甄福東

【摘 要】近年來隨著民航行業(yè)的快速發(fā)展，對危險(xiǎn)天氣特別是低空風(fēng)切變的氣象服務(wù)及時(shí)性與準(zhǔn)確性要求越來越高，促進(jìn)了先進(jìn)探測設(shè)備激光測風(fēng)雷達(dá)在國內(nèi)機(jī)場的應(yīng)用。民航甘肅空管分局氣象臺在使用LEOSPHERE公司W(wǎng)INDCUBE400S-AT型及試驗(yàn)驗(yàn)證其它廠家激光測風(fēng)雷達(dá)工作期間積累大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本文從相干激光測風(fēng)雷達(dá)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對比入手，然后對相關(guān)的指標(biāo)體系進(jìn)行詳細(xì)分析和論證，對今后如何科學(xué)和合理地選擇與應(yīng)用設(shè)備有所幫助。

1.激光測風(fēng)雷達(dá)的主要性能指標(biāo)

激光測風(fēng)雷達(dá)以激光器為光源向大氣發(fā)射激光脈沖，接收大氣（氣溶膠粒子和大氣分子）的后向散射信號，通過分析發(fā)射激光的徑向多普勒頻移來反演風(fēng)速和風(fēng)向。因此一部性能優(yōu)越的激光測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)該具備相干探測要求帶寬窄;高脈沖能量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測;長脈沖寬度保證高速度分辨率;高重復(fù)率穩(wěn)定度保證速度偏差較小?？紤]在民航氣象應(yīng)用中的高精確度要求，需要激光測風(fēng)雷達(dá)具備較高的探測靈敏度和距離分辨率，因此本文從以下幾個(gè)方面做出分析和比較。

2.激光測風(fēng)雷達(dá)探測靈敏度

高靈敏度探測是相干激光測風(fēng)雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢所在，探測靈敏度指標(biāo)直接影響最終作用距離，因此在系統(tǒng)評估過程中靈敏度指標(biāo)是非常重要的。在相干探測時(shí)，光電探測器的主要噪聲來源是散彈噪聲和器件的熱噪聲，其中本振光信號對探測器的作用使得探測器中的本振散彈噪聲大大超過器件的熱噪聲和其它散彈噪聲。應(yīng)用工程計(jì)算公式可求得在量子噪聲限下相干激光雷達(dá)系統(tǒng)所能探測到的最小光功率Psmin=4.3×10-11W，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)探測靈敏度取5×10-11W。可以采取多通道并行濾波、積累等方法，可以有效地提高低信噪比下信號的探測靈敏度。因此我們在考慮激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)性能時(shí)尤其要關(guān)注運(yùn)行信噪比，特別是直接命中障礙物時(shí)的信噪比，可以判斷雷達(dá)自身的探測靈敏度和濾除雜波能力?！?】【3】

激光測風(fēng)雷達(dá)的作用距離與掃描轉(zhuǎn)速和探測靈敏度有直接對應(yīng)關(guān)系，詳見圖3-1。從圖中可以看出激光測風(fēng)雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)速越快，探測靈敏度和作用距離會降低。因此結(jié)合現(xiàn)在蘭州中川機(jī)場的小時(shí)跑道起降容量29架次和國際民航組織的低空風(fēng)切變告警刷新建議（每5分鐘或更長時(shí)間刷新），應(yīng)當(dāng)保持10°以下的掃描轉(zhuǎn)速，掃描器的瞄準(zhǔn)精度為0.1°，光束角度測量分辨率優(yōu)于0.01°。

3.激光測風(fēng)雷達(dá)距離分辨率

相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)工作在脈沖體制下時(shí)，以空氣中隨處可見的氣溶膠為測量目標(biāo)，在每個(gè)工作周期內(nèi)的回波信號是從激光發(fā)射開始在作用距離范圍內(nèi)所有氣溶膠徑向速度、強(qiáng)度等信息的連續(xù)信號。距離分辨率是由信號處理時(shí)FFT距離脈沖寬度確定的，所以需要通過選擇合適的信號處理脈寬參數(shù)來保證低空風(fēng)切變的探測距離分辨率。【2】根據(jù)蘭州中川機(jī)場低空風(fēng)切變（2017年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）發(fā)生高度的特征：300米以下發(fā)生40次，占已知發(fā)生高度總次數(shù)（60次）的62.5%，為絕大多數(shù)，而此類情況也屬于較為危險(xiǎn)的情況，特別是60米以下的14次，已經(jīng)低于決斷高度?？紤]低空風(fēng)切變（特別是微下?lián)舯┝鳎┑纳沙叨?，激光測風(fēng)雷達(dá)的距離分辨率要求一般最高為50m或75m，因此依據(jù)式（1）應(yīng)當(dāng)選擇300ns以上的脈寬參數(shù)才能滿足距離分辨率的指標(biāo)。

4.激光測風(fēng)雷達(dá)作用距離

作為探測目標(biāo)的氣溶膠、灰塵等懸浮顆粒具有漫反射目標(biāo)特性，其有效反射面積等同于有效光斑面積。根據(jù)雷達(dá)距離方程我們可以得出激光測風(fēng)雷達(dá)作用距離與發(fā)射峰值功率、接收機(jī)靈敏度有很大關(guān)系。【2】當(dāng)使用距離分辨率為50m時(shí)，為保證作用距離內(nèi)足夠的采樣點(diǎn)數(shù)，當(dāng)作用距離范圍在7.5至30公里時(shí)，雷達(dá)測量距離庫數(shù)量應(yīng)該為250至600個(gè)，實(shí)際建設(shè)中應(yīng)該根據(jù)典型測量距離，選擇盡可能多的測量庫數(shù)或采樣點(diǎn)數(shù)。

除以上分析的激光測風(fēng)雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注雷達(dá)掃描裝置的機(jī)械部分指標(biāo)，保證設(shè)備的穩(wěn)定性和持久性。比如掃描儀必須方位角360°（以0.1°遞增/減）并在傾斜角介于-19°到199°之間（以0.1°遞增/減）全面掃描。掃描儀的瞄準(zhǔn)精度不得高于0.1°，不測風(fēng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度最高為30°/s。

通過對激光測風(fēng)雷達(dá)原理分析獲得在民航氣象應(yīng)用的主要技術(shù)性能指標(biāo)，詳細(xì)分析其中關(guān)鍵性指標(biāo)和技術(shù)方案，選擇符合自身發(fā)展需要的先進(jìn)設(shè)備。也可以指導(dǎo)相應(yīng)國內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)，形成應(yīng)用于民航氣象的高性能產(chǎn)品。

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