民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达分析

蔡嘉晨

摘 要 激光雷达在民航机场风切变探测与预警领域中应用十分广泛，在多年的研究与发展中，激光雷达测风技术也有所发展，三维激光测风雷达的出现，在很大程度上解决了传统测风雷达的弊端，取得了良好的效益。自2016年以来，已有多部激光测风雷达在兰州中川机场完成试验验证，取得了丰硕的应用成果。基于此，本文首先对三维激光测风雷达系统进行介绍，进而提出三维激光测风雷达在民航机场风切变探测与预警领域的应用。

关键词 激光测风雷达;民航机场;风切变;侧风

引言

（低空）风切变是指600m高度以内，风矢量沿着垂直或某个水平的方向变化，具有时间短、强度大、难预测等特点，这也提高了探测与预警难度。风切变会影响飞机控制难度，所以采取有效的探测技术可以提前发现隐藏危险，保证飞机安全。激光技术不断发展，与雷达技术结合形成了激光雷达，特别是激光测风雷达的出现，给风切变探测与预警提供了基础支撑。激光测风雷达在实际应用中，具有数据获取率高、时空分辨率高等优势，弥补了传统风场探测技术的漏洞。因此，加强激光测风雷达的研究有着重要意义。

1 激光测风雷达系统以及国内外发展现状分析

1.1 系统分析

通过分析可知，激光测风雷达系统主要应用了光纤相干光路、脉冲激光相干探测结构体，光源为窄线宽脉冲激光，可以有效通过激光探测到气溶胶散射回波信号多普勒频移信息，从而测量径向风矢量测量。系统中的光机扫描伺服结构可以对指定空域展开全覆盖测量，我國民航机场多数都是采用多片光学反射镜结构，具有光路复杂、光机配合难、光学效率较低等问题，而激光测风雷达采用了二轴光电扫描球技术，包括电子舱、光学舱、二轴扫描伺服机构。

1.2 国内外发展现状

在20世纪90年代，美国专家就开展了激光测风雷达进行风切变探测研究工作，并在2002年推出了激光测风雷达WindTrace。近些年随着光纤技术不断发展，借助光纤激光器为核心的雷达成为研究主流，最具代表性的就是法国Leosphere公司推出的WindCubeS400-AT系统，可以实现3海里区域风场危险警告，在法国多个地区实现了应用。

国内的对激光测风雷达的研究也持续了十多年，取得了一定成就，但机场进行业务化经营还处于初期阶段，整体应用情况还不够成熟，这就需要进一步加强风切变探测与预警研究，不断完善三维激光测风雷达技术，保证民航飞机的安全。

2 三维激光测风雷达在机场风切变探测与预警的应用模式

由于风切变会直接影响飞机的起降，在降落阶段速度逐渐减少，极大地提高了危险性，所以在飞机降落过程中必须要保障气象条件。所以要全面考量实际地形条件、气候条件、业务保障，合理选择激光测风雷达安装部位。飞机起降要重点观察机场风场分布情况、下滑道仰头风向、测风以及各类风切变识别等。结合以上需求，激光测风雷达的主要工作模式有以下两种：

2.1 风廓线探测模式

该模式是指激光测风雷达发射多波束雷达波（锥形分布），实现机场上空扫描，结合风场反演高层度数据信息得到不同高度风场轮廓信息，根据所获取的数据计算水平风垂直切变、气流切变等，这也是激光测风雷达最常见的工作模式。其机理是通过上空风场监测和预报实现探测。还可以将风廓线探测模式细分为DBS、VAD反演等[1]。

在实际应用中，根据高度层水平风垂直切变值计算出水平风垂直切变因子，切变因子的增加预示飞机会遇到非常强的颠簸情况。还可以借助上下层垂直气流变化计算出垂直气流切变因子，如果该数据出现较强波动，则表示机场上空很有可能有强烈下冲、上洗起落，会直接影响飞机起降安全，此时就要将进近过程终止。

2.2 扫描探测模式

大气环境构成十分复杂，受到环境影响会导致机场上空风场出现变化，而激光测风雷达的核心功能之一就是探测与预警风场变化，特别是快速识别起降通道风场变化，可以及时得出侧风、迎头风的相关数据信息。整体上，扫描探测模式可以分为水平风场扫描和下滑道扫描。

（1）水平风场探测

通常情况下采用PPI探测模式，也就是雷达采用固定角度对上空进行扫描探测，根据方位角变化计算出平面风矢量分布图，主要是根据波束径向速度计算风切变和风场反演，这样即可实现激光测风雷达的探测与预警功能。现行的PPI可以实现360°无死角扫描，扫描间隔为1～3min/帧，实现风切变探测。在起降通道风切变检测过程中，显示器上通常是以跑道尽头作为起点，沿着3海里延长线按照1海里的长度划分，结合每个网格径向风矢量计算风切变因子，如果实际检测数据超过了预定数值，则系统会自动发出警报信息。可见，PPI可以直接掌控风切变、风场演变状况，但分级起降通道风切变检测还要采用下滑道扫描模式。

（2）下滑道风场探测

在采用下滑道风场模式中，对虚拟滑道附近采集数据信息从而得出侧风、迎头风，因此要求数据采集、更新频率更快（相比PPI）。在风场变化频率较大时，特别是在飞机下滑道触点较短时间内，应用下滑道风场检测方案效果更好[2]。

侧风、迎头风的波动会威胁到飞机安全，为了能够同时测量，尽可能靠近跑道触点安装激光测风雷达，从而实现下滑道扫描功能。每个高空层选择一个中波束（中波束为跑道中心线平行的波束），通过多层扫描，将激光束方位、俯仰角固定在一定范围内，空间上形成一个锥体。俯仰角在2.5～3.5°之间，步长0.5°;方位角在0～30°之间，根据波束量确定步长，方位范围包含了多条径向数据相互重构反演迎头风、侧风。根据下滑道、垂直方向分解波束进行矢量风场分解，将所采集的数据上传到控制中心进行处理、变化，得出侧风、迎头风数据，之后将安全触点进行段落划分，根据ICAO计算侧风、迎头风的风切变因子，如果超出预设数值，系统会自动发出警报。

3 结束语

综上所述，应用激光测风雷达可以对机场上空展开三维监控，实现了机场上方大气流畅的探测与预警功能，借助风廓线探测、下滑道探测等方案，即可得出机场风切变数据信息，并且可以实时更新采集数据，一旦采集数据超出了预设标准即可自动发出警报，从而保证飞机起降安全。

参考文献

[1] 范琪，陈永雄，刘志平.应用于民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达[J].光子学报，2019，48（5）：555-556.

[2] 王青梅，郭利乐.激光雷达在机场低空风切变探测中的应用[J].激光与红外，2012，42（12）：100-101.