏度及精度較低，波束測(cè)量時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性差，多采用短波(波長(zhǎng)1μm及以下)激光器為光源,導(dǎo)致系統(tǒng)的人眼安全性差且系統(tǒng)易受背景光的干擾[10]，目前未見到有工程型號(hào)產(chǎn)品。另外，近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開展了采用了量子轉(zhuǎn)換技術(shù)和單光子探測(cè)技術(shù)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)研制，該技術(shù)是以氣溶膠為示蹤物，在系統(tǒng)中采用了量子頻率上轉(zhuǎn)換及單光子探測(cè)技術(shù)，可以有效提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度；此外系統(tǒng)中采用人眼安全的光纖激光器做發(fā)射光源，可以在一定程度上降低直探式雷達(dá)的體積重量，在技術(shù)上具有一定的創(chuàng)新性[11-12]。

相干探測(cè)技術(shù)主要是采用對(duì)散射回波的光學(xué)相干拍頻及信號(hào)數(shù)字鑒頻等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)散射回波信號(hào)多普勒頻率的檢測(cè)，主要優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、測(cè)量精度高、波束測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量精度受環(huán)境影響小，系統(tǒng)體積重量小，可靠性高，多采用人眼安全的激光源，目前在多種平臺(tái)上已經(jīng)有較多的工程型號(hào)應(yīng)用。由于采用相干體制的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)工作示蹤物為氣溶膠顆粒，氣溶膠濃度的變化對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的性能有一定影響，在氣溶膠濃度低的場(chǎng)合工作性能將會(huì)受限。

大氣氣溶膠是由大氣介質(zhì)和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系，尺度一般介于0.001μm～100μm之間，主要集中在2km邊界層高度范圍以內(nèi)，且密度隨高度大致成指數(shù)衰減，形成原因分為自然源及人為源，其尺度、濃度、成分及譜分布等隨季節(jié)氣候、地理及氣象環(huán)境等的變化而變化，對(duì)大氣活動(dòng)影響較大[13]；持續(xù)降水過(guò)程對(duì)氣溶膠產(chǎn)生濕沉降作用，也將導(dǎo)致大氣中氣溶膠濃度的顯著降低；此外，大氣中的云層遮擋、濃霧等環(huán)境，還將對(duì)激光產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收，導(dǎo)致激光的穿透能力降低。上述因素都將對(duì)激光雷達(dá)性能產(chǎn)生影響。

對(duì)于在海洋中應(yīng)用的艦船相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，主要示蹤物為海洋氣溶膠，該種氣溶膠的來(lái)源多樣，其中在近海區(qū)域主要成分包括由陸地輸送的各種氣溶膠，以及海洋活動(dòng)生成的海鹽氣溶膠；而在遠(yuǎn)海區(qū)域，氣溶膠的主要成分是海水泡沫破裂飛濺物隨風(fēng)形成的海鹽氣溶膠，并會(huì)隨風(fēng)在邊界層形成一定的濃度分布，氣溶膠的散布速度及高度與風(fēng)呈一定的正相關(guān)[13]。國(guó)內(nèi)相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)隨船的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，降水會(huì)對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的測(cè)程產(chǎn)生較大的影響。但在連續(xù)長(zhǎng)期降水結(jié)束后的晴天下隨著時(shí)間增加氣溶膠濃度提高，雷達(dá)的性能也會(huì)逐步恢復(fù)，在近海的恢復(fù)時(shí)間較快，在數(shù)小時(shí)時(shí)間尺度；而在遠(yuǎn)海雨后小風(fēng)或靜風(fēng)情況下，雷達(dá)的恢復(fù)期需要約幾天甚至更長(zhǎng)；但在風(fēng)速較大(4級(jí)以上)的情況下，隨風(fēng)刮起的海水泡沫破裂飛濺物形成的氣溶膠濃度較高，尤其是高海況下，雷達(dá)恢復(fù)期與近海及陸地相似。因此，采用相干體制的艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，實(shí)際中可滿足遠(yuǎn)、近海一定海況及天氣環(huán)境下的航行及航空氣象保障應(yīng)用需求。

相干探測(cè)體制的激光雷達(dá)有連續(xù)相干和脈沖相干兩種技術(shù)途徑，其中連續(xù)相干是采用光學(xué)天線將激光束調(diào)制并聚焦到待測(cè)區(qū)域，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的相干混頻及數(shù)字鑒頻處理，來(lái)得到該測(cè)量點(diǎn)的徑向風(fēng)速度矢量。連續(xù)相干體制非常適合近距離的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，具有盲區(qū)小(數(shù)米)、距離分辨率高、單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，但該體制只適合近程測(cè)量，且由于存在光束聚焦的行為，在人員密集區(qū)域需要考慮安全性問(wèn)題。對(duì)于脈沖相干工作方式的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)程范圍內(nèi)各距離門風(fēng)矢量的一次性測(cè)量，是目前的技術(shù)主流。但由于受發(fā)射的激光脈沖寬度、以及雷達(dá)回波中頻信號(hào)頻譜信息處理等的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)較大的測(cè)量盲區(qū)(一般為30m～50m)，空間物理分辨率也較大(如不小于30m)[14-15]。

鑒于海洋及艦船應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，以及航空保障的特殊性要求，目前艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)多采用相干探測(cè)體制，主要以海鹽氣溶膠為示蹤物，以人眼安全的1.5μm波段(激光波長(zhǎng)需考慮水汽吸收及氣溶膠特性)光纖激光器為照射光源，采用小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)自帶光束掃描及伺服穩(wěn)定控制能力，接收載艦的導(dǎo)航信息，可實(shí)現(xiàn)在艦船移動(dòng)平臺(tái)下的波束自穩(wěn)定及測(cè)量修正，并同多模式波束掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船上空及周邊可視范圍內(nèi)的大氣風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)分布的快速測(cè)量[16-17]。圖2為激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)基本工作原理圖[3]。

圖2 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)基本工作原理圖

圖2中，種子激光器輸出的線偏振激光由分束器一分為二，一路作為本振信號(hào)光，另一路經(jīng)聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM)后成為高重頻的激光脈沖，注入到脈沖光纖放大器(erbium doped fiber amplifiers，EDFA)中進(jìn)行功率放大，放大的激光脈沖經(jīng)光學(xué)環(huán)行器后，由光學(xué)收發(fā)天線及雙軸掃描系統(tǒng)后發(fā)射進(jìn)入空中。激光束在前進(jìn)過(guò)程中與大氣氣溶膠顆粒相互作用，米氏散射后向回波信號(hào)沿原路返回，由接收天線收集后，再經(jīng)過(guò)光學(xué)環(huán)行器耦合進(jìn)入相干光纖光學(xué)系統(tǒng)，與本振光進(jìn)行相干混頻。相干混頻光由平衡光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及檢波放大，中頻信號(hào)送入信號(hào)采集及處理系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理操作，最后計(jì)算出該指向波束各距離門的徑向風(fēng)速度、譜寬、信噪比等參量。雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)通過(guò)雙軸掃描進(jìn)行配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)指向空域范圍多角度波束掃描，同時(shí)通過(guò)對(duì)各風(fēng)矢量在空間上的分解與合成處理分析等方法[18]，最終可反演獲得指定區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)信息。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，獲得風(fēng)切變等二次大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

從20世紀(jì)60年代起,國(guó)際上便開始采用光學(xué)手段通過(guò)多普勒頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體速度測(cè)量，并隨后逐步開始了采用激光對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的技術(shù)研究工作。1970～1990年代的激光雷達(dá)采用CO2氣體激光器作為光源，在地基、車載、機(jī)載等場(chǎng)合有較多應(yīng)用研究，但因系統(tǒng)體積大、維護(hù)體驗(yàn)差，導(dǎo)致應(yīng)用效果較差。從20世紀(jì)90年代開始，隨著固體激光器技術(shù)發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)逐步得到較大發(fā)展。在90年代后期，美國(guó)相干技術(shù)公司(Coherent Technologies Inc,CTI)(現(xiàn)被洛克希德·馬丁公司收購(gòu))的Wind Tracer相干多普勒3維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)已經(jīng)在美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、聯(lián)邦航空局(Federal Aeronautics Administration, FAA)等多個(gè)部門服務(wù)。2002年,Wind Tracer應(yīng)用于香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)，并于2005年正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用(見圖3)。這是世界上第1部應(yīng)用在民用機(jī)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)切變探測(cè)和自動(dòng)預(yù)警的多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)[19]。該系統(tǒng)采用脈沖式相干2μm紅外固態(tài)激光器為照射光源，并通過(guò)香港天文臺(tái)自主研發(fā)的飛機(jī)下滑道掃描風(fēng)切變探測(cè)運(yùn)算程序和徑向風(fēng)切變探測(cè)運(yùn)算程序，實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變自動(dòng)探測(cè)和預(yù)警[20]。后期美國(guó)丹佛機(jī)場(chǎng)、拉斯維加斯機(jī)場(chǎng)、英國(guó)希思羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)、日本成田國(guó)際機(jī)場(chǎng)、法國(guó)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)以及意大利Palermo機(jī)場(chǎng)等許多大型機(jī)場(chǎng)都逐步引入3維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行低空風(fēng)切變的預(yù)警。應(yīng)用數(shù)據(jù)表明：其對(duì)風(fēng)切變探測(cè)捕捉率均達(dá)90%以上，有力地保障了航空安全。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)由于其高分辨率、不受地物雜波干擾、不干擾正常導(dǎo)航系統(tǒng)，可探測(cè)晴空條件下的危險(xiǎn)天氣等較傳統(tǒng)氣象雷達(dá)的優(yōu)越性，在機(jī)場(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 Wind Tracer激光雷達(dá)

使用2μm固體激光器的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在進(jìn)一步降低體積重量方面仍存在較多困難，近年來(lái)，美國(guó)等也陸續(xù)開發(fā)了采用1.6μm波段激光器的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)來(lái)逐漸取代2μm的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，可以適當(dāng)減小系統(tǒng)的體積重量，但在系統(tǒng)小型化方面，仍存在一定困難。近10年來(lái)，隨著光纖激光器技術(shù)的迅速發(fā)展，由于采用1.5μm波段光纖激光器的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在系統(tǒng)體積重量、功耗及可靠性等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，此外該波段在通信領(lǐng)域的成熟性，使得采用光纖激光器的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)得到迅速推廣應(yīng)用，并逐漸走向成熟。

法國(guó)Leosphere公司從2004年開始，開發(fā)出了一系列WindCube激光測(cè)風(fēng)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)品，近年來(lái)又開發(fā)出3維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系列(S100/S200/S400)。系統(tǒng)采用1.54μm的人眼安全窄線寬脈沖光纖激光器，采用2維掃描機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上半球空域的覆蓋測(cè)量[21](見圖4)。

圖4 法國(guó)WindCube S400激光雷達(dá)

日本三菱公司2005年研制出可單人攜帶的小型全光纖脈沖測(cè)風(fēng)雷達(dá)，后繼續(xù)開展了遠(yuǎn)程激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)研究，并研制出遠(yuǎn)程3維掃描激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)具有風(fēng)廓線、平面位置指示(plan position indicator, PPI)、距離高度指示(range height indicator, RHI)等多種掃描，目前在民航系統(tǒng)上有較大的市場(chǎng)前景[2-3]。

針對(duì)海洋及船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)應(yīng)用，從21世紀(jì)初開始，英、美、法等國(guó)陸續(xù)開展了海上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)研究，早期做法是將陸基激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)作為一個(gè)整體安裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)伺服穩(wěn)定平臺(tái)上，并通過(guò)組合慣導(dǎo)獲取船舶的航向等信息并進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)校正。美國(guó)國(guó)家海洋及大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)于2004年采用2μm激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在海上與多種探測(cè)設(shè)備進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，將激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與探空氣球、雷達(dá)風(fēng)廓線、聲達(dá)等進(jìn)行綜合比對(duì)[22](見圖5)。WOLFE等人對(duì)在海上應(yīng)用具備運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行海上風(fēng)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)與分析，結(jié)果表明,激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通過(guò)對(duì)船體的姿態(tài)補(bǔ)償，激光雷達(dá)的測(cè)量精度及測(cè)量實(shí)時(shí)性等性能能夠得到有效保證，且激光雷達(dá)能對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的低空測(cè)量區(qū)域進(jìn)行有效補(bǔ)充[22]。

圖5 NOAA船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)比對(duì)試驗(yàn)

此外，HILL等人在2005年及2008年采用慣性導(dǎo)航儀對(duì)相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了姿態(tài)修正和速度修正[23-24]。ACHTERT等人在開闊海域大風(fēng)速下采用姿態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為1.2m/s,風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差為10°[25]。2010年左右,德國(guó)Fraunhofer風(fēng)能系統(tǒng)技術(shù)研究所(Institute of Wind Energy Systems, IWES)將WincubeV2激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)裝于船上，與其它測(cè)風(fēng)系統(tǒng)一起進(jìn)行了長(zhǎng)期海上測(cè)風(fēng)試驗(yàn)，能有效獲取400m以下風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)[26](見圖6)。日本三菱公司也于2012年前后將3維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在海上進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，對(duì)1550nm激光測(cè)雷達(dá)在海洋環(huán)境下性能進(jìn)行了研究。

圖6 IWES激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)船載試驗(yàn)

在軍用領(lǐng)域，美國(guó)海軍希望用相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)來(lái)替代傳統(tǒng)的甲板測(cè)風(fēng)儀，以了解飛行甲板上空、艦載機(jī)起降路徑等更廣闊區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)情況，從而對(duì)風(fēng)切變、亂流、微下?lián)舯┝鞯扔泻︼L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。美國(guó)國(guó)防部2007年報(bào)道了CTI公司W(wǎng)ind Tracer相干3維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)在美海軍航母上進(jìn)行應(yīng)用，但報(bào)道中并未提及應(yīng)用細(xì)節(jié)。同時(shí)，美國(guó)海軍還將推廣Wind Tracer系統(tǒng)到中小型水平艦艇上，為直升機(jī)和無(wú)人機(jī)的起降提供保障。

國(guó)內(nèi)關(guān)于船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的報(bào)道較少，中國(guó)海洋大學(xué)的WU團(tuán)隊(duì)在2014 年在“東方紅2”科考船采用相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行了海上測(cè)風(fēng)試驗(yàn)，并與無(wú)線電探空儀的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，二者具有較好的一致性[16]。西南技術(shù)物理研究所在2015年研制出具備艦船運(yùn)動(dòng)環(huán)境下實(shí)時(shí)姿態(tài)和速度修正能力的船載小型3維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)樣機(jī)，能進(jìn)行風(fēng)廓線、PPI、RHI等多種風(fēng)場(chǎng)掃描，以及風(fēng)切變告警等能力;2016年至今，多款改進(jìn)型的實(shí)用化雷達(dá)先后多次隨“向陽(yáng)紅”、“遠(yuǎn)望”、“海調(diào)”等艦船在中國(guó)各大東海、南海、太平洋、印度洋等海域進(jìn)行長(zhǎng)期的海上應(yīng)用驗(yàn)證，航程超過(guò)十萬(wàn)海里;期間與其它多種探空手段進(jìn)行了比較，并對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在不同海域多種海況下的環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)量威力、功能性能等進(jìn)行了充分驗(yàn)證(見圖7)。

圖7 西南技術(shù)物理研究所研制的國(guó)產(chǎn)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)及遠(yuǎn)洋試驗(yàn)

3 艦船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)典型工作模式及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工作模式

艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，主要用于艦船航行中對(duì)艦船周邊大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量，以及艦面或特定區(qū)域位置的大氣流場(chǎng)分布的測(cè)量，為艦船航行及航空飛行器的安全起降提供重要的氣象保障[19]。該雷達(dá)具有二軸伺服穩(wěn)定控制能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船縱橫搖及運(yùn)動(dòng)的隔離，具有多普勒波束擺動(dòng)(Doppler beam swing,DBS)、速度方位掃描(velocity azimuth display,VAD)、PPI、RHI、等高平面位置指示(constant altitude plan position indicator,CAPPI)等多種掃描策略，可在艦船運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)上半球空域的波束掃描覆蓋，系統(tǒng)通過(guò)組合測(cè)量及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的融合計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船上空或艦面指定位置的風(fēng)場(chǎng)廓線分布、周邊的近水平風(fēng)場(chǎng)分布、近場(chǎng)艦面3維流場(chǎng)分布、艦船尾部區(qū)域下滑道迎頭和側(cè)風(fēng)及相應(yīng)的風(fēng)切變等多種信息的快速獲取。

艦載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用脈沖相干體制，工作時(shí)存在盲區(qū)與分辨率的限制，且盲區(qū)與分辨率同艦船的尺度一般具有可比性。而雷達(dá)在艦船上的安裝位置有限，視界受艦船上層建筑的影響較大，因此，需要根據(jù)雷達(dá)在艦船上應(yīng)用的主要保障目的，來(lái)對(duì)雷達(dá)在艦船上的安裝位置、配置方式及工作模式等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

雷達(dá)的多種工作模式中，風(fēng)廓線探測(cè)為常用的一種工作模式，雷達(dá)主要采用DBS、VAD等掃描策略，用于對(duì)艦船頂空區(qū)域，或艦船指定位置處從近甲板面到中低空大氣風(fēng)場(chǎng)廓線的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣流場(chǎng)波動(dòng)特征情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)其進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析可對(duì)艦船所處環(huán)境的急流、亂流、下?lián)舯┝鳌⒋怪憋L(fēng)切變等危害性天氣進(jìn)行預(yù)警。

PPI和RHI掃描是指雷達(dá)以某個(gè)固定仰角或固定方位角進(jìn)行圓周或俯仰掃描探測(cè)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括徑向速度、譜寬、水平風(fēng)場(chǎng)信息、流場(chǎng)垂直分布信息等?？赏ㄟ^(guò)產(chǎn)品來(lái)分析艦船周邊及上空對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)水平及內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)分布特征，是實(shí)際航空氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用非常廣泛的產(chǎn)品。

下滑道掃描是雷達(dá)依據(jù)起飛/著陸仰角，對(duì)起降通道附近進(jìn)行波束集中快速錐形擺動(dòng)掃描，在掃描過(guò)程中雷達(dá)的俯仰角和方位角同時(shí)變化。該掃描主要用于對(duì)起降軌跡沿線氣流分布特征進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)相對(duì)飛機(jī)的迎頭風(fēng)與側(cè)風(fēng)分量進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)，可快速識(shí)別是否有風(fēng)切變等危害性信息。

3.2 艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 艦船環(huán)境高時(shí)空及高精度風(fēng)場(chǎng)測(cè)量技術(shù) 艦船上層建筑對(duì)艦面上大氣流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，在高海況下艦面及艦尾大氣流場(chǎng)異?；靵y。由于艦面尺度較小，在很小空間尺度上大氣流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的變化，且這種變化會(huì)隨艦船移動(dòng)及海面風(fēng)場(chǎng)的變化而變化。因此，需要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)光路、部件工作參量、信息處理方式及應(yīng)用模式等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以盡量降低測(cè)量盲區(qū)、提高空間分辨率，并縮短單波束測(cè)量時(shí)間等。此外由于艦體在行駛過(guò)程中還存在航行方向、移動(dòng)速度及姿態(tài)和垂蕩等的不斷變化，導(dǎo)致風(fēng)向風(fēng)速基準(zhǔn)不斷變化。雷達(dá)需要根據(jù)綜合導(dǎo)航信息，對(duì)單波束測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，并針對(duì)雷達(dá)的工作模式不同，對(duì)風(fēng)場(chǎng)的掃描方式及路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果進(jìn)行修正及質(zhì)量控制，以提高測(cè)量精度。

3.2.2 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的工程化設(shè)計(jì)技術(shù) 海洋環(huán)境與陸地環(huán)境有較大的差別，在系統(tǒng)小型化、雷達(dá)在海洋及艦船工作環(huán)境，尤其是高溫、強(qiáng)沖擊、電磁環(huán)境及系統(tǒng)工程可靠性要求等方面，相比于陸基環(huán)境都有很大的提高。因此，需要重點(diǎn)針對(duì)應(yīng)用需求，從雷達(dá)的結(jié)構(gòu)形式、海洋環(huán)境雷達(dá)探測(cè)有效性、雷達(dá)安裝位置、工作模式、艦船工作環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行綜合考慮，并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件與基礎(chǔ)，確定并優(yōu)化系統(tǒng)的總體技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案。

3.2.3 艦船環(huán)境運(yùn)動(dòng)適配性及應(yīng)用技術(shù) 由于艦船隨海浪存在6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，且大氣流場(chǎng)的“體目標(biāo)”特性，導(dǎo)致激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在運(yùn)動(dòng)環(huán)境易產(chǎn)生“暈船”。需要重點(diǎn)對(duì)艦船-雷達(dá)運(yùn)動(dòng)適配性及應(yīng)用模式，依據(jù)雷達(dá)的工作環(huán)境，建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)與控制模型，并提供相應(yīng)的軟硬件支撐，保證雷達(dá)在高海況下的正常工作。

4 艦船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

海洋環(huán)境遠(yuǎn)比陸地環(huán)境復(fù)雜，由于艦船環(huán)境及應(yīng)用需求的特殊性，艦船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在安裝及使用中會(huì)受到多種因素的制約，一般的地基激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)難以在艦船上直接投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。隨著激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，以及未來(lái)各型艦船中航空器的上艦應(yīng)用需求的逐步提升，艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)將逐步朝如下幾個(gè)方向發(fā)展。

4.1 低盲區(qū)、高時(shí)空分辨、高精度測(cè)量技術(shù)

低盲區(qū)、近程高時(shí)空分辨及高精度測(cè)量能力是艦船激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的未來(lái)需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)艦面狹小空域大氣流場(chǎng)的高精度快速3維測(cè)量。需要從雷達(dá)的工作體制、信息處理方式、3維風(fēng)場(chǎng)重構(gòu)算法技術(shù)及雷達(dá)應(yīng)用模式等方面進(jìn)行攻關(guān)。

4.2 雷達(dá)小型多功能集成技術(shù)

隨著激光技術(shù)中新型材料及工藝技術(shù)等的發(fā)展，激光器、相關(guān)光電元器件及處理芯片等的性能逐步提升，并逐步朝小型模塊及波導(dǎo)集成化等方向發(fā)展；將直接推動(dòng)激光雷達(dá)核心光電部件的小型化。未來(lái)雷達(dá)的體積、重量、功耗等將有較大的降低，形成傳感器的小型模塊化。

4.3 多模式、多要素多功能及智能化技術(shù)

由于艦船環(huán)境大氣風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜性，要求激光雷達(dá)具有多模式功能能力；同時(shí)未來(lái)雷達(dá)技術(shù)研究中還應(yīng)該通過(guò)模式集成、底層數(shù)據(jù)挖掘及算法等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)艦船環(huán)境多氣象水文要素的測(cè)量；并可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境及艦船信息的變化，自動(dòng)調(diào)整工作參量、模式及數(shù)據(jù)產(chǎn)品內(nèi)容等，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的智能化工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著遼寧艦、山東艦的服役，未來(lái)我國(guó)海軍艦載飛行器會(huì)越來(lái)越多，海軍對(duì)氣象保障的要求也越來(lái)越高。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可對(duì)大氣中的中低空風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)切變、云層運(yùn)動(dòng)分布等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用艦載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)提升艦載航空器的氣象保障水平是大勢(shì)所趨。

隨著激光測(cè)風(fēng)技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用的持續(xù)深入，艦載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的研究和應(yīng)用將會(huì)更上一層樓。