CN111220982A - 一种机载晴空颠簸探测仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种机载晴空颠簸探测仪及其工作方法。涉及机载设备领域。提出了一种结构精巧、探测效果好，能够实时完全反应真实天气情况，并能够对危险情况发出警报的机载晴空颠簸探测仪及其工作方法。本发明的技术方案为：包括固定连接在飞机中的天线、收发开关、发射机、接收机、数据处理系统和固定连接在飞机的驾驶舱中的显示器。按以下步骤进行工作：1)、雷达信号收发；2)、数据计算；3)、结果显示。本案采用机载的应用方式，并通过显示器可直观的反馈给飞机的操作人员，使得操作人员可更好、更快的做出应对，使得本案中机载的晴空颠簸报警仪提高了飞机对晴空颠簸的实时预警能力，具有广泛的应用前景。

Description

一种机载晴空颠簸探测仪及其工作方法

技术领域

本发明涉及机载设备领域。

背景技术

晴空颠簸是指在6000米以上高空，没有任何明显的对流活动时，发生的颠簸。飞机在飞行中遇到晴空颠簸，就会产生振颤、上下抛掷、左右摇晃，造成操纵困难、仪表不准等现象。晴空颠簸通常发生在空中气温水平梯度较大和风切变较大的地区，如果高空存在某些天气系统如急流、锋区、槽线等，它们造成了温度与风的急剧变化，在这些区域就会出现晴空颠簸。由于晴空颠簸不伴有可见的天气现象，飞行员难于事先发现，对飞行威胁很大。根据美国国家运输安全委员会指导，1964-1975年的12年间的729起飞行事故中有68次与晴空颠簸有关，可见晴空颠簸是影响飞行安全的重要因素，准确可靠、及时可用的晴空颠簸预测显得尤为重要。

目前，晴空湍流预报的主要方法有两种。一种方法是基于大气扰动层生成的一般原理，对产生晴空湍流的天气形势和条件展开研究，如高空槽脊、高空锋、切变线、高空急流等。飞机颠簸和大气湍流多发生在风的垂直切变区，风的水平切变区、流场的辐合或辐散区、流场的水平变形区、流场变化的不连续区、强的水平温度梯度区这六个特性区域。

此种晴空颠簸探测系统只能探测高空晴空颠簸。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

本发明针对以上问题，提出了一种结构精巧、探测效果好，能够实时完全反应真实天气情况，并能够对危险情况发出警报的机载晴空颠簸探测仪及其工作方法。

本发明的技术方案为：包括固定连接在飞机中的天线、收发开关、发射机、接收机、数据处理系统和固定连接在飞机的驾驶舱中的显示器，所述天线、发射机、接收机均连接所述收发开关，所述数据处理系统连接在接收机与显示器之间；

发射机在依次经过收发开关、天线后，定向发出高频大功率的电磁波；

天线收到回波信号后，经过收发开关传送至接收机，对回拨信号进行放大处理，并传送至数据处理系统中；

通过数据处理系统进行数据处理和计算；

通过显示器显示晴空颠簸程度的信息。

按以下步骤进行工作：

1)、雷达信号收发：

1.1)、发射机每隔1分钟工作一次，工作后产生高频大功率的电磁波，并在依次经过收发开关、天线后，定向发出发射信号；

1.2)、通过天线接收回波信号，并经过收发开关传送至接收机中，通过接收机对回波信号进行放大和变换；

2)、数据计算：数据处理中心根据发射信号、回波信号和位势高度进行计算；

2.1)、获取湍流点的经度x、纬度y和位势高度z；

2.2)、通过发射信号、回波信号计算风场信息，得到湍流点的经向风速v和纬向风速u；

2.3)、通过风场信息和位势高度信息计算Brown指数；

2.3.1)、利用双向差分法分别计算微分

和

2.3.2)、算绝对涡度ζ_a＝ζ+f；

由于大气基本作水平运动，所以在此着重讨论水平面上的旋转，即研究垂直方向上的涡度分量，故将相对涡度ζ简化为

(单位：s^-1)；

其中科氏参数f是与维度有关的一个变数，考虑到维度变化不大，对科氏力大小的影响较小，将科氏参数取为一个定值，即取平均纬度30°；

科氏参数f＝2*7.292*10.^(-5)*sin(30*pi/180)；

2.3.3)、计算切变变形项D_SH：

2.3.4)、计算切变变形项D_ST：

2.3.5)、计算垂直风切变S_v：

2.3.6)、计算Brown指数数值：

其中ζ_a是绝对涡度，D_SH是切变变形项，D_ST是拉伸变形项，S_v是垂直风切变；

2.4)、将计算出的Brown指数与系统阈值进行综合比较；

3)、结果显示：将步骤2.4)中的比较结果显示在显示器上，并在Brown指数超过系统阈值时，发出晴空颠簸警报。

本发明的有益效果是：通过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飞机前方一定范围内晴空颠簸进行预警，由于此种晴空颠簸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。同时，本案采用机载的应用方式，并通过显示器可直观的反馈给飞机的操作人员，使得操作人员可更好、更快的做出应对，使得本案中机载的晴空颠簸报警仪提高了飞机对晴空颠簸的实时预警能力，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本案的结构示意图。

具体实施方式

本发明如图1所示，包括固定连接在飞机中的天线、收发开关、发射机、接收机、数据处理系统和固定连接在飞机的驾驶舱中的显示器，所述天线、发射机、接收机均连接所述收发开关，所述数据处理系统连接在接收机与显示器之间；从而采用机载的应用方式，并通过显示器可直观的反馈给飞机的操作人员，使得操作人员可更好、更快的做出应对；

发射机在依次经过收发开关、天线后，定向发出高频大功率的电磁波；

天线收到回波信号后，经过收发开关传送至接收机，对回拨信号进行放大处理，并传送至数据处理系统中；

通过数据处理系统进行数据处理和计算；

通过显示器显示晴空颠簸程度的信息。

按以下步骤进行工作：

1)、雷达信号收发：

1.1)、发射机每隔1分钟工作一次，工作后产生高频大功率的电磁波，并在依次经过收发开关、天线后，定向发出发射信号；此后，电磁波在以光速传播的过程中，遇到雨滴，云滴等目标，可定义为湍流点，便对照射的电磁波产生散射和吸收，而在产生的散射波中，沿着雷达接收机方向和发射波方向相反的回波，将以光波的速度回到天线；

1.2)、通过天线接收回波信号，并经过收发开关传送至接收机中，通过接收机对回波信号进行放大和变换；

其中，一方面，由于回波信号比发射信号能量要小得多，无法直接认识其中的信息，必须经过接收机中各级放大器和信号变换电路放大和变换后，才能识别。另一方面，由于雷达发射和接受的都是持续时间极短(微秒量级)、间歇时间很长(千微秒量级)的高频脉冲波，这就使发射和接收共用一根天线，它既是发射系统又是接收系统，它具有发射电磁波和接收回波信号的双重作用。

收发开关的作用是：在发射机工作时，天线收发开关电路把天线和发射机之间的电路接通，使发射机产生的巨大能量不能直接进入接收机，从而保证接收机工作的安全可靠；当发射机停止工作时，天线立即和接收机接通，同时切断发射机与天线之间的电路。本案的时间分辨率为1分钟。

2)、数据计算：数据处理中心根据发射信号、回波信号和位势高度进行计算；

2.1)、获取湍流点(回波信号产生的位置)的经度x、纬度y和位势高度z；由于雷达设置在飞机上，因此，结合湍流点的回波的距离、方向角等参数以及飞机自身的经纬度即可获取湍流点的经度x、纬度y和位势高度z；

2.2)、通过发射信号、回波信号计算风场信息，得到湍流点的经向风速v和纬向风速u；主要从雷达获取的后向散射的能量，从而利用多普勒效应确定气流沿雷达波束方向的速度分量，从而实时提供大气的风场信息，对于风场信息中经向风速v和纬向风速u的计算为现有技术中的常规技术手段，因此，本案中不再赘述；

2.3)、通过风场信息和位势高度信息计算Brown指数；

2.3.1)、利用双向差分法分别计算微分

和

2.3.2)、算绝对涡度ζ_a＝ζ+f；

由于大气基本作水平运动，所以在此着重讨论水平面上的旋转，即研究垂直方向上的涡度分量，故将相对涡度ζ简化为

(单位：s^-1)；

其中科氏参数f是与维度有关的一个变数，考虑到维度变化不大，对科氏力大小的影响较小，将科氏参数取为一个定值，即取平均纬度30°；

科氏参数f＝2*7.292*10.^(-5)*sin(30*pi/180)；

2.3.3)、计算切变变形项D_SH：

2.3.4)、计算切变变形项D_ST：

2.3.5)、计算垂直风切变S_v：

2.3.6)、计算Brown指数数值：

其中ζ_a是绝对涡度，D_SH是切变变形项，D_ST是拉伸变形项，S_v是垂直风切变；

2.4)、将计算出的Brown指数与预先设定的系统阈值进行综合比较；从而利用Brown指数是否超标对飞机前方湍流点的晴空颠簸进行有效预警；

3)、结果显示：将步骤2.4)中的比较结果显示在显示器上，并在Brown指数超过系统阈值时，发出晴空颠簸警报。

Claims (2)

1.一种机载晴空颠簸探测仪，其特征在于，包括固定连接在飞机中的天线、收发开关、发射机、接收机、数据处理系统和固定连接在飞机的驾驶舱中的显示器，所述天线、发射机、接收机均连接所述收发开关，所述数据处理系统连接在接收机与显示器之间；

发射机在依次经过收发开关、天线后，定向发出高频大功率的电磁波；

天线收到回波信号后，经过收发开关传送至接收机，对回拨信号进行放大处理，并传送至数据处理系统中；

通过数据处理系统进行数据处理和计算；

通过显示器显示晴空颠簸程度的信息。

2.一种权利要求1所述的一种机载晴空颠簸探测仪的工作方法，其特征在于，按以下步骤进行工作：

1)、雷达信号收发：

1.1)、发射机每隔1分钟工作一次，工作后产生高频大功率的电磁波，并在依次经过收发开关、天线后，定向发出发射信号；

1.2)、通过天线接收回波信号，并经过收发开关传送至接收机中，通过接收机对回波信号进行放大和变换；

2)、数据计算：数据处理中心根据发射信号、回波信号和位势高度进行计算；

2.1)、获取湍流点的经度x、纬度y和位势高度z；

2.2)、通过发射信号、回波信号计算风场信息，得到湍流点的经向风速v和纬向风速u；

2.3)、通过风场信息和位势高度信息计算Brown指数；

2.3.1)、利用双向差分法分别计算微分

和

2.3.2)、算绝对涡度ζ_a＝ζ+f；

由于大气基本作水平运动，所以在此着重讨论水平面上的旋转，即研究垂直方向上的涡度分量，故将相对涡度ζ简化为

(单位：s^-1)；

其中科氏参数f是与维度有关的一个变数，考虑到维度变化不大，对科氏力大小的影响较小，将科氏参数取为一个定值，即取平均纬度30°；

科氏参数f＝2*7.292*10.^(-5)*sin(30*pi/180)；

2.3.3)、计算切变变形项D_SH：

2.3.4)、计算切变变形项D_ST：

2.3.5)、计算垂直风切变S_v：

2.3.6)、计算Brown指数数值：

其中ζ_a是绝对涡度，D_SH是切变变形项，D_ST是拉伸变形项，S_v是垂直风切变；

2.4)、将计算出的Brown指数与系统阈值进行综合比较；

3)、结果显示：将步骤2.4)中的比较结果显示在显示器上，并在Brown指数超过系统阈值时，发出晴空颠簸警报。

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