CN107831492B - 一种机载风切变仪及风切变探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机载风切变仪及风切变探测方法，该风切变仪包括雷达天线、收发开关、信号发射系统、实时信号接收系统、风切变数据处理系统和风切变预警输出显示系统；雷达天线安装在机头，波束指向载机正前方；收发开关与信号发射系统、实时信号接收系统以及雷达天线连接，用于在不同的工作模式下将信号发射系统或者实时信号接收系统接入工作电路中；信号发射系统与雷达天线连接，用于在设定的时间间隔内产生高频脉冲，通过雷达天线发射出去；实时信号接收系统与风切变数据处理系统相连，将接收到的数据发送至风切变数据处理系统，风切变数据处理系统将数据经计算得到风切变强度信息。

Description

一种机载风切变仪及风切变探测方法

技术领域

本发明涉及飞机安全领域，特别是涉及飞行安全机载设备领域。

背景技术

风切变是指在同一高度或不同高度短距离内风向和(或)风速变化的大气现象，在空间任何高度上都可能产生风切变。风切变是在一定的天气背景和环境条件下形成的，通常是由下沉气流产生的微下击暴流、锋面、辐射逆温型的低空急流和地形地物等形成。由于风切变具有强度大、时间短、突发性强、影响范围小、非常难预测、预报等特点，严重威胁着飞行安全。风切变已被国际航空界公认为影响飞机起飞和进场着陆安全的最危险因素，灾难性的风切变是现有任何一种飞机都无法抗拒的,唯一的对策就是回避，而回避的前提条件是飞机能提前发现风切变并实时告警。

目前，美国等大多数国家主要采用基于地面风传感器的低空风切变预警系统进行风切变探测，该系统分别将3个或2个风速、风向传感器分为一组，分成若干组，根据其所探测的风速、风向，结合各传感器的相对位置计算风场及其变化情况。如果风场是辐散的，根据对称假设所建立的微下击暴流模型，计算风速的变化，并判断下击暴流的出流中心。当风场的矢量差达到一定阈值时，产生风切变预警，可提供跑道外延伸3海里，进场走廊300米以下空域的风切变预警信息。

此种风切变系统只能探测地面的水平风切变，不能探测高空风切变。高空风切变信息是将地面风场观测数据利用数值模型反演得到。但是，通过数值模型反演高空风场的方法中存在的模拟结果不能实时完全反应真实天气情况、不能实时对危险情况发出警报。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机风切变实时报警设备，解决目前通过地面观测数据反演高空风场的方法中存在的模拟结果不能实时完全反应真实天气情况、不能实时对危险情况发出警报的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机载风切变仪，包括机载雷达设备，风切变数据处理系统和风切变预警输出显示系统；

所述机载雷达设备用于检测风切变数据，并将其发送给风切变数据处理系统，将接收到的数据发送至风切变数据处理系统，所述风切变数据处理系统将所述数据经计算得到风切变强度信息；

所述风切变预警输出显示系统与风切变数据处理系统相连，用于显示风切变强度信息。

该风切变仪的雷达包括雷达天线、收发开关、信号发射系统、实时信号接收系统、风切变数据处理系统和风切变预警输出显示系统；

雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波和接收来自该方向的回波，它安装在机头，波束指向载机正前方。天线的发射或接收作用的分工问题是由收发开关电路来解决的。天线收发开关电路的作用是，在发射机工作时，天线收发开关电路把发射机和天线之间的电路接通，使发射机输出的信号送往天线，并向空间辐射电磁波。在这同时，把接收机与天线之间的电路切断，保证了接收机工作的安全可靠。在另一种情况下，当接收机工作时，天线收发开关把接收机与天线之间的电路接通，同时切断了发射机与天线之间的电路，从而保证了回波信号只进入接收机而不进入发射机。信号发射系统的作用是每隔一定的时间产生一个很强的高频脉冲，通过天线发射出去。实时信号接收系统的作用是将天线接收回来的微弱回波信号放大并变换成足够强的信号送往风切变处理系统。风切变数据处理系统是将接收到的信号换算成风切变信息。风切变预警输出显示系统是将探测到的不同强度的风切变用不同颜色显示出来，当风切变强度大于中度时，发出警报，它安装于座舱内。机载风切变仪工作过程是，信号发射系统产生的高频大功率电磁脉冲，通过天线定向发射出去，在传播过程中，遇到目标物时，便对照射的电磁波产生散射和吸收，在雷达接收系统方向上的散射波以光波的速度沿着和发射波相反的方向传播到雷达的接收天线，并送到信号接收系统，此信号经过接收机中各级放大器和信号变换电路以后进入风切变数据处理系统，输出分切变分布信息，最后风切变预警输出显示系统将探测到的不同强度的风切变用不同颜色显示出来，并发出警报。

基于上述机载风切变仪，本发明还提供一种机载风切变探测方法，其包括以下步骤：

步骤一，实时采集雷达数据，计算风场信息；

步骤二，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息；

步骤三，将所述风切变信息通过输出显示系统显示出来。

所述步骤二具体为：

步骤2.1，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方向的速度分量；

步骤2.2，根据回波信号往返时间确定回波位置。

进一步的，所述步骤2.1具体为：机载风切变仪中的多普勒雷达通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定目标物的径向速度。要使多普勒雷达能够提取目标的多普勒运动信息，必须知道每个发射波的初相位，这样就可以比较相继返回信号的位相。如果每个发射波的初位相不知道，那么将无法知道相继返回的两个脉冲间的相移，也就无法对目标物沿雷达径向做出估计。

假定每个脉冲发射时的初始位相均为

第一个脉冲遇到距离为r₁的目标，返回到雷达的回波位相为：

一个脉冲重复周期PRT之后，第二个脉冲发出，当第二个脉冲遇到上述目标物时，该目标物距雷达的距离为r₂＝r₁+Δr，则该目标物对于第二个脉冲的回波到达雷达时的位相为：

于是，相继返回的两个脉冲之间的位相差为：

最终得到的目标物沿雷达波束径向速度的表达式：

其中脉冲重复频率PRF＝1/PRT，其中，PRT为脉冲重复周期。

进一步的，所述步骤2.2具体为：

气象目标距雷达的直线距离L，是由电磁波的传播速度C和雷达发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt(单位秒)确定。即

若时间以微秒为单位，C＝3×1000000km/s,则得L＝0.15Δt(km)。本发明具有如下创新：利用机载风廓线雷达对飞机前方风场进行实时探测，利用得到的实际气象观测数据对水平方向和垂直方向的风切变进行预警，由于此种风切变预警计算过程采用的都是实时、实际气象观测数据，所得出的结果具有较高的可信度。在不增加外部设备的基础上，能够实时得到有效的风切变数据，这种机载风切变报警仪提高了飞机对风切变天气背景的实时预警能力，具有广泛的应用前景。解决了获取风切变信息时运用地面风切变数据的不准确且有迟滞性的技术问题，使费减飞行更加安全。

附图说明

图1为本发明所述机载风切变仪工作流程图；

图2为本发明所述机载风切变仪雷达探测风场信息示意图；

图3为本发明所述某区域某时刻500百帕高空雷达风场图；

图4为本发明所述某区域某时刻500百帕高空风切变仪显示信息图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2所示，本发明提供的一种机载风切变仪，包括雷达天线、收发开关、信号发射系统、实时信号接收系统、风切变数据处理系统和风切变预警输出显示系统；

雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波和接收来自该方向的回波，它安装在机头，波束指向载机正前方。天线的发射或接收作用的分工问题是由收发开关电路来解决的。天线收发开关电路的作用是，在发射机工作时，天线收发开关电路把发射机和天线之间的电路接通，使发射机输出的信号送往天线，并向空间辐射电磁波。在这同时，把接收机与天线之间的电路切断，保证了接收机工作的安全可靠。在另一种情况下，当接收机工作时，天线收发开关把接收机与天线之间的电路接通，同时切断了发射机与天线之间的电路，从而保证了回波信号只进入接收机而不进入发射机。信号发射系统的作用是每隔一定的时间产生一个很强的高频脉冲，通过天线发射出去。实时信号接收系统的作用是将天线接收回来的微弱回波信号放大并变换成足够强的信号送往风切变处理系统。风切变数据处理系统是将接收到的信号换算成风切变信息。风切变预警输出显示系统是将探测到的不同强度的风切变用不同颜色显示出来，当风切变强度大于中度时，发出警报，它安装于座舱内。机载风切变仪工作过程是，信号发射系统产生的高频大功率电磁脉冲，通过天线定向发射出去，在传播过程中，遇到目标物时，便对照射的电磁波产生散射和吸收，在雷达接收系统方向上的散射波以光波的速度沿着和发射波相反的方向传播到雷达的接收天线，并送到信号接收系统，此信号经过接收机中各级放大器和信号变换电路以后进入风切变数据处理系统，输出分切变分布信息，最后风切变预警输出显示系统将探测到的不同强度的风切变用不同颜色显示出来，并发出警报。

基于上述机载风切变仪，本发明还提供一种机载风切变探测方法，其包括以下步骤：

步骤一，实时采集雷达数据，计算风场信息；

步骤二，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息；

步骤三，将所述风切变信息通过输出显示系统显示出来。

所述步骤二具体为：

步骤2.1，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方向的速度分量；

步骤2.2，根据回波信号往返时间确定回波位置。

进一步的，所述步骤2.1具体为：机载风切变仪中的多普勒雷达通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定目标物的径向速度。要使多普勒雷达能够提取目标的多普勒运动信息，必须知道每个发射波的初相位，这样就可以比较相继返回信号的位相。如果每个发射波的初位相不知道，那么将无法知道相继返回的两个脉冲间的相移，也就无法对目标物沿雷达径向做出估计。

假定每个脉冲发射时的初始位相均为

第一个脉冲遇到距离为r₁的目标，返回到雷达的回波位相为：

一个脉冲重复周期PRT之后，第二个脉冲发出，当第二个脉冲遇到上述目标物时，该目标物距雷达的距离为r₂＝r₁+Δr，则该目标物对于第二个脉冲的回波到达雷达时的位相为：

于是，相继返回的两个脉冲之间的位相差为：

最终得到的目标物沿雷达波束径向速度的表达式：

其中脉冲重复频率PRF＝1/PRT。

进一步的，所述步骤2.2具体为：

气象目标距雷达的直线距离L，是由电磁波的传播速度C和雷达发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt(单位秒)确定。即

若时间以微秒为单位，C＝3×1000000km/s,则得L＝0.15Δt(km)。

第一部分：本发明方法完整的步骤说明：

如图1所示，机载风切变仪，包括：

S01，实时采集机载风切变仪雷达数据，得到风场信息：

机载风切变仪中的雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。雷达的电磁波在大气传播过程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均而产生散射，其中后散射能量被风廓线雷达所接收。一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方向的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确定回波位置。

如图2所示，机载风切变仪探测的是飞机前方一定距离内的风切变信号。

S02，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息；

S03，将中度以上强度的风切变显示在显示屏上，与此同时，当风切变信息超过系统阈值时，输出预警信号。

第二部分：具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实例：2016年12月31日00：00时500百帕高空，某处机载风切变探测过程。雷达探测到的风场分布如图3所示，机载风切变仪显示出的中度以上的风切变如图4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种机载风切变仪，其特征在于，包括机载雷达设备，风切变数据处理系统和风切变预警输出显示系统；

所述机载雷达设备用于检测风切变数据，并将其发送给风切变数据处理系统，将接收到的数据发送至风切变数据处理系统，所述风切变数据处理系统将所述数据经计算得到风切变强度信息；

所述风切变预警输出显示系统与风切变数据处理系统相连，用于显示风切变强度信息；

风切变数据处理系统中的多普勒雷达通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定目标物的径向速度；

多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f₀，每个脉冲发射时的初始位相均为

λ为波长，

第一个脉冲遇到距离为r₁的目标，返回到雷达的回波位相为：

一个脉冲重复周期PRT之后，第二个脉冲发出，当第二个脉冲遇到上述目标物时，该目标物距雷达的距离为r₂＝r₁+Δr，则该目标物对于第二个脉冲的回波到达雷达时的位相为：

于是，相继返回的两个脉冲之间的位相差为：

最终得到的目标物沿雷达波束径向速度的表达式：

其中脉冲重复频率PRF＝1/PRT；其中，PRT为脉冲重复周期；

根据风场信息，提取并输出风切变信息；

所述机载雷达设备为多普勒雷达，包括雷达天线、收发开关、信号发射系统、实时信号接收系统，所述雷达天线安装在机头，波束指向载机正前方；所述收发开关与信号发射系统、实时信号接收系统以及雷达天线连接，用于在不同的工作模式下将信号发射系统或者实时信号接收系统接入工作电路中；

所述信号发射系统与雷达天线连接，用于在设定的时间间隔内产生高频脉冲，通过雷达天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种机载风切变仪，其特征在于，所述风切变预警输出显示系统安装在飞机座舱内，当风切变强度超出中度时发出警报。

3.根据权利要求2所述的一种机载风切变仪，其特征在于，当所述信号发射系统工作时，雷达天线收发开关把信号发射系统和雷达天线之间的电路接通，使信号发射系统输出的信号送往雷达天线，向空间辐射高频脉冲，并且把接收机与天线之间的电路切断。

4.根据权利要求2所述的一种机载风切变仪，其特征在于，当所述实时信号接收系统工作时，所述收发开关把实时信号接收系统与雷达天线之间的电路接通，切断信号发射系统与雷达天线之间的电路，保证回波信号只进入实时信号接收系统而不进入信号发射系统。

5.一种机载风切变探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，实时采集雷达数据，计算风场信息；

步骤二，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息；

步骤三，将所述风切变信息通过输出显示系统显示出来；

所述步骤二具体为：

步骤2.1，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方向的速度分量；

步骤2.2，根据回波信号往返时间确定回波位置；

所述步骤2.1具体为：

风切变数据处理系统中的多普勒雷达通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定目标物的径向速度；

多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f₀，每个脉冲发射时的初始位相均为

λ为波长，

第一个脉冲遇到距离为r₁的目标，返回到雷达的回波位相为：

一个脉冲重复周期PRT之后，第二个脉冲发出，当第二个脉冲遇到上述目标物时，该目标物距雷达的距离为r₂＝r₁+Δr，则该目标物对于第二个脉冲的回波到达雷达时的位相为：

于是，相继返回的两个脉冲之间的位相差为：

最终得到的目标物沿雷达波束径向速度的表达式：

其中脉冲重复频率PRF＝1/PRT；其中，PRT为脉冲重复周期。

6.根据权利要求5 所述的一种风切变探测方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：

气象目标距雷达的直线距离L，是由电磁波的传播速度C和雷达发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt确定，即

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