秋路 屈飛舟 惠輝輝

摘要：在分析準確大氣數(shù)據(jù)重要性及傳統(tǒng)校準方法局限性的基礎(chǔ)上，本文研究建立了基于機載激光測速的大氣數(shù)據(jù)校準方法，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)了國外相關(guān)研究項目與驗證成果;研究了國內(nèi)試驗條件建設(shè)需求，展望了機載激光測速技術(shù)未來在飛行試驗及航線運營等領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展。本文對后續(xù)開展相關(guān)研究具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：機載激光;激光測速;大氣數(shù)據(jù)校準;多普勒效應(yīng)

中圖分類號：V217+.2 文獻標識符：A

準確的大氣數(shù)據(jù)對飛機各系統(tǒng)正常工作及飛行安全至關(guān)重要，因此新機試飛時空速校準必不可少。通常需校準的大氣數(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)。在各型飛機飛行試驗中，大氣數(shù)據(jù)校準方法多種多樣，但部分傳統(tǒng)校準方法存在一定的局限性，如成本高、試飛周期長等。近年來，基于機載激光測速的大氣數(shù)據(jù)測量技術(shù)得到了廣泛的研究，令人滿意的測量精度、遠距測量等特點決定了該項技術(shù)用于大氣數(shù)據(jù)校準時具有一定的優(yōu)勢[1]，本文將展開研究。

1 傳統(tǒng)校準方法

實現(xiàn)靜壓、動壓、馬赫數(shù)及空速校準的方法有拖錐靜壓法、雷達法、總靜壓支桿法、飛越塔臺法、標準機伴飛法，以及GPS方法等[2]，優(yōu)缺點分析詳見表1。

迎角、側(cè)滑角校準有靜態(tài)法、動態(tài)法。前者通過穩(wěn)定直線平飛、定常側(cè)滑實現(xiàn)，校準范圍有限;后者通過機動飛行與事后辨識的方法實現(xiàn)[3]，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。

溫度校準有直接法、間接法。直接法是在飛行試驗開始前利用探空氣球獲取試驗區(qū)的大氣溫度，然后與試驗過程中機載傳感器獲取的靜溫值進行對比，該方法實時性較差。間接法基于靜溫與總溫的關(guān)系，在空速校準的迭代計算中得到真實的靜溫值。

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

2 基于機載激光測速的大氣數(shù)據(jù)校準方法

機載激光測速技術(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)生相對運動時，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。光信號經(jīng)大氣中的氣溶膠粒子散射后會產(chǎn)生多普勒頻移[4]，表達式如下：

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運動速度，θ為激光與相對運動速度方向的夾角，λ為激光波長[5]。

根據(jù)上述原理，機載激光設(shè)備可根據(jù)飛機遠前方粒子的散射效應(yīng)測量飛機相對于大氣的速度，即真空速（TAS）。激光測速的遠距性、非接觸性、埋人式傳感器決定了其用于大氣數(shù)據(jù)測量及校準的優(yōu)勢。

2.1 基本原理

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

以歐洲AIM2項目中的坐標系定義為例，如圖2所示，校準方法詳述如下。

（1）真空速

采用機載激光測速設(shè)備獲得4個方向的速度后，進行坐標轉(zhuǎn)換，即可得到飛機體軸系的三個速度分量，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迎角（AOA）、側(cè)滑角（AOS），計算公式如下：

AOA=cot（V/V）

（3）空速校準

通過以下公式進行空速校準迭代計算即可得到靜壓、動壓、指示空速及馬赫數(shù)的真實值。

（4）溫度校準

由式（3）空速校準中的迭代計算即可獲取真實的靜溫值。通過上述方法得到的靜溫值，可結(jié)合GPS測量的高度數(shù)據(jù)、采用流體靜力學(xué)公式進行驗證，驗證方法詳見參考文獻[1]。

2.2 誤差分析

機載激光測速的主要誤差可分為安裝誤差和測量誤差。

（1）安裝誤差

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

（2）測量誤差

測量誤差的來源有大氣中氣溶膠粒子的濃度與大小[6]、基本原理計算公式近似、激光光束的線寬、探測器孔徑的尺寸、探測粒子的有限過渡時間、速度梯度、信號處理算法、角度測量誤差和系統(tǒng)振動等[7]。

3 國外研究進展與驗證成果

基于機載激光測速開展大氣數(shù)據(jù)校準，其本質(zhì)是利用光學(xué)技術(shù)獲取準確的大氣數(shù)據(jù)，國外從19世紀70年代便開始了相關(guān)研究與驗證。

3.1 法國Crouzet項目

1979年，法國國防機構(gòu)（DRTE and STTE）開始資助高諾斯（Crouzet）公司的激光測速研究。項目開展中，在法國試飛中心開展了激光測速設(shè)備的試飛驗證，主要成果如下：

（1）“美洲豹”（Puma）直升機搭載第一代設(shè)備，驗證機載激光測速的準確性。

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

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

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

3.2 歐洲FP7項目

歐洲FP7項目對三軸激光測速設(shè)備進行了全面驗證。法國泰雷茲集團（Thales Group）負責(zé)采集機載激光測速設(shè)備使用過程中的原始信號并建立信號處理架構(gòu)。該項研究是機載激光測速技術(shù)從驗證向應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點，且相關(guān)驗證亦為該產(chǎn)品的取證奠定了基礎(chǔ)[1]。具體研究有：

（1）NESLIE項目

研發(fā)了用于民航飛機的4軸激光（波長1.51m）測速儀[1]，同時測量真空速、迎角及側(cè)滑角，在荷蘭航空航天中心（NLR）的賽斯納“獎狀”（Citation）Ⅱ試驗機上進行了17架次的飛行驗證，驗證產(chǎn)品在不同大氣狀態(tài)、不同氣象條件下的工作情況。

（2）DANIELA項目

在NESLIE的基礎(chǔ)上進行了光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化、信號處理系統(tǒng)升級等改進，總計29架次的試飛覆蓋了從赤道到北極的16個國家，旨在一切使用條件下進行驗證。

（3）DALHEC項目

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

3.3 歐洲AIM2項目

歐洲AIM2項目旨在研究先進的機載測試技術(shù)以縮短試飛周期、降低試飛成本[4]。法國航空航天研究院（ONERA）成功研發(fā)了波長為1.5μm的激光測速傳感器，用于測量真空速、迎角及側(cè)滑角。該產(chǎn)品在Piaggio P180飛機上進行了驗證，設(shè)計的試飛動作有穩(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)滑角測量值的準確性與跟隨性，試驗結(jié)果證明了激光測速技術(shù)可以獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

3.4 美國LAMS項目

該項目由國家大氣研究中心（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)可以降低測量參數(shù)的不確定度[8]，并提出了完整的基于機載激光測速的空速、溫度校準方法。相關(guān)驗證在“灣流”（Gulfstream）GV、C-130試驗機上進行。

3.5 美國OADS項目

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)，采用對人眼安全的不可見激光測量真空速、迎角和側(cè)滑角，采用紫外激光實現(xiàn)大氣溫度、密度的測量及大氣壓力的計算。

2014年12月，該系統(tǒng)在空客的“海豚”（Dauphin）6542直升機上完成了飛行試驗驗證。目前GADS與空中客車公司正共同為該系統(tǒng)的裝機認證而努力[6]。各研究項目的主要技術(shù)指標詳見表2。

4 國內(nèi)試驗條件建設(shè)需求

國內(nèi)各型飛機在開展大氣數(shù)據(jù)校準飛行試驗時尚未采用機載激光測速法，針對該方法的應(yīng)用尚處于研究階段。為了滿足基于該方法的試驗需求，試驗條件建設(shè)必須覆蓋試飛技術(shù)、試驗設(shè)備、軟件開發(fā)等方面。

試飛技術(shù)包含試驗設(shè)計規(guī)劃、試飛動作及試驗實施等。相比于傳統(tǒng)方法，該方法幾乎適用于飛機的整個高度一速度包線，合理規(guī)劃試驗內(nèi)容顯得尤為重要。

機載激光測速設(shè)備是該方法的核心，國外已有較成熟的設(shè)備，國內(nèi)尚在研發(fā)驗證階段。試驗設(shè)備包含激光發(fā)射器、光學(xué)玻璃、系統(tǒng)機箱及用于數(shù)據(jù)傳輸、連接電源的線纜。在設(shè)備安裝時，還需根據(jù)其在試驗機上的安裝位置、安裝空間等因素設(shè)計支架及連接件等。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激光束、多普勒頻移等信號的分析及處理。

5 結(jié)束語

大氣數(shù)據(jù)校準的基礎(chǔ)是相比機載動靜壓、氣流角、溫度傳感器等更精準的大氣數(shù)據(jù)測量技術(shù)。本文介紹的基于機載激光的大氣數(shù)據(jù)測量及校準方法屬于“先進大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)”的研究范疇[9]?；跈C載激光測速的光學(xué)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)將有效解決各型飛機在大氣數(shù)據(jù)測量中遇到的問題，如戰(zhàn)斗機跨聲速區(qū)及直升機低速區(qū)測量誤差大、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法實現(xiàn)真空速測量。近年來，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題，且能同時測量大氣密度、大氣溫度等參數(shù)。

在未來發(fā)展中，OADS、MOADS將不再局限于研發(fā)驗證或飛行試驗設(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提供精確數(shù)據(jù)。

參考文獻

[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速儀的誤差分析[J].強激光與粒子束，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)測量系統(tǒng)的發(fā)展研究[J].測控技術(shù)，2010（9）：6-9.

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