气象雷达在民航飞机中的应用研究

张 旭

气象雷达系统是运用无线电技术探知气象状况的一种重要技术，气象雷达的发展大致经过了三个阶段，从模拟、数字再到以美国NEXRAD 为代表的新一代气象雷达[1]。目前已广泛应用于天气预报以及生产生活的各个领域，形成了专业的气象服务。随着电子技术的不断发展，气象雷达的探测技术也得到了很大的改进，应用的领域也越来越广阔。同样，气象雷达在民航飞机上也得到了广泛的应用，而且随着民航对安全要求的不断提高，气象雷达在民航飞机制造领域以及相关的学术领域也引起了广泛的关注。飞机中的机载气象雷达系统用于在飞行中实时地探测飞机前方航路上的危险气象区域[2]，并显示在飞机驾驶舱的导航显示器上面，飞行员可以根据气象雷达的显示选择安全的航路，从而保障飞行的舒适和安全。

1 气象雷达系统组成和功用

典型的机载气象雷达系统是由天线、收发机和控制面板组成。系统输出显示在导航显示器上。收发机用来发射和接收无线电脉冲信号并对接收信号进行处理和计算。天线组件位于飞机驾驶舱前方的雷达罩内，利用平板缝隙天线或抛物面天线产生窄波束。天线由方位电机驱动可正负移动90 度。还有一个仰角扫描电机用于保持天线水平姿态独立于飞机姿态。该功能的稳定信号来自惯性基准系统或垂直陀螺仪。控制板主要用来选择气象雷达的工作方式，控制面板上的俯仰旋钮可以手动控制天线的俯仰姿态。

气象雷达的工作原理类似于回声的原理，它通过方向性很强的天线向飞机前方180°的区域发射脉冲无线电波，传播过程中与大气中的介质发生相互作用。比如大气中的云、雾和降水等水汽凝结物对无线电波的吸收和散射；无线电波在不均匀空气中由于折射率不同产生的折射和闪电放电形成的电离介质对无线电波的散射作用；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用，以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等[3]。通过气象雷达的回波信号，经过处理、计算和分析，不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号的频率、相位、振幅和偏振度等确定目标物的各种物理特性，比如降水强度、风场、云中的含水量、大气湍流、降水粒子谱、铅直气流速度、以及闪电等。此外，还可利用对流层大气温度和湿度随高度的变化而引起的折射率随高度变化的规律，分析得出折射率的铅直梯度，并通过对无线电波传播条件的分析，预报雷达的探测距离。

2 气象雷达工作模式

现代机载气象雷达有“气象”“气象与湍流”和“地图”三种工作方式“WX 模式”代表气象模式。可以在导航显示器上看到彩色气象图像。红色区域表示非常强的暴雨，黄色表示中雨级别，绿色表示小雨级别。在导航显示器上，还可以看到与飞机航向相关的气象位置以及气象位置与飞机的距离。这种方式的功用在于飞机在飞行中连续地向驾驶员提供飞机去前方航路以及两侧扇形区域中的气象状况，它也是机载气象雷达的基本工作方式。

“WX/TURB 模式”代表气象加湍流模式。湍流是一种严重影响飞机飞行安全的危险气象，湍流中的气流运动的方向和速度是急速多变的。飞机如果遇到湍流，驾驶员不仅难以操纵飞机，而且飞机还会受到比较大的应力，造成飞机产生震颤，严重会导致飞机结构受损，是非常危险的气象。在湍流中，水分子往复运动，因此在飞机的纵向轴线上也有移动。这意味着，当目标向飞机移动时，回波频率增加，而当目标远离飞机时，回波频率降低，这种效应也称为多普勒效应。气象雷达根据回波频率变化计算出湍流区域，并以品红色显示在显示器上。

“MAP 模式”代表地图模式，它用来显示地面的地形。飞行员用俯仰旋钮调整天线的俯仰水平，以获得最佳的显示效果，使用增益旋钮可以进行灵敏度调整。注意，工作模式和俯仰选择会显示在导航显示器上。现代气象雷达通过将天线下俯一定的角度，使雷达天线的波束照射飞机前下方地面的地表特征，此时天线所形成的波束仍然是锥形窄波束，与雷达的气象方式的波束形状相同。由于地表不同的物体对雷达电波反射的特性存在着差异，当雷达发射的波束到达地面时就可以在导航显示器的气象雷达显示页面显示出飞机前下方扇形区域内的地表特征的图像，这就是气象雷达工作在“MAP 模式”时的地形探测功能。城市的工业化程度比较高，是由大量的钢结构和其他金属材料构成的工业城市，雷达的电波投射到这些区域的时候会产生比周围大地更强的反射特性，而投射在江、河、湖、海所产生的电波反射又明显不同于其周围的大地表面，利用雷达反射波的不同反射特性在导航显示器上显示出不同的地表特征的图像，从而对飞机前下方的地形进行探测显示。

现代气象雷达系统的另一个功能被称为预警式风切变，简称PWS。风切变是非常危险的，因为通过它的飞机，首先会遇到一股很强的向上垂直风向，这种向上垂直风向在很短的时间内就会变成一股向下垂直风向。如果飞行员没有得到及时的警告，未能及时纠正上升的升力，那么飞机在向上垂直风向期间将急剧抬头，并可能失速。若未失速，飞机也会由于在短时间内气流变为向下垂直风向，而导致飞机姿态瞬间变为低头，并可能撞击地面。

风切变的探测与湍流相似，雷达在回波处理中采取搜索模式。如果较近的回波频率增加，而较远的回波频率降低，则检测到风切变。当探测到风切变时，机组人员通常会得到以下指示：一个风切变符号显示于导航显示器中，并在风切变关键区域有红色和黑色条纹，符号边缘有额外的黄色色带，这显示了飞行员应该避免的航向。该警告伴随着一个红色风切变信息在主飞行显示器和导航显示器上，并且提供一个“Windshear ahead，go around”的听觉警告。

最后是气象雷达系统的测试模式。可以通过选择控制面板上的测试功能或使用中央维护计算机进行测试。如果测试通过，系统在ND 上显示测试模式图形，左侧显示测试通过消息。如果系统中有故障，将没有测试模式图形显示，并在左侧显示WXR fail（WXR 故障）消息，此外，还会显示故障的LRU[4]。

3 气象雷达维护注意事项

在地面操作气象雷达系统，必须遵守重要的安全预防措施。这是因为天气雷达的加热和辐射效应就像微波炉一样。因此，它可能对生命和设备造成危害，并可能在飞机加油期间引发爆炸。必须始终遵守维护手册中规定的预防措施。对于现代气象雷达系统，在气象雷达工作时，通常人员应保持远离气象雷达天线3 米（10 英尺）到4.5 米（15 英尺）的距离[5]。

对于加油车和大型金属物体来说，在气象雷达工作时，安全距离应大于61 米（200 英尺）至91米（300 英尺），以防止出现闪爆等意外。注意，由于天线的扫描可能性，飞机前方的安全区域为180度范围。

4 前景

当前，世界各国对航空安全越来越重视，特别是现代民航把安全当作是行业发展的生命线。而由于气象原因造成的延误和事故频繁发生。近年来国家要求对通用航空的发展越来越强烈，加大了开放低空领域的力度。随着低空领域的不断开放，势必会加大航空器在低空飞行和进近过程中的风险。所以对于机载气象雷达系统的要求也会越来越高，包括开发不同种类以及探测原理的雷达，比如固态气象雷达、相控阵气象雷达和双极化相控阵气象雷达等[6]，从功能、性能、反应时间、抗干扰能力以及可靠性等方面去提高。现代的机载气象雷达会向着数字化、小型化、微电子化、模块化、自动化、智能化及系列化方向发展去发展。充分利用现代计算机技术的研究成果采用高级系统支持软件和数据融合处理技术提高实时信号采集数据处理显示监控及数据传输的性能。减少系统体积降低成本，增强可靠性与可维护性。