氣象雷達在民航飛機中的應用研究

張 旭

氣象雷達系統是運用無線電技術探知氣象狀況的一種重要技術，氣象雷達的發展大致經過了三個階段，從模擬、數字再到以美國NEXRAD 為代表的新一代氣象雷達[1]。目前已廣泛應用于天氣預報以及生產生活的各個領域，形成了專業的氣象服務。隨著電子技術的不斷發展，氣象雷達的探測技術也得到了很大的改進，應用的領域也越來越廣闊。同樣，氣象雷達在民航飛機上也得到了廣泛的應用，而且隨著民航對安全要求的不斷提高，氣象雷達在民航飛機制造領域以及相關的學術領域也引起了廣泛的關注。飛機中的機載氣象雷達系統用于在飛行中實時地探測飛機前方航路上的危險氣象區域[2]，并顯示在飛機駕駛艙的導航顯示器上面，飛行員可以根據氣象雷達的顯示選擇安全的航路，從而保障飛行的舒適和安全。

1 氣象雷達系統組成和功用

典型的機載氣象雷達系統是由天線、收發機和控制面板組成。系統輸出顯示在導航顯示器上。收發機用來發射和接收無線電脈沖信號并對接收信號進行處理和計算。天線組件位于飛機駕駛艙前方的雷達罩內，利用平板縫隙天線或拋物面天線產生窄波束。天線由方位電機驅動可正負移動90 度。還有一個仰角掃描電機用于保持天線水平姿態獨立于飛機姿態。該功能的穩定信號來自慣性基準系統或垂直陀螺儀。控制板主要用來選擇氣象雷達的工作方式，控制面板上的俯仰旋鈕可以手動控制天線的俯仰姿態。

氣象雷達的工作原理類似于回聲的原理，它通過方向性很強的天線向飛機前方180°的區域發射脈沖無線電波，傳播過程中與大氣中的介質發生相互作用。比如大氣中的云、霧和降水等水汽凝結物對無線電波的吸收和散射；無線電波在不均勻空氣中由于折射率不同產生的折射和閃電放電形成的電離介質對無線電波的散射作用；非球形粒子對圓極化波散射產生的退極化作用，以及散射體積內散射目標的運動對入射波產生的多普勒效應等[3]。通過氣象雷達的回波信號，經過處理、計算和分析，不僅可以確定探測目標的空間位置、形狀、尺度、移動和發展變化等宏觀特性，還可以根據回波信號的頻率、相位、振幅和偏振度等確定目標物的各種物理特性，比如降水強度、風場、云中的含水量、大氣湍流、降水粒子譜、鉛直氣流速度、以及閃電等。此外，還可利用對流層大氣溫度和濕度隨高度的變化而引起的折射率隨高度變化的規律，分析得出折射率的鉛直梯度，并通過對無線電波傳播條件的分析，預報雷達的探測距離。

2 氣象雷達工作模式

現代機載氣象雷達有“氣象”“氣象與湍流”和“地圖”三種工作方式“WX 模式”代表氣象模式。可以在導航顯示器上看到彩色氣象圖像。紅色區域表示非常強的暴雨，黃色表示中雨級別，綠色表示小雨級別。在導航顯示器上，還可以看到與飛機航向相關的氣象位置以及氣象位置與飛機的距離。這種方式的功用在于飛機在飛行中連續地向駕駛員提供飛機去前方航路以及兩側扇形區域中的氣象狀況，它也是機載氣象雷達的基本工作方式。

“WX/TURB 模式”代表氣象加湍流模式。湍流是一種嚴重影響飛機飛行安全的危險氣象，湍流中的氣流運動的方向和速度是急速多變的。飛機如果遇到湍流，駕駛員不僅難以操縱飛機，而且飛機還會受到比較大的應力，造成飛機產生震顫，嚴重會導致飛機結構受損，是非常危險的氣象。在湍流中，水分子往復運動，因此在飛機的縱向軸線上也有移動。這意味著，當目標向飛機移動時，回波頻率增加，而當目標遠離飛機時，回波頻率降低，這種效應也稱為多普勒效應。氣象雷達根據回波頻率變化計算出湍流區域，并以品紅色顯示在顯示器上。

“MAP 模式”代表地圖模式，它用來顯示地面的地形。飛行員用俯仰旋鈕調整天線的俯仰水平，以獲得最佳的顯示效果，使用增益旋鈕可以進行靈敏度調整。注意，工作模式和俯仰選擇會顯示在導航顯示器上。現代氣象雷達通過將天線下俯一定的角度，使雷達天線的波束照射飛機前下方地面的地表特征，此時天線所形成的波束仍然是錐形窄波束，與雷達的氣象方式的波束形狀相同。由于地表不同的物體對雷達電波反射的特性存在著差異，當雷達發射的波束到達地面時就可以在導航顯示器的氣象雷達顯示頁面顯示出飛機前下方扇形區域內的地表特征的圖像，這就是氣象雷達工作在“MAP 模式”時的地形探測功能。城市的工業化程度比較高，是由大量的鋼結構和其他金屬材料構成的工業城市，雷達的電波投射到這些區域的時候會產生比周圍大地更強的反射特性，而投射在江、河、湖、海所產生的電波反射又明顯不同于其周圍的大地表面，利用雷達反射波的不同反射特性在導航顯示器上顯示出不同的地表特征的圖像，從而對飛機前下方的地形進行探測顯示。

現代氣象雷達系統的另一個功能被稱為預警式風切變，簡稱PWS。風切變是非常危險的，因為通過它的飛機，首先會遇到一股很強的向上垂直風向，這種向上垂直風向在很短的時間內就會變成一股向下垂直風向。如果飛行員沒有得到及時的警告，未能及時糾正上升的升力，那么飛機在向上垂直風向期間將急劇抬頭，并可能失速。若未失速，飛機也會由于在短時間內氣流變為向下垂直風向，而導致飛機姿態瞬間變為低頭，并可能撞擊地面。

風切變的探測與湍流相似，雷達在回波處理中采取搜索模式。如果較近的回波頻率增加，而較遠的回波頻率降低，則檢測到風切變。當探測到風切變時，機組人員通常會得到以下指示：一個風切變符號顯示于導航顯示器中，并在風切變關鍵區域有紅色和黑色條紋，符號邊緣有額外的黃色色帶，這顯示了飛行員應該避免的航向。該警告伴隨著一個紅色風切變信息在主飛行顯示器和導航顯示器上，并且提供一個“Windshear ahead，go around”的聽覺警告。

最后是氣象雷達系統的測試模式。可以通過選擇控制面板上的測試功能或使用中央維護計算機進行測試。如果測試通過，系統在ND 上顯示測試模式圖形，左側顯示測試通過消息。如果系統中有故障，將沒有測試模式圖形顯示，并在左側顯示WXR fail（WXR 故障）消息，此外，還會顯示故障的LRU[4]。

3 氣象雷達維護注意事項

在地面操作氣象雷達系統，必須遵守重要的安全預防措施。這是因為天氣雷達的加熱和輻射效應就像微波爐一樣。因此，它可能對生命和設備造成危害，并可能在飛機加油期間引發爆炸。必須始終遵守維護手冊中規定的預防措施。對于現代氣象雷達系統，在氣象雷達工作時，通常人員應保持遠離氣象雷達天線3 米（10 英尺）到4.5 米（15 英尺）的距離[5]。

對于加油車和大型金屬物體來說，在氣象雷達工作時，安全距離應大于61 米（200 英尺）至91米（300 英尺），以防止出現閃爆等意外。注意，由于天線的掃描可能性，飛機前方的安全區域為180度范圍。

4 前景

當前，世界各國對航空安全越來越重視，特別是現代民航把安全當作是行業發展的生命線。而由于氣象原因造成的延誤和事故頻繁發生。近年來國家要求對通用航空的發展越來越強烈，加大了開放低空領域的力度。隨著低空領域的不斷開放，勢必會加大航空器在低空飛行和進近過程中的風險。所以對于機載氣象雷達系統的要求也會越來越高，包括開發不同種類以及探測原理的雷達，比如固態氣象雷達、相控陣氣象雷達和雙極化相控陣氣象雷達等[6]，從功能、性能、反應時間、抗干擾能力以及可靠性等方面去提高。現代的機載氣象雷達會向著數字化、小型化、微電子化、模塊化、自動化、智能化及系列化方向發展去發展。充分利用現代計算機技術的研究成果采用高級系統支持軟件和數據融合處理技術提高實時信號采集數據處理顯示監控及數據傳輸的性能。減少系統體積降低成本，增強可靠性與可維護性。