曾世杰

（中國(guó)國(guó)際航空股份有限公司 西南分公司飛行部，四川 成都 610202）

1 前言

飛機(jī)在空中飛行時(shí)會(huì)遇到雷雨等災(zāi)害天氣，還會(huì)遇到風(fēng)切變、湍流和鳥類等危險(xiǎn)事件，嚴(yán)重影響了飛機(jī)的正常安全飛行。近年來(lái)隨著我國(guó)民航的快速發(fā)展，空中流量變得越來(lái)越大，當(dāng)前民用航空運(yùn)輸業(yè)用“安全第一，經(jīng)濟(jì)至上”來(lái)總結(jié)運(yùn)營(yíng)宗旨[1]。對(duì)于空中出現(xiàn)的任何一點(diǎn)問題將會(huì)是致命的，因此做好空中安全飛行十分重要，雷達(dá)的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。雷達(dá)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支就是氣象雷達(dá)，作為重要的大氣探測(cè)工具，在醫(yī)療、能源、建筑、旅游、國(guó)防、航天、航空、海洋、林業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛采用。接下來(lái)將探討氣象雷達(dá)在飛行安全中的應(yīng)用。

2 氣象雷達(dá)的工作原理

雷達(dá)是在電磁波條件下對(duì)目標(biāo)物的距離和特征實(shí)施探測(cè)的一種無(wú)線電設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物自身的屬性測(cè)定（如圖1 所示氣象雷達(dá)的工作原理）。雷達(dá)工作時(shí)雷達(dá)設(shè)備發(fā)射電磁波信號(hào)，當(dāng)指數(shù)不均勻的物質(zhì)被電磁波信號(hào)照射到，雷達(dá)信號(hào)形成反射回波，并傳輸?shù)嚼走_(dá)接收器里，雷達(dá)天線接收反射波后送到接收設(shè)備里面，并迅速分析處理，獲取該物體的某些信息，包含目標(biāo)物體的距離大小、方位情況、速度等信息[2]。雷達(dá)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支就是氣象雷達(dá)，作為重要的大氣探測(cè)工具，在醫(yī)療、能源、建筑、旅游、國(guó)防、航天、航空、海洋、林業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛采用[3]。

圖1 氣象雷達(dá)的工作原理

3 氣象雷達(dá)在飛行安全中的應(yīng)用

3.1 氣象雷達(dá)在空中鳥情的探測(cè)應(yīng)用

飛機(jī)在從起發(fā)階段到空中飛行的整個(gè)過(guò)程中速度達(dá)到幾百公里每小時(shí)，如此快的速度遇到任何障礙物都可以撞擊的粉碎，如果不能有效規(guī)避這些飛行障礙物，將會(huì)使得飛機(jī)的飛行安全受到極大威脅（如圖3 所示飛機(jī)撞鳥示意圖）?？刂频恼系K物往往以鳥類、蝙蝠等飛行物為主，民航中常說(shuō)的鳥擊就是指航空器起降或者飛行過(guò)程中與鳥類、蝙蝠等飛行物相撞的事件，是飛機(jī)飛行的最大威脅之一，鳥擊危害被定義成A 類航空危害[4]。利用雷達(dá)識(shí)別鳥類目標(biāo)提升對(duì)鳥類活動(dòng)情況的探測(cè)，構(gòu)建起一種探鳥雷達(dá)。為了有針對(duì)性地驅(qū)散和避開鳥群建立鳥擊預(yù)測(cè)模型，有效地降低鳥擊危害的頻率。同時(shí)鳥的大小直徑通常是幾厘米到幾十厘米，為得到鳥類目標(biāo)穩(wěn)定的 RCS 量值，探鳥雷達(dá)的工作波段應(yīng)是鳥類尺寸一樣的 S-Ka 波段[5]，這類特殊的雷達(dá)按照鳥類的各類體型反饋到飛行人員各種的波段模型，幫助飛機(jī)避開鳥群達(dá)到安全飛行。所以應(yīng)用雷達(dá)實(shí)現(xiàn)鳥類活動(dòng)探測(cè)有一定的理論可行性。

圖3 飛機(jī)撞鳥示意圖

3.2 氣象雷達(dá)實(shí)現(xiàn)大氣湍流的探測(cè)運(yùn)用

大氣湍流在氣象學(xué)中被解釋成大氣做快速且不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。不規(guī)則運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)在氣流向四面大方運(yùn)動(dòng)而且速度非?？烨易兓獪y(cè)，湍流并不是伴隨大氣湍流與降雨量、無(wú)規(guī)律的回波形狀與快速升降的雨梯度出現(xiàn)（圖2 所示氣象雷達(dá)探測(cè)大氣湍流）。飛機(jī)進(jìn)入大氣湍流會(huì)造成飛機(jī)的飛行困難[6]。普通的氣象雷達(dá)只能借助大氣湍流與降雨量、無(wú)規(guī)律的回波形狀與快速升降的雨梯度等來(lái)識(shí)別大氣湍流，導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果并不能快速有效。隨著多普勒技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，在氣象雷達(dá)的探測(cè)過(guò)程中采用多普勒技術(shù)把湍流運(yùn)動(dòng)使用回波模型表現(xiàn)出來(lái)，雷達(dá)將湍流解釋為微粒運(yùn)動(dòng)速度不規(guī)則、速度偏差大的氣象活動(dòng)，雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)探測(cè)過(guò)程中把這種速度偏差具體成某一頻譜，那么探測(cè)湍流的變化就成為頻譜變化，監(jiān)控人員就能實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜寬度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此確保飛機(jī)飛行安全。

圖2 氣象雷達(dá)探測(cè)大氣湍流

3.3 氣象雷達(dá)實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變的探測(cè)運(yùn)用

飛機(jī)在空中飛行時(shí)，速度較快，風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)飛機(jī)有著很大的影響，而飛速改變迅速，無(wú)法有效捉摸，通常國(guó)際航空與氣象界是按照實(shí)例，把在600 米以下的風(fēng)切變定性為飛機(jī)起飛著陸過(guò)程的“ 無(wú)形殺手”。風(fēng)切變是小尺度風(fēng)向或者風(fēng)速瞬間改變的航空現(xiàn)象，飛機(jī)在空中飛行時(shí)稍有差池就會(huì)造成機(jī)體損壞，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)失事，嚴(yán)重降低了飛機(jī)的安全率。通過(guò)有效采用氣象雷達(dá)，建立低空風(fēng)切變的預(yù)警系統(tǒng)或者風(fēng)廓線儀、機(jī)場(chǎng)終端多普勒雷達(dá)系統(tǒng)、測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和集成業(yè)務(wù)化風(fēng)切變警報(bào)系統(tǒng)，對(duì)不同天氣狀況的風(fēng)切變進(jìn)行觀測(cè)，提前避開風(fēng)切變，提高飛行安全性。

3.4 氣象雷達(dá)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)尾流的探測(cè)運(yùn)用

飛機(jī)尾流是飛機(jī)在飛行過(guò)程中出現(xiàn)的一類不規(guī)則的飛行運(yùn)動(dòng)，是跟隨在飛機(jī)之后的兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的圓錐式渦旋氣團(tuán)，也可以說(shuō)飛機(jī)尾流就是大氣湍流的一種形式。飛機(jī)尾流會(huì)造成飛機(jī)發(fā)生下沉、抖動(dòng)等情況，嚴(yán)重的還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)停止或飛行狀態(tài)的發(fā)生改變。利用氣象雷達(dá)對(duì)飛機(jī)尾流進(jìn)行有效檢測(cè)，獲得風(fēng)場(chǎng)的具體探測(cè)數(shù)據(jù)，把探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，包括收集的大氣環(huán)境溫度、風(fēng)場(chǎng)信息、濕度等氣象數(shù)據(jù)，再借助有關(guān)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成對(duì)應(yīng)的飛機(jī)尾流變化模型，從模型的變化表現(xiàn)認(rèn)識(shí)具體尾流現(xiàn)象，以此達(dá)到在飛機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中尾流變化的監(jiān)測(cè)。