飛機尾流探測技術研究進展與應用趨勢探析

摘 要：飛機尾流指的是空氣動力飛行器在飛行過程中形成的固定的流體力學特點，包括維持時間久、空間尺度范圍大以及穩定性良好等特征，故能夠被納、雷達以及激光雷達等傳感器探測到。飛機尾流憑借自身特有的湍流，而有著獨特的電磁散射特征，通過雷達對飛機尾流進行探測有著十分高的現實意義。文章通過分析民航飛機尾流的產生與消散，闡述民航飛機尾流探傳感器技術特點、民航飛機尾流探測研究現狀，旨在為相關人員基于民航飛機尾流的產生與消散、民航飛機尾流探傳感器技術特點及民航飛機尾流探測研究現狀的民航飛機尾流探測技術的應用趨勢研究適用提供一些思路。

關鍵詞：激光雷達；探測距離；尾流消散；應用趨勢

引言

飛機尾流是飛機在飛行過程中產生的必然現象，與大氣不同，飛機尾流擁有特殊的空氣動力學特性與雷達特性。從空氣動力學的角度來分析，飛機在飛行過程中，尾部產生的氣流更加強烈，而且為不規則變化，因此飛機尾流成為了航空安全的重要影響因素。

1 民航飛機尾流的產生與消散

1.1 尾流的產生

尾流，即翼尖渦流，指的是飛機三維機翼在出現升力情況下，隨著出現誘導阻力的誘因。在飛機三維機翼出現升力情況下，飛機上翼面的壓強將不足于飛機翼面，于兩個飛機翼尖位置氣流便會自下翼面經翼尖流往飛機上翼面，如圖1所示。此外，結合懦可夫斯基升力公式，尾渦強度與尾渦相互有著下述關聯性：

？祝0=Y/pVLv=NyG/pLv

該公式中，Lv=πl/4，Lv表示飛機有效翼展，l表示飛機翼展。

圖1 飛機尾流的產生示意圖

1.2 尾流的消散

尾流的消散機制十分繁雜，飛機尾流的消散步驟、方式受局部大氣環境很大程度影響，包括大氣分層效應、風的速度場、溫度梯度以及大氣絮流度等等[1]。現階段，針對尾流的消散機理尚不十分明確，結合相關研究而言，飛機尾流消散通常存在以下幾種方式：I.經較長一段時間之后，翼尖渦流擴散能夠使得各個漩渦不斷增大，造成尾流與大氣相融合，引發尾流消散；II.即刻的結構變換，能夠片刻使漩渦中心位置加寬，造成漩渦瓦解、破裂，引發尾流消散。

2 民航飛機尾流探傳感器技術特點

2.1 激光雷達探測技術

飛機尾流的激光雷達探測技術屬于一項較為成熟的探測技術。Lockheed Corporation推行SOCRATES項目，通過激光雷達探測技術對飛機尾流進行跟蹤，達到了顯著的機場使用率、機場安全可靠性等改善效果[2]。倫敦希思羅機場開展的激光雷達探測研究發現，飛機尾流組成有著一系列有趣之處。良好的天氣環境下，激光雷達探測性能十分可觀，可確切呈現出尾流空氣動力學相關參數，能夠給予飛機升降以有利的尾流特性依據，性能發揮距離比較遠，然而在濃霧、陰雨等天氣環境下，激光雷達的傳播急劇衰減，性能發揮距離極大地下降，無法符合飛機尾流探測標準；另一方面，激光雷達探測技術還有著成本造價高的不足。

2.2 雷達

相較于激光雷達探測技術，雷達有著天氣環境適應能力佳、成本造價經濟等優勢，并且同樣可以確切呈現出尾流空氣動力學相關參數，符合民航安全對飛機尾流動態預測、檢測的標準。鑒于此，飛機尾流的雷達探測技術愈來愈得到人們的熱點關注。自上世紀八十年代到今天，歐美諸多發達國家開展了一系列飛機尾流探測研究檢測尾流雷達發射率，相關飛機尾流雷達探測研究[3]，如表1所示。自多普勒譜雷達相關研究角度出發，尾流構成成分包括兩個相對旋轉的兩個漩渦，尾流速率能夠視為兩個旋向不同的渦旋重疊，公式為：

v2（r）=v（r-r2）-v（r-r1）

其中，v（r）指的是尾渦剖面切向速率模型，r1、r2指的是渦旋中心，方程經矢量疊加一定地呈現了渦旋的動力學狀態[3]。設定飛機航速為70m/s情況下，通過單位長度尾流之中徑向速率vd所具備的體積呈現多普勒譜S（vd），單位為m3/s，統計手段獲取單渦、雙渦多普勒譜公式與單渦所得結果基本一致，公式均可表示為：

S（vd）≈？祝20/8π3d，v0≤|Vd|≤V1

其中，？祝20指的是尾流渦環值。V0=？祝0/2πBa指的是尾流多普勒最小速率值，經計算，單渦、雙渦標準差均在3m/s范圍。

3 民航飛機尾流探測研究現狀

3.1 尾流雷達探測技術的問題與趨勢

自尾流雷達探測技術研究方向而言，截止目前，它的理論研究仍舊鮮有成果。于飛機尾流探測實驗研究之中，大部分研究集中于光大、雷達等探測技術上，且尾流雷達探測技術愈來愈得到行業的熱點關注。

3.2 尾流探測技術的理論體系

現階段國際上關于尾流探測技術的相關研究所集中在民航領域，故此類研究所研究的主要方向為近程尾流相關探測實驗。相關面向反隱身實踐需要的遠程尾流探測技術的理論體系，國際上還沒有十分明確的研究方向。在我國，相關人員在進行尾流探測、尾流目標特性相關研究的一并時間，首次進行了更進一步的尾流探測技術理論體系研究，初步構建出尾流雷達回波框架，開發出Hough變換、GLRT及LMP等一系列尾流探測技術，同時研究了不同常規天氣環境下的尾流探測距離[5]。這一系列尾流探測技術的理論體系研究，極大地對雷達目標檢測理論進行了豐富，但仍沒有構筑出全面系統的尾流檢測理論體系，還有待進一步展開研究。

4 民航飛機尾流探測技術的應用趨勢

隨著社會經濟的急速進步，為航空運輸也發展創造了有利契機，機場運輸越來越繁忙，客流量越來越大，飛機尾流所引發的飛機安全隱患及尾流對機場吞吐量的制約等問題，愈來愈得到行業專家人士的熱點關注。迄今為止，世界上已存在一些機場已經配備有自身的飛機尾流探測雷達[6]。由此能夠遇見，在不久的將來，各大機場將陸陸續續配備尾流探測設備，尾流探測將成為民航領域的一項十分重要的應用。

5 結束語

綜上所述，飛機尾流探測技術研究是一項十分復雜的系統工程，要花費大量的人力、物力，為了實現飛機尾流探測技術研究的有效性，相關人員要全面認識飛機尾流的特殊目標特性，研制特有的飛機尾流檢測、跟蹤算法，并且應當權衡一系列工藝、實踐應用等需求，積極為人類社會發展做貢獻。

參考文獻

[1]戴幻堯，狄東寧，喬會東，等.飛機尾流探測技術研究進展及應用前景[J].科技導報，2013，31（31）：68-69.

[2]Luckner R，Hohne C，Fuhrmann M. Hazard criteria for wake vortex encounters during approach[J].Aerospace Science and Technology，2004，8（8）：673-687.

[3]徐群玉，寧煥生，陳唯實，等.氣象雷達在民航安全中的應用研究[J].電子學報，2010，38（9）：2147-2151.

[4]扈羅全，王雪松，李健兵，等.隨機射線方法分析飛機尾流的電磁散射特性[J].中國電子科學研究院學報，2007，2（5）：498-502.

[5]Li J B，Wang X S，Wang T. Modeling the dielectric constant distribution of wake voritices[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011，47（2）：820-831.

[6]Li J，Wang X，Wang T，et al. An improved Levin quadrature method for highly oscillatory integrals[J].Appl. Num. Math，2010，60（8）：833-842.

作者簡介：靳宇波，男，漢，中國民航大學空中交通管理學院研究生，研究方向：飛機尾流。