CN116224370B - 基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法 - Google Patents

Abstract

基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，包括设置雷达俯仰角，将雷达测得的径向风速根据雷达仰角转化为水平方向投影的径向风速分量，提取同一高度层水平径向风速的最大最小值并进行拟合以确定背景风向，利用背景风向、最大背景风速值和预警时间参数，标注低空风切变预警范围，利用风切变强度公式获得各预警区域内风切变强度值，通过风切变强度时间变化差值判断该预警区域是否发生低空风切变并进行标记，结合风切变预警逻辑实现低空风切变的短时预警。本发明克服了现有方法只能实现飞行器跑道等区域的低空风切变告警的不足，实现了影响平稳飞行的低空风切变气团的短时预警，提高低空风切变告警与预警准确率，为航空安全提供气象保障。

Description

基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法

技术领域

本发明涉及一种基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，属于激光雷达技术和航空安全保障技术领域。

背景技术

扫描型多普勒激光雷达普遍利用多普勒原理测量径向风速。通过向大气中发射一束激光光束，检测大气中气溶胶粒子光回波信号所产生的多普勒频移量，获得激光光束方向的径向速度。通过分析气溶胶粒子的后向散射信号f _signal 的频率与发射激光的频率f _laser 的差，即多普勒频移f _D =f _signal - f _laser ，准确计算出背景风场在激光发射方向的分量，即径向风速V _Los 。径向风速V _Los 可由多普勒频移f _D 计算得到：

，其中，V是背景风速，即风矢量；θ为激光出射方向和气溶胶粒子运动方向的夹角，V _Los 为径向速度，λ为发射激光波长，f _D 为多普勒频移。扫描型激光雷达通过转动激光发射系统，对目标区域进行扫描测量，通过数据重构和数据坐标系转换获得扫描区域的径向风速信息。

现有低空风切变识别方法主要采用风速差告警或风切变强度告警，即某一空间区域内的风速差超过15 kt时可判断为该区域易发生低空风切变。现有激光雷达的风切变算法所关注的区域只针对飞行器降落区域，实现临近告警和实时告警，无法实现短时预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，以克服现有方法的不足。该方法能够将直接测得的径向风速数据进行低空风切变短时预警，更加准确的识别低空风切变并实现对机场区域及其周边区域的低空风切变的短时预警。

本发明的低空风切变预警方法的原理是：设置扫描型激光雷达的扫描俯仰角，读取扫描型多普勒激光雷达测得的径向风速数据，根据激光雷达的仰角信息将其转化为投影至水平方向的径向风速分量，利用提取同一高度层上径向风速水平分量的最大值和最小值并进行拟合的方法确定背景风向，利用背景风向、最大风速值和预警时间参数，标注低空风切变预警范围，利用风切变强度计算公式获得各预警区域内的风切变强度值，通过风切变强度时间变化差值判断该预警区域是否发生低空风切变并进行标记，通过预警区域追踪，结合相应预警逻辑获得风切变预警信息，从而实现低空风切变的短时预警。

基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，包括以下步骤。

步骤（1）设置激光雷达模式：扫描型多普勒激光雷达的工作模式需设置为PPI（Plan Position Indicator，平面位置显示）扫描模式，获得机场区域每个空间点的径向风速数据。

步骤（2）获取水平方向投影的径向风速分量：读取由扫描型多普勒激光雷达测量所得机场上方区域每个空间点的径向风速V _Los ，根据雷达测量数据的俯仰角θ，将其转换为投影至水平方向的径向风速分量V _HLos =V _Los /cos(θ)。后续将基于径向风速在水平方向投影所得分量进行风切变强度的计算与风切变预警功能的实现。

步骤（3）数据质量控制：读取扫描型多普勒激光雷达的信噪比或载噪比数据，设置信噪比或载噪比阈值，对水平方向投影的径向风速分量进行预处理，将不满足阈值的水平方向投影的径向风速分量设置为空值并剔除，在后续的数据处理过程中将不对低于阈值的数据进行处理。其中，信噪比或载噪比阈值可根据激光雷达系统型号通过常规技术确定。

步骤（4）求取背景风场风速风向：提取同一距离库（即同一高度）中水平方向投影的径向风速分量数据的最大值V _maxi 和最小值V _mini ，i表示第i个距离库，对所有最大值和最小值取绝对值，再取其平均作为测量时刻的背景风场风速V _background ，对所有最大值和最小值的坐标进行一次方曲线拟合，曲线拟合的斜率对应为背景风场的风向WD _background 。此步骤中所用方法较现有技术可实现背景风场参数的实时求取，且可结合前一时刻的背景风场参数进行，避免因特殊天气过程引入误差。

步骤（5）预警区域选取：首先按照常规方法选取起降关注区域，所述起降关注区域包括跑道及其两端各三个边长1海里的正方形区域；根据背景风向或塔台指令确定预警区域的方位；位于预警方位的三个正方形区域组成一长方形区域，长方形区域的两条对角线选取与风向夹角较大的一条，以该条对角线上两个顶点为起点、以逆风方向做两条与风向平行的射线，以靠近跑道的正方形中心点做与风向垂直的垂线，以位于两条射线之间的垂线段作为气流抵达线；

设定多段递增的预警时间m₀=0，m₁，m₂，…，m_n；自气流抵达线出发，以当前风速历时m₀，m₁，m₂，…，m_n反向到达位置的垂线段为各段预警线，相邻两段预警线之间的区域即为预警区域；

此步骤中预警时间的数量与时长均可调，通常结合背景风场参数、根据实际预警需求设定，其数量一般在2至5之间，其时长一般递增且在1至15分钟之间。

步骤（6）风切变强度计算：取各预警区域内任意两点间的风切变强度最大值作为该预警区域的风切变强度值。具体是，提取步骤5)中得到的各预警区域范围内每一个空间点对应的水平方向投影的径向风速分量，根据现有风切变强度计算公式计算得到每个预警区域内任意两点间的风切变强度，取各预警区域内最大值视为该预警区域的风切变强度值。

步骤（7）风切变预警判定：利用风切变强度随时间变化的差值判定每个预警区域内是否发生风切变。

例如，若某时刻风切变强度与前一时刻风切变强度差值超过其前三个时刻内风切变强度均值的20%，则判定该时刻所在预警区域发生风切变。

步骤（8）风切变预警判定：如果最接近飞行器起降关注区域的预警区域发生风切变，且其他预警区域中有超过一半发生风切变，则判定飞行器在起降关注区域存在遭遇风切变的风险。

所述步骤（5）中根据背景风向确定预警区域的方位是根据飞行器的逆风起降规则，选择下风向一侧作为预警区域的方位。

上述测量法可用于对机场上方区域及其周边区域的风场信息进行反演，并实现低空风切变的预警。

本发明与现有方法相比，主要优点在于：

1.本方法通过对飞行器起降关注区域的上风向区域（由所述全部预警区域组成）的水平方向投影的径向风速分量的提取，可计算获得上风向区域内的低空风切变强度和风速差，相比于传统方法只针对飞行器降落区域的风切变强度监测，本方法实现了上风向预警区域的低空风切变强度和风速差计算，进而实现低空风切变的短时预警。

2.本方法原理简单，数据处理过程耗时少，方法的准确性高，无需改动激光雷达系统，只需要设计合理观测模式，划分目标区域即可求得上风向预警区域的风切变强度值，并根据背景风场相关信息，获得低空风切变的短时预警信息。

附图说明

图1是低空风切变短时预警方法流程图。

图2是多普勒激光雷达扫描告警区域示意图。

图3是低空风切变短时预警区域示意图。

具体实施方式

基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，流程如图1所示，流程图中以3个预警区域为例，详见步骤5，具体如下。

步骤（1），激光雷达模式设置

扫描型多普勒激光雷达的工作模式需设置为PPI扫描模式，获得机场区域每个空间点的径向风速数据。PPI扫描模式是指固定仰角、改变方位角的扫描方式，获得的数据反演结果是以雷达为中心的极坐标的形式。本发明尤其适用于俯仰角较小的PPI扫描模式，可根据实际观测需求设置PPI扫描模式的俯仰角。

步骤（2），水平方向投影的径向风速分量获取

读取由扫描型多普勒激光雷达测量所得机场上方区域的径向风速数据V _Los ，根据雷达的测量数据的俯仰角θ，将其转换为投影至水平方向的径向风速分量V _HLos =V _Los /cos(θ)。后续将基于径向风速在水平方向投影所得分量数据进行风切变强度的计算与风切变预警功能的实现。

步骤（3），数据质量控制

读取多普勒激光雷达的信噪比数据，通过设置信噪比或载噪比阈值的方法，对水平方向投影的径向风速分量数据进行预处理，将不满足阈值的水平方向投影的径向风速分量数据设置为空值并剔除，在后续的数据处理过程中将不对低于阈值的数据进行处理。其中，数据质量控制阈值取决于激光雷达系统型号，同时也可参考环境地形、天气情况与预警范围需求等进行设定。

步骤（4），背景风场参数求取

提取同一距离库（即同一高度）的水平方向投影的径向风速分量数据的最大值V _maxi 和最小值V _mini ，i表示第i个距离库，并标记其所在的空间位置，对所有最大值和最小值数据取绝对值，再取其平均作为测量时刻的背景风场风速V _background ，对所有最大值和最小值的坐标进行一次方曲线拟合，曲线拟合的斜率对应为背景风场的风向WD _background 。此步骤中所用方法可实现背景风场参数的实时求取，且可结合前一时刻的背景风场参数进行，避免因特殊天气过程引入误差。

以南北向跑道为例，多普勒激光雷达扫描告警区域示意图及背景风场参数求取过程如图2所示，其中圆形范围代表激光雷达扫描区域，N和S分别表示南、北方向，按常规方式先从跑道南/北端分别向南/北标记出飞行器起降关注区域，即图中飞机跑道与六个方形框所示范围，其中每个方形框长度为1海里（即1.852千米），五角星点表示风速最小值所在位置，菱形点表示风速最大值所在位置，箭头代表拟合所得背景风向，图中示例为东北风。

步骤（5），预警区域选取

首先按照常规方法选取起降关注区域，所述起降关注区域包括跑道及其两端各三个边长1海里的方形区域，具体如前文所示；然后利用步骤4得到的背景风向WD _background 或根据塔台指令确定预警区域的方位，一般地，飞行器逆风起降。

位于预警方位的三个方形区域组成一长方形区域，长方形区域的两条对角线选取与风向夹角较大的一条，以该条对角线上两个顶点为起点、以逆风方向做两条与风向平行的射线，以靠近跑道的正方形中心点做与风向垂直的垂线，以位于两条射线之间的垂线段作为气流抵达线，如图3。

设定多段递增的预警时间m₀=0，m₁，m₂，…，m_n；自气流抵达线出发，以当前风速历时m₀，m₁，m₂，…，m_n反向到达位置的垂线段为各段预警线，相邻两段预警线之间的区域即为预警区域；

此步骤中预警时间参数m₁，m₂，…，m_n的数量与时长均可调，可根据实际预警需求设定，如2≤n≤5，1≤m_i≤15，i=1,…,n；在背景风向WD _background 方向下，设第i个预警区域距飞行器起降关注区域最近与最远距离线分别为D_i-1与D_i，则D_i - D_i-1=(m_i – m_i-1)×V _background 。

例如，默认m₀为0，当选定n为3时，设定m₁，m₂，m₃三个预警时间分别为3，5，10，则东北风条件下的短时预警区域如图3所示，此时飞行器使用南跑道起降；图中N和S分别表示南、北方向，从跑道南/北端分别向南/北标记出飞行器起降关注区域，即图中六个方形框所示范围，其中每个方形框长度为1海里，虚线框所示范围对应三个预警区域，由与背景风向平行、垂直的虚线构成，其中与背景风向平行的射线分别经过南方三个方形框的左上/右下点，与背景风向垂直的垂线段分别表示当前位置风场将于3分钟、5分钟与10分钟后到达飞行器起降关注区域。

步骤（6），风切变强度计算

提取步骤（6）中得到的各预警区域范围内每一个空间点对应的水平方向投影的径向风速分量，根据现有风切变强度计算公式计算每个预警区域内任意两点间的风切变强度，将预警范围内风切变强度的最大值视为该区域风切变强度值I；

其中，风切变强度计算公式为

，其中/>

为水平方向投影的径向风速分量变化梯度，V _app 为飞行器进近速度，ΔV为风速的变化总量，R为斜坡长度，/>

为风速的变化率。

步骤（7），风切变预警区域判定

利用步骤（6）中计算得到的风切变强度，计算其随时间变化的差值I_t-I_t-1，判定每个预警区域内是否发生风切变。

例如，若某时刻风切变强度与前一时刻风切变强度差值超过其前三个时刻内风切变强度均值的20%，则判定该时刻所在预警区域发生风切变。也可以将差值设为发生风切变的必要条件，再根据差值并结合背景风场参数、激光雷达所在位置、预警时间利用现有技术判定每个预警区域内是否发生风切变。

步骤（8），风切变预警判定：如果最接近飞行器起降关注区域的预警区域发生风切变，且其他预警区域中发生风切变的预警区域数量达到或超出预警区域总数量的一半，则判定飞行器在起降关注区域存在遭遇风切变的风险。

例如，当步骤5中选定n为3时，其对应预警逻辑如表1所示，其中1代表告警，0代表不告警；将m₁，m₂，m₃设置为3，5，10时，各预警区域内的风切变强度值随时间变化序列如表2所示，可知，低空风切变强度值较强区域的数值随告警区域的变化而变化，且存在显著规律，最终到达可对飞行器起降造成影响的目标区域。

实施例

2021年中国海洋大学在兰州中川国际机场利用扫描型多普勒激光雷达测得的径向风速数据进行验证，如图1、图2、图3、表1和表2所示。图1是低空风切变短时预警方法流程图，图2是多普勒激光雷达扫描告警区域示意图，图3低空风切变短时预警区域示意图，表1是基于示例条件的低空风切变短时预警逻辑查找表，表2是基于示例条件的各预警区域内低空风切变强度值时间序列。

表1 基于示例条件的低空风切变短时预警逻辑查找表

预警区域3	0	0	0	0	1	1	1	1
									预警区域2	0	0	1	1	0	1	0	1
预警区域1	0	1	0	1	0	0	1	1
									预警Flag	0	0	0	1	0	0	1	1

表2 基于示例条件的不同预警区域内低空风切变强度值的时间序列

时间	17:57	17:58	17:59	18:00	18:01	18:02	18:03
								预警区域3	0.08	0.09	0.07	0.08	0.09	0.09	\
预警区域2	0.07	0.11	0.09	0.03	0.04	0.11	0.13
								预警区域1	0.09	0.14	0.10	0.05	0.06	0.12	0.13

该算法应用于对航空器起降关注区域及其周边区域的风场信息进行反演，并实现低空风切变的告警，可以获得上风向预警区域内的低空风切变强度和风速差，本方法实现了上风向预警区域的低空风切变强度显示和风速差计算，进而实现低空风切变的短时预警，以避免飞行器在起降阶段因遭遇风切变而造成的事故，为航空安全提供气象保障。

Claims (5)

1.基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，包括：

步骤（1）设置激光雷达模式；

步骤（2）获取水平方向投影的径向风速分量；

步骤（3）数据质量控制；

其特征还包括：

步骤（4）求取背景风场风速风向；

步骤（5）预警区域选取：以跑道及其两端各三个边长1 海里的正方形区域作为起降关注区域；根据背景风向或塔台指令确定预警区域的方位；位于预警方位的长方形区域的两条对角线取与风向夹角较大的一条，以该条对角线上两个顶点为起点、以逆风方向做两条与风向平行的射线，以靠近跑道的正方形中心点做与风向垂直的垂线，以位于两条射线之间的垂线段作为气流抵达线；

设定多段递增的预警时间m₀=0，m₁，m₂，…，m_n，单位分钟；自气流抵达线出发，以当前风速历时m₀，m₁，m₂，…，m_n 反向到达位置的垂线段为各段预警线，相邻两段预警线之间的区域即为预警区域；

步骤（6）风切变强度计算：取各预警区域内任意两点间的风切变强度最大值作为该预警区域的风切变强度值；

步骤（7）风切变预警区域判定：利用风切变强度随时间变化的差值判定每个预警区域内是否发生风切变；

步骤（8）风切变预警判定：如果最近的预警区域发生风切变，且其他预警区域中有超过一半发生风切变，则判定飞行器在起降关注区域存在遭遇风切变的风险。

2. 如权利要求1 所述的基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，其特征在于所述步骤（4）中采用以下方法求取背景风场风速风向：提取各距离库中水平方向投影的径向风速分量的最大值和最小值，对所有最大值和最小值取绝对值，再取平均作为测量时刻的背景风场风速，对所有最大值和最小值的坐标进行一次方曲线拟合，曲线拟合的斜率对应为背景风场的风向。

3. 如权利要求1 所述的基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，其特征在于所述步骤（5）中根据背景风向确定预警区域的方位是根据飞行器的逆风起降规则，选择下风向一侧作为预警区域的方位。

4. 如权利要求1 所述的基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，其特征在于所述步骤（6）中预警时间的数量与时长分别为2≤n≤5，1≤m_i≤15，单位分钟，i=1,…,n。

5.如权利要求1 所述的基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法，其特征在于所述步骤（7）中某时刻风切变强度与前一时刻风切变强度差值超过其前三个时刻内风切变强度均值的20%，则判定该时刻所在预警区域发生风切变。

Images