氣象雷達(dá)在民航飛機(jī)中的應(yīng)用研究

張 旭

氣象雷達(dá)系統(tǒng)是運(yùn)用無(wú)線電技術(shù)探知?dú)庀鬆顩r的一種重要技術(shù)，氣象雷達(dá)的發(fā)展大致經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段，從模擬、數(shù)字再到以美國(guó)NEXRAD 為代表的新一代氣象雷達(dá)[1]。目前已廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)以及生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，形成了專業(yè)的氣象服務(wù)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象雷達(dá)的探測(cè)技術(shù)也得到了很大的改進(jìn)，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣闊。同樣，氣象雷達(dá)在民航飛機(jī)上也得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著民航對(duì)安全要求的不斷提高，氣象雷達(dá)在民航飛機(jī)制造領(lǐng)域以及相關(guān)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域也引起了廣泛的關(guān)注。飛機(jī)中的機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)用于在飛行中實(shí)時(shí)地探測(cè)飛機(jī)前方航路上的危險(xiǎn)氣象區(qū)域[2]，并顯示在飛機(jī)駕駛艙的導(dǎo)航顯示器上面，飛行員可以根據(jù)氣象雷達(dá)的顯示選擇安全的航路，從而保障飛行的舒適和安全。

1 氣象雷達(dá)系統(tǒng)組成和功用

典型的機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)是由天線、收發(fā)機(jī)和控制面板組成。系統(tǒng)輸出顯示在導(dǎo)航顯示器上。收發(fā)機(jī)用來(lái)發(fā)射和接收無(wú)線電脈沖信號(hào)并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算。天線組件位于飛機(jī)駕駛艙前方的雷達(dá)罩內(nèi)，利用平板縫隙天線或拋物面天線產(chǎn)生窄波束。天線由方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)可正負(fù)移動(dòng)90 度。還有一個(gè)仰角掃描電機(jī)用于保持天線水平姿態(tài)獨(dú)立于飛機(jī)姿態(tài)。該功能的穩(wěn)定信號(hào)來(lái)自慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)或垂直陀螺儀?？刂瓢逯饕脕?lái)選擇氣象雷達(dá)的工作方式，控制面板上的俯仰旋鈕可以手動(dòng)控制天線的俯仰姿態(tài)。

氣象雷達(dá)的工作原理類似于回聲的原理，它通過(guò)方向性很強(qiáng)的天線向飛機(jī)前方180°的區(qū)域發(fā)射脈沖無(wú)線電波，傳播過(guò)程中與大氣中的介質(zhì)發(fā)生相互作用。比如大氣中的云、霧和降水等水汽凝結(jié)物對(duì)無(wú)線電波的吸收和散射；無(wú)線電波在不均勻空氣中由于折射率不同產(chǎn)生的折射和閃電放電形成的電離介質(zhì)對(duì)無(wú)線電波的散射作用；非球形粒子對(duì)圓極化波散射產(chǎn)生的退極化作用，以及散射體積內(nèi)散射目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)對(duì)入射波產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)等[3]。通過(guò)氣象雷達(dá)的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理、計(jì)算和分析，不僅可以確定探測(cè)目標(biāo)的空間位置、形狀、尺度、移動(dòng)和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以根據(jù)回波信號(hào)的頻率、相位、振幅和偏振度等確定目標(biāo)物的各種物理特性，比如降水強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)、云中的含水量、大氣湍流、降水粒子譜、鉛直氣流速度、以及閃電等。此外，還可利用對(duì)流層大氣溫度和濕度隨高度的變化而引起的折射率隨高度變化的規(guī)律，分析得出折射率的鉛直梯度，并通過(guò)對(duì)無(wú)線電波傳播條件的分析，預(yù)報(bào)雷達(dá)的探測(cè)距離。

2 氣象雷達(dá)工作模式

現(xiàn)代機(jī)載氣象雷達(dá)有“氣象”“氣象與湍流”和“地圖”三種工作方式“WX 模式”代表氣象模式?？梢栽趯?dǎo)航顯示器上看到彩色氣象圖像。紅色區(qū)域表示非常強(qiáng)的暴雨，黃色表示中雨級(jí)別，綠色表示小雨級(jí)別。在導(dǎo)航顯示器上，還可以看到與飛機(jī)航向相關(guān)的氣象位置以及氣象位置與飛機(jī)的距離。這種方式的功用在于飛機(jī)在飛行中連續(xù)地向駕駛員提供飛機(jī)去前方航路以及兩側(cè)扇形區(qū)域中的氣象狀況，它也是機(jī)載氣象雷達(dá)的基本工作方式。

“WX/TURB 模式”代表氣象加湍流模式。湍流是一種嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全的危險(xiǎn)氣象，湍流中的氣流運(yùn)動(dòng)的方向和速度是急速多變的。飛機(jī)如果遇到湍流，駕駛員不僅難以操縱飛機(jī)，而且飛機(jī)還會(huì)受到比較大的應(yīng)力，造成飛機(jī)產(chǎn)生震顫，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)受損，是非常危險(xiǎn)的氣象。在湍流中，水分子往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此在飛機(jī)的縱向軸線上也有移動(dòng)。這意味著，當(dāng)目標(biāo)向飛機(jī)移動(dòng)時(shí)，回波頻率增加，而當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離飛機(jī)時(shí)，回波頻率降低，這種效應(yīng)也稱為多普勒效應(yīng)。氣象雷達(dá)根據(jù)回波頻率變化計(jì)算出湍流區(qū)域，并以品紅色顯示在顯示器上。

“MAP 模式”代表地圖模式，它用來(lái)顯示地面的地形。飛行員用俯仰旋鈕調(diào)整天線的俯仰水平，以獲得最佳的顯示效果，使用增益旋鈕可以進(jìn)行靈敏度調(diào)整。注意，工作模式和俯仰選擇會(huì)顯示在導(dǎo)航顯示器上?，F(xiàn)代氣象雷達(dá)通過(guò)將天線下俯一定的角度，使雷達(dá)天線的波束照射飛機(jī)前下方地面的地表特征，此時(shí)天線所形成的波束仍然是錐形窄波束，與雷達(dá)的氣象方式的波束形狀相同。由于地表不同的物體對(duì)雷達(dá)電波反射的特性存在著差異，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的波束到達(dá)地面時(shí)就可以在導(dǎo)航顯示器的氣象雷達(dá)顯示頁(yè)面顯示出飛機(jī)前下方扇形區(qū)域內(nèi)的地表特征的圖像，這就是氣象雷達(dá)工作在“MAP 模式”時(shí)的地形探測(cè)功能。城市的工業(yè)化程度比較高，是由大量的鋼結(jié)構(gòu)和其他金屬材料構(gòu)成的工業(yè)城市，雷達(dá)的電波投射到這些區(qū)域的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生比周圍大地更強(qiáng)的反射特性，而投射在江、河、湖、海所產(chǎn)生的電波反射又明顯不同于其周圍的大地表面，利用雷達(dá)反射波的不同反射特性在導(dǎo)航顯示器上顯示出不同的地表特征的圖像，從而對(duì)飛機(jī)前下方的地形進(jìn)行探測(cè)顯示。

現(xiàn)代氣象雷達(dá)系統(tǒng)的另一個(gè)功能被稱為預(yù)警式風(fēng)切變，簡(jiǎn)稱PWS。風(fēng)切變是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它的飛機(jī)，首先會(huì)遇到一股很強(qiáng)的向上垂直風(fēng)向，這種向上垂直風(fēng)向在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)變成一股向下垂直風(fēng)向。如果飛行員沒(méi)有得到及時(shí)的警告，未能及時(shí)糾正上升的升力，那么飛機(jī)在向上垂直風(fēng)向期間將急劇抬頭，并可能失速。若未失速，飛機(jī)也會(huì)由于在短時(shí)間內(nèi)氣流變?yōu)橄蛳麓怪憋L(fēng)向，而導(dǎo)致飛機(jī)姿態(tài)瞬間變?yōu)榈皖^，并可能撞擊地面。

風(fēng)切變的探測(cè)與湍流相似，雷達(dá)在回波處理中采取搜索模式。如果較近的回波頻率增加，而較遠(yuǎn)的回波頻率降低，則檢測(cè)到風(fēng)切變。當(dāng)探測(cè)到風(fēng)切變時(shí)，機(jī)組人員通常會(huì)得到以下指示：一個(gè)風(fēng)切變符號(hào)顯示于導(dǎo)航顯示器中，并在風(fēng)切變關(guān)鍵區(qū)域有紅色和黑色條紋，符號(hào)邊緣有額外的黃色色帶，這顯示了飛行員應(yīng)該避免的航向。該警告伴隨著一個(gè)紅色風(fēng)切變信息在主飛行顯示器和導(dǎo)航顯示器上，并且提供一個(gè)“Windshear ahead，go around”的聽覺(jué)警告。

最后是氣象雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)試模式?？梢酝ㄟ^(guò)選擇控制面板上的測(cè)試功能或使用中央維護(hù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試。如果測(cè)試通過(guò)，系統(tǒng)在ND 上顯示測(cè)試模式圖形，左側(cè)顯示測(cè)試通過(guò)消息。如果系統(tǒng)中有故障，將沒(méi)有測(cè)試模式圖形顯示，并在左側(cè)顯示W(wǎng)XR fail（WXR 故障）消息，此外，還會(huì)顯示故障的LRU[4]。

3 氣象雷達(dá)維護(hù)注意事項(xiàng)

在地面操作氣象雷達(dá)系統(tǒng)，必須遵守重要的安全預(yù)防措施。這是因?yàn)樘鞖饫走_(dá)的加熱和輻射效應(yīng)就像微波爐一樣。因此，它可能對(duì)生命和設(shè)備造成危害，并可能在飛機(jī)加油期間引發(fā)爆炸。必須始終遵守維護(hù)手冊(cè)中規(guī)定的預(yù)防措施。對(duì)于現(xiàn)代氣象雷達(dá)系統(tǒng)，在氣象雷達(dá)工作時(shí)，通常人員應(yīng)保持遠(yuǎn)離氣象雷達(dá)天線3 米（10 英尺）到4.5 米（15 英尺）的距離[5]。

對(duì)于加油車和大型金屬物體來(lái)說(shuō)，在氣象雷達(dá)工作時(shí)，安全距離應(yīng)大于61 米（200 英尺）至91米（300 英尺），以防止出現(xiàn)閃爆等意外。注意，由于天線的掃描可能性，飛機(jī)前方的安全區(qū)域?yàn)?80度范圍。

4 前景

當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)航空安全越來(lái)越重視，特別是現(xiàn)代民航把安全當(dāng)作是行業(yè)發(fā)展的生命線。而由于氣象原因造成的延誤和事故頻繁發(fā)生。近年來(lái)國(guó)家要求對(duì)通用航空的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)烈，加大了開放低空領(lǐng)域的力度。隨著低空領(lǐng)域的不斷開放，勢(shì)必會(huì)加大航空器在低空飛行和進(jìn)近過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。所以對(duì)于機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)的要求也會(huì)越來(lái)越高，包括開發(fā)不同種類以及探測(cè)原理的雷達(dá)，比如固態(tài)氣象雷達(dá)、相控陣氣象雷達(dá)和雙極化相控陣氣象雷達(dá)等[6]，從功能、性能、反應(yīng)時(shí)間、抗干擾能力以及可靠性等方面去提高?，F(xiàn)代的機(jī)載氣象雷達(dá)會(huì)向著數(shù)字化、小型化、微電子化、模塊化、自動(dòng)化、智能化及系列化方向發(fā)展去發(fā)展。充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究成果采用高級(jí)系統(tǒng)支持軟件和數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)提高實(shí)時(shí)信號(hào)采集數(shù)據(jù)處理顯示監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。減少系統(tǒng)體積降低成本，增強(qiáng)可靠性與可維護(hù)性。