機(jī)載激光測(cè)速技術(shù)在大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

秋路 屈飛舟 惠輝輝

摘要：在分析準(zhǔn)確大氣數(shù)據(jù)重要性及傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法局限性的基礎(chǔ)上，本文研究建立了基于機(jī)載激光測(cè)速的大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法，涵蓋了靜壓、空速、馬赫數(shù)、溫度、迎角和側(cè)滑角等參數(shù)，總結(jié)了國(guó)外相關(guān)研究項(xiàng)目與驗(yàn)證成果;研究了國(guó)內(nèi)試驗(yàn)條件建設(shè)需求，展望了機(jī)載激光測(cè)速技術(shù)未來(lái)在飛行試驗(yàn)及航線運(yùn)營(yíng)等領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展。本文對(duì)后續(xù)開展相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光;激光測(cè)速;大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn);多普勒效應(yīng)

中圖分類號(hào)：V217+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)符：A

準(zhǔn)確的大氣數(shù)據(jù)對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)正常工作及飛行安全至關(guān)重要，因此新機(jī)試飛時(shí)空速校準(zhǔn)必不可少。通常需校準(zhǔn)的大氣數(shù)據(jù)包含靜壓、空速、馬赫數(shù)、溫度、迎角和側(cè)滑角等參數(shù)。在各型飛機(jī)飛行試驗(yàn)中，大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法多種多樣，但部分傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法存在一定的局限性，如成本高、試飛周期長(zhǎng)等。近年來(lái)，基于機(jī)載激光測(cè)速的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)得到了廣泛的研究，令人滿意的測(cè)量精度、遠(yuǎn)距測(cè)量等特點(diǎn)決定了該項(xiàng)技術(shù)用于大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)[1]，本文將展開研究。

1 傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法

實(shí)現(xiàn)靜壓、動(dòng)壓、馬赫數(shù)及空速校準(zhǔn)的方法有拖錐靜壓法、雷達(dá)法、總靜壓支桿法、飛越塔臺(tái)法、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)伴飛法，以及GPS方法等[2]，優(yōu)缺點(diǎn)分析詳見(jiàn)表1。

迎角、側(cè)滑角校準(zhǔn)有靜態(tài)法、動(dòng)態(tài)法。前者通過(guò)穩(wěn)定直線平飛、定常側(cè)滑實(shí)現(xiàn)，校準(zhǔn)范圍有限;后者通過(guò)機(jī)動(dòng)飛行與事后辨識(shí)的方法實(shí)現(xiàn)[3]，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。

溫度校準(zhǔn)有直接法、間接法。直接法是在飛行試驗(yàn)開始前利用探空氣球獲取試驗(yàn)區(qū)的大氣溫度，然后與試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)載傳感器獲取的靜溫值進(jìn)行對(duì)比，該方法實(shí)時(shí)性較差。間接法基于靜溫與總溫的關(guān)系，在空速校準(zhǔn)的迭代計(jì)算中得到真實(shí)的靜溫值。

上述方法除不同程度地存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、架次多、成本高等問(wèn)題外，從大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的角度分析，其綜合效率較低。本文研究的基于機(jī)載激光測(cè)速的大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法不僅精度高、且能同時(shí)校準(zhǔn)所有參數(shù)，有效解決了上述問(wèn)題。

2 基于機(jī)載激光測(cè)速的大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法

機(jī)載激光測(cè)速技術(shù)的基本原理是多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是19世紀(jì)奧地利物理學(xué)家多普勒.克里斯琴。約翰（Doppler，Christian Johann）發(fā)現(xiàn)的聲學(xué)效應(yīng)。在聲源和接收器之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器收到的聲音頻率與聲源發(fā)出的原頻率之間存在頻率差，稱為多普勒頻差或頻移。光信號(hào)經(jīng)大氣中的氣溶膠粒子散射后會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移[4]，表達(dá)式如下：

Δf=2vcosθ/λ（1）式中：Δf為多普勒頻移，v為發(fā)射光源與散射粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，θ為激光與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向的夾角，λ為激光波長(zhǎng)[5]。

根據(jù)上述原理，機(jī)載激光設(shè)備可根據(jù)飛機(jī)遠(yuǎn)前方粒子的散射效應(yīng)測(cè)量飛機(jī)相對(duì)于大氣的速度，即真空速（TAS）。激光測(cè)速的遠(yuǎn)距性、非接觸性、埋人式傳感器決定了其用于大氣數(shù)據(jù)測(cè)量及校準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。

2.1 基本原理

基于機(jī)載激光測(cè)速的大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)本質(zhì)是通過(guò)多向（至少三向）測(cè)速獲取飛機(jī)的真空速矢量，根據(jù)其大小開展空速、靜壓、馬赫數(shù)等參數(shù)校準(zhǔn)，根據(jù)其方向開展迎角及側(cè)滑角校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法總結(jié)如圖1所示。

以歐洲AIM2項(xiàng)目中的坐標(biāo)系定義為例，如圖2所示，校準(zhǔn)方法詳述如下。

（1）真空速

采用機(jī)載激光測(cè)速設(shè)備獲得4個(gè)方向的速度后，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即可得到飛機(jī)體軸系的三個(gè)速度分量，合成即可得到真空速：

[VVV]=T[VVVV]（2）式中：T為轉(zhuǎn)換矩陣。

真空速的計(jì)算公式為：

（2）氣流角

由真空速、體軸系速度分量即可得到真實(shí)迎角（AOA）、側(cè)滑角（AOS），計(jì)算公式如下：

AOA=cot（V/V）

（3）空速校準(zhǔn)

通過(guò)以下公式進(jìn)行空速校準(zhǔn)迭代計(jì)算即可得到靜壓、動(dòng)壓、指示空速及馬赫數(shù)的真實(shí)值。

（4）溫度校準(zhǔn)

由式（3）空速校準(zhǔn)中的迭代計(jì)算即可獲取真實(shí)的靜溫值。通過(guò)上述方法得到的靜溫值，可結(jié)合GPS測(cè)量的高度數(shù)據(jù)、采用流體靜力學(xué)公式進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

2.2 誤差分析

機(jī)載激光測(cè)速的主要誤差可分為安裝誤差和測(cè)量誤差。

（1）安裝誤差

設(shè)備安裝時(shí)，激光探頭中心軸的方位決定了激光測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的相對(duì)位置，存在安裝角誤差。

（2）測(cè)量誤差

測(cè)量誤差的來(lái)源有大氣中氣溶膠粒子的濃度與大小[6]、基本原理計(jì)算公式近似、激光光束的線寬、探測(cè)器孔徑的尺寸、探測(cè)粒子的有限過(guò)渡時(shí)間、速度梯度、信號(hào)處理算法、角度測(cè)量誤差和系統(tǒng)振動(dòng)等[7]。

3 國(guó)外研究進(jìn)展與驗(yàn)證成果

基于機(jī)載激光測(cè)速開展大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，其本質(zhì)是利用光學(xué)技術(shù)獲取準(zhǔn)確的大氣數(shù)據(jù)，國(guó)外從19世紀(jì)70年代便開始了相關(guān)研究與驗(yàn)證。

3.1 法國(guó)Crouzet項(xiàng)目

1979年，法國(guó)國(guó)防機(jī)構(gòu)（DRTE and STTE）開始資助高諾斯（Crouzet）公司的激光測(cè)速研究。項(xiàng)目開展中，在法國(guó)試飛中心開展了激光測(cè)速設(shè)備的試飛驗(yàn)證，主要成果如下：

（1）“美洲豹”（Puma）直升機(jī)搭載第一代設(shè)備，驗(yàn)證機(jī)載激光測(cè)速的準(zhǔn)確性。

（2）“小帆船”（Caravelle）運(yùn)輸機(jī)搭載經(jīng)光學(xué)改進(jìn)的第一代設(shè)備，探索激光測(cè)速適用的高度、速度范圍。

（3）“幻影”（Mirage）IIIR戰(zhàn)斗機(jī)搭載的第二代設(shè)備是按照軍標(biāo)要求改進(jìn)的產(chǎn)品，是單軸激光測(cè)速儀ALEV-1的原型，在1987年進(jìn)行了20架次試飛驗(yàn)證，表明了激光測(cè)速設(shè)備可用于超聲速戰(zhàn)斗機(jī)，且適應(yīng)性良好，滿足跨聲速區(qū)的使用要求。

（4）ALEV-1升級(jí)至ALEV-3，具備三軸測(cè)速能力，可同時(shí)獲取真空速、迎角和側(cè)滑角。

3.2 歐洲FP7項(xiàng)目

歐洲FP7項(xiàng)目對(duì)三軸激光測(cè)速設(shè)備進(jìn)行了全面驗(yàn)證。法國(guó)泰雷茲集團(tuán)（Thales Group）負(fù)責(zé)采集機(jī)載激光測(cè)速設(shè)備使用過(guò)程中的原始信號(hào)并建立信號(hào)處理架構(gòu)。該項(xiàng)研究是機(jī)載激光測(cè)速技術(shù)從驗(yàn)證向應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且相關(guān)驗(yàn)證亦為該產(chǎn)品的取證奠定了基礎(chǔ)[1]。具體研究有：

（1）NESLIE項(xiàng)目

研發(fā)了用于民航飛機(jī)的4軸激光（波長(zhǎng)1.51m）測(cè)速儀[1]，同時(shí)測(cè)量真空速、迎角及側(cè)滑角，在荷蘭航空航天中心（NLR）的賽斯納“獎(jiǎng)狀”（Citation）Ⅱ試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了17架次的飛行驗(yàn)證，驗(yàn)證產(chǎn)品在不同大氣狀態(tài)、不同氣象條件下的工作情況。

（2）DANIELA項(xiàng)目

在NESLIE的基礎(chǔ)上進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化、信號(hào)處理系統(tǒng)升級(jí)等改進(jìn)，總計(jì)29架次的試飛覆蓋了從赤道到北極的16個(gè)國(guó)家，旨在一切使用條件下進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）DALHEC項(xiàng)目

研發(fā)了首次采用1.55μm波長(zhǎng)的4軸激光測(cè)速儀，并在直升機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)首次驗(yàn)證了激光測(cè)速設(shè)備在全飛行包線內(nèi)的空速測(cè)量能力[1]。圖3為DALHEC試驗(yàn)。

3.3 歐洲AIM2項(xiàng)目

歐洲AIM2項(xiàng)目旨在研究先進(jìn)的機(jī)載測(cè)試技術(shù)以縮短試飛周期、降低試飛成本[4]。法國(guó)航空航天研究院（ONERA）成功研發(fā)了波長(zhǎng)為1.5μm的激光測(cè)速傳感器，用于測(cè)量真空速、迎角及側(cè)滑角。該產(chǎn)品在Piaggio P180飛機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的試飛動(dòng)作有穩(wěn)定飛行、水平加速、拉升、水平轉(zhuǎn)彎，用于表明真空速、迎角及側(cè)滑角測(cè)量值的準(zhǔn)確性與跟隨性，試驗(yàn)結(jié)果證明了激光測(cè)速技術(shù)可以獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

3.4 美國(guó)LAMS項(xiàng)目

該項(xiàng)目由國(guó)家大氣研究中心（NCAR）完成，研發(fā)了激光大氣數(shù)據(jù)傳感器（LAMS），證明了激光技術(shù)可以降低測(cè)量參數(shù)的不確定度[8]，并提出了完整的基于機(jī)載激光測(cè)速的空速、溫度校準(zhǔn)方法。相關(guān)驗(yàn)證在“灣流”（Gulfstream）GV、C-130試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

3.5 美國(guó)OADS項(xiàng)目

GADS公司開發(fā)了光學(xué)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，利用大氣中氣溶膠粒子的米散射和多普勒效應(yīng)，采用對(duì)人眼安全的不可見(jiàn)激光測(cè)量真空速、迎角和側(cè)滑角，采用紫外激光實(shí)現(xiàn)大氣溫度、密度的測(cè)量及大氣壓力的計(jì)算。

2014年12月，該系統(tǒng)在空客的“海豚”（Dauphin）6542直升機(jī)上完成了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。目前GADS與空中客車公司正共同為該系統(tǒng)的裝機(jī)認(rèn)證而努力[6]。各研究項(xiàng)目的主要技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

4 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)條件建設(shè)需求

國(guó)內(nèi)各型飛機(jī)在開展大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)飛行試驗(yàn)時(shí)尚未采用機(jī)載激光測(cè)速法，針對(duì)該方法的應(yīng)用尚處于研究階段。為了滿足基于該方法的試驗(yàn)需求，試驗(yàn)條件建設(shè)必須覆蓋試飛技術(shù)、試驗(yàn)設(shè)備、軟件開發(fā)等方面。

試飛技術(shù)包含試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃、試飛動(dòng)作及試驗(yàn)實(shí)施等。相比于傳統(tǒng)方法，該方法幾乎適用于飛機(jī)的整個(gè)高度一速度包線，合理規(guī)劃試驗(yàn)內(nèi)容顯得尤為重要。

機(jī)載激光測(cè)速設(shè)備是該方法的核心，國(guó)外已有較成熟的設(shè)備，國(guó)內(nèi)尚在研發(fā)驗(yàn)證階段。試驗(yàn)設(shè)備包含激光發(fā)射器、光學(xué)玻璃、系統(tǒng)機(jī)箱及用于數(shù)據(jù)傳輸、連接電源的線纜。在設(shè)備安裝時(shí)，還需根據(jù)其在試驗(yàn)機(jī)上的安裝位置、安裝空間等因素設(shè)計(jì)支架及連接件等。圖4是GADS公司的產(chǎn)品示例。

在常規(guī)校準(zhǔn)試飛數(shù)據(jù)分析軟件的基礎(chǔ)上，該方法的軟件需求還包括對(duì)激光束、多普勒頻移等信號(hào)的分析及處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

大氣數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)是相比機(jī)載動(dòng)靜壓、氣流角、溫度傳感器等更精準(zhǔn)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)。本文介紹的基于機(jī)載激光的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量及校準(zhǔn)方法屬于“先進(jìn)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)”的研究范疇[9]?；跈C(jī)載激光測(cè)速的光學(xué)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)將有效解決各型飛機(jī)在大氣數(shù)據(jù)測(cè)量中遇到的問(wèn)題，如戰(zhàn)斗機(jī)跨聲速區(qū)及直升機(jī)低速區(qū)測(cè)量誤差大、在極端氣象條件出現(xiàn)的傳感器失效等。

本文介紹的激光測(cè)速方法、OARS系統(tǒng)均基于大氣中氣溶膠粒子的米散射效應(yīng)，受氣溶膠粒子數(shù)量限制，該方法在純凈大氣中無(wú)法實(shí)現(xiàn)真空速測(cè)量。近年來(lái)，Ophlr等公司致力于研究分子光學(xué)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MOADS）[10]，它能同時(shí)利用大氣分子的瑞利散射與氣溶膠粒子的米散射，不僅能有效解決上述問(wèn)題，且能同時(shí)測(cè)量大氣密度、大氣溫度等參數(shù)。

在未來(lái)發(fā)展中，OADS、MOADS將不再局限于研發(fā)驗(yàn)證或飛行試驗(yàn)設(shè)備，可作為高性能大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在各種氣象條件下為飛機(jī)提供精確數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Alain V.Laser Anemometry[Z].ENC，2015.

[2]Edward A H.Airdata measurement and calibration[R].National Aeronautics and Space Administration，1995.

[3]Jacques M.A laser anemometer reference for air datacalibration[C]//Aerospace and Electronics Conference，Proceedings of the IEEE，1988.

[4]Augere B，Besson B，F(xiàn)leury D，et al.1.5wrn lidar anemometerfor true air speed，angle of sideslip and angle of attackmeasurements onboard piaggio P180 aircraft[Z].2015.

[5]梁應(yīng)劍，梅運(yùn)橋，程麗媛，等.基于米散射的光學(xué)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2015，34（1）：32-34.

[6]Zhang Zhengji.Lda application methods：Laser doppleranemometry for fluid dynamics[M].Springer，2010.

[7]周健，馮慶奇，馬曙光，等.參考光束型激光多普勒測(cè)速儀的誤差分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2010，22（11）：2581-2587.

[8]Cooper W A，Spuler S M，Spowart D H，et al.Calibratingairborne measurements of airspeed，pressure and temperatureusing a Doppler laser air-motion sensor[J]，AtmosphericMeasurement Techniqoes，2014（7）：3215-3231.

[9]孫友師.光學(xué)大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展研究[J].測(cè)控技術(shù)，2010（9）：6-9.

[10]馬航帥，雷廷萬(wàn)，李榮冰，等.高性能飛行器大氣數(shù)據(jù)傳感技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空計(jì)算技術(shù)，2011，41（5）：118-123.