相干测风雷达的风切变识别及预警研究.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:民航飞行技术与飞行安全重点实验室项目(F Z Z Z )和基于分院机载探测数据的低空飞行环境评估关键技术研究项目(F K F )资助作者简介:徐足音(),女,硕士研究生主要从事机场激光雷达探测研究工作相干测风雷达的风切变识别及预警研究徐足音,吴俊杰,(中国民用航空飞行学院 航空气象学院,广汉 ;中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室,广汉 ;中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院,广汉 )摘要:文章简述了激光测风雷达探测原理、扫描模式等;总结了激光测风雷达相关的风切变识别算法及香港国际机场预警系统的发展现状;分析了目前算法应用的不足,并对未来激光测风雷达的研究做出展望.以期为今后激光雷达在机场进一步的应用奠定基础.关键词:低空风切变;航空安全;激光测风雷达;风切变识别算法;风切变预警中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:X()R e s e a r c ho nw i n ds h e a rr e c o g n i t i o na n de a r l yw a r n i n go f c o h e r e n tw i n dr a d a rX uZ u y i n,WuJ u n j i e,(C i v i lA v i a t i o nF l i g h tU n i v e r s i t yo fC h i n a,A e r o n a u t i c a lM e t e o r o l o g yI n s t i t u t e,G u a n g h a n ;C i v i lA v i a t i o nF l i g h tU n i v e r s i t yo f C h i n a,S i c h u a n K e y L a b o r a t o r y f o rC i v i lA i r c r a f tF i r eS c i e n c ea n d S a f e t y E n g i n e e r i n g,G u a n g h a n ;C i v i lA v i a t i o nF l i g h tU n i v e r s i t yo fC h i n a,A i rT r a f f i cM a n a g e m e n tC o l l e g e,G u a n g h a n )A b s t r a c t:T h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed e t e c t i o np r i n c i p l ea n ds c a n m o d eo fl a s e rw i n dr a d a r,s u mm a r i z e s t h ew i n ds h e a rr e c o g n i t i o na l g o r i t h mr e l a t e dt ol a s e rw i n dr a d a ra n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fe a r l y w a r n i n gs y s t e m o f H o n g K o n gi n t e r n a t i o n a la i r p o r t,a n a l y z e st h ei n s u f f i c i e n c yo fa l g o r i t h ma p p l i e dc u r r e n t l ya n dm a k e sp r o s p e c t sf o rt h es t u d yo f f u t u r el a s e rw i n dr a d a r,i no r d e rt ol a yas o l i df o u n d a t i o nf o r t h e f u r t h e ra p p l i c a t i o no f l a s e r r a d a r i na i r p o r t K e yw o r d s:l o w l e v e lw i n ds h e a r;a v i a t i o ns a f e t y;l a s e rw i n dr a d a r;w i n ds h e a rr e c o g n i t i o na l g o r i t h m;w i n ds h e a re a r l yw a r n i n g引言随着民航的快速发展,人们获得出行便利的同时也越来越关注航空安全.在飞机飞行的各阶段,保障起降安全是保障飞机飞行安全的关键环节.低空风切变是一种超低空危险天气,严重影响飞机飞行安全,国际民航组织高度关注此类现象.据统计,年全球共发生 起重大飞行事故,其中 是重大进近着陆事故,风切变是造成重大伤亡事故的重要原因之一.因此,提升风切变预报预警能力对提升运输安全有重要意义.近年来,作为一种新型的风切变探测设备,激光测风雷达具有扫描速度快、测量精度高、体积小、对人眼无害、安装便捷等优势,在晴空条件下风场的识别和观测中发挥着至关重要的作用.例如,香港国际机场自引进激光测风雷达后,低空风切变的识别率从 升高至.因此文章气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 对目前多普勒激光测风雷达的风切变识别算法和预警系统等进行总结,为国内外学者开展激光雷达相关研究提供参考,从而促进多普勒激光测风雷达在机场预报预警中的应用研究.激光雷达探测风切变低空风切变通常在几百米和几十秒的空间和时间内发生,使得高时空分辨力的地面遥感测量成为探测的主要选择.激光测风雷达作为新型风场探测设备,具有体积小、精度高、扫描快、对人眼安全等优势,并且该设备能够探测出精细的 D风场,在探测干性风切变中具有较大的优势,在机场具有广阔的应用前景.探测原理多普勒激光测风雷达(D o p p l e rW i n dL i d a r)是新型遥感测风设备,采用“外差法多普勒频移激光探测和测距”技术方法,向大气中发射脉冲激光,检测大气中的气溶胶粒子,通过接收气溶胶粒子的散射回波信号引起的多普勒频移实现风速反演 .在云雨天气条件下,激光雷达受能见度、水滴等影响,探测距离会受到一定的限制.多普勒激光测风雷达内部有大量复杂的参数,需要根据具体的测量需求选择最佳的参数组合,使仪器能够测量出达到要求的空间及时间分辨力.扫描模式目前多普勒激光测风雷达能够实现P P I(P l a nP o s i t i o n I n d i c a t o r),R H I(R a n g eH e i g h t I n d i c a t o r),D B S(D o p p l e rB e a mS w i n g),L O S(L i n eO fS i g h t),及G P S c a n s(G l i d eP a t hS c a n)等多种扫描方式.P P I为平面位置显示,又称方位角测量模式,即扫描仰角固定,以固定的速率改变方位角,方位角在 可编程设定进行扫描,可根据使用需求设定仰角.设备可提供径向风速、信噪比、距离、方位角和可信度等数据,通常用来研究风切变、水平风场的演变追踪.RH I为距离高度显示,又称高度角测量模式.该模式固定方位角,通过改变俯仰角使得设备在一个垂直平面内进行扫描,俯仰角可自定义编程,设备提供径向风速、信噪比、距离、俯仰角和可信度等数据,通常应用在飞机尾涡的观测中.D B S为多普勒波束摆动扫描方式,又称为垂直风廓线测量模式.该模式测量东、西、南、北和垂直个方向的径向风速,并且俯仰角需设置在 ,通过个方向的径向风速反演激光雷达上空的风廓线.L O S为径向扫描,又称指定方位测量模式,是在一个固定的方向沿一条直线进行测量的方式.G P S c a n s即下滑道扫描模式.该模式将激光束指向起飞和着陆阶段的下滑路径进行扫描(图),方位角和仰角同时变化,测得下滑道的逆风廓线,这样能够提高飞机在下滑道上遭遇风切变的识别率,提高了风切变探测性能.雷达波束;下滑道;跑道;着陆点;雷达.图G P S c a n s模式扫描示意图自香港国际机场引进激光雷达以来,中国其他地区陆续使用此类设备对机场的风场和风切变进行探测,取得了较好效果.在西北地区中川机场和曹家堡机场的测试表明,激光测风雷达对因低空风切变导致飞机终止进近的情况探测尤为明显且命中率高,能够很好地捕捉到大风的时间和强度,风切变发生的高度位置、形式和移动方向等,并且与飞行员实时报告的风切变信息一致性较强.在地理气候复杂的高原机场 攀枝花机场测试中,飞行员报告的次风切变全部被设备捕获.激光测风雷达在北京首都国际机场运行a多,对风切变的预警率达到 .以上均验证了激光测风雷达探测风切变的优势及效果.激光测风雷达的风切变识别算法及预警系统 风切变识别算法中国民航大学从激光雷达二维图像识别方面提出多种风切变识别算法,但算法研究所用的图像信息及数据均是在模拟仿真软件中得出,因此利用真实数据进行识别探测将是未来研究的重点 .近年来,随着激光雷达的应用,该领域的学者逐渐使用相关数据研究风切变识别算法.)风切变预警的混沌神经网络K w o n g等 于 年提出基于混沌振荡的神经网络预测风切变的方法.该方法首先对数据进行质量控制,之后C O N N使用激光雷达收集的个月多普勒速度数据进行训练,并且设置合适的参数,从而得到个与激光雷达实际测量数据误差最小的模型.该方法可以准确预测多普勒速度并第期徐足音,等:相干测风雷达的风切变识别及预警研究且发出风切变警报,但不适合进行长期预测.)涡流消散率相关预警算法涡流消散率(E D R)是国际上用于量化低空湍流(飞机在 m以下经历的快速、不规则的逆风波动)强度的指标.H o n等于 年提出采用方位速度结构函数(V S F)方法,利用激光雷达测量的径向速度数据得到E D R数据,超过阈值则发出风切变警报,结果表明起降方向可以捕捉到超过()的飞行员报告的低空湍流事件,但该算法主要针对低空湍流预警,对风切变预警的算法仍需进一步研究.)基于F因子相关预警算法C h a n 于 年提出基于F因子的预警算法,先处理利用激光雷达所测得的逆风数据,通过计算公式得到F因子的值,设定告警阈值进行警报.陈星等 于 年提出了修正F因子检测算法,运用最小二乘法计算激光测风雷达测得的逆风廓线,考虑了垂直风速分量,得到修正F因子表达式,并比较阈值,判断是否发生风切变.)基于斜坡检测的风切变预警算法蒋立辉等 提出了一种基于斜坡检测的预警算法.该算法分别运用单双斜坡进行检测,并用G P S c a n s扫描模式进行探测,对逆风廓线进行单双斜坡梯度变化的检测,确定阈值判断风切变.)基于频谱重构的检测算法以及基于P C A和相位差校正的预警算法熊兴隆等 提出在频域上检测风切变的新方法,该方法首先对雷达探测到的回波信号进行傅里叶变换,其次进行频谱重构,通过计算与阈值进行比较,判断是否发生风切变.马愈昭等 提出一种主成份分析法(P r i n c i p a lC o m p o n e n tA n a l y s i s,P C A)和相位差矫正的算法,该方法首先对回波信号进行重构,然后进行峰值校正,通过计算比较多普勒频移与阈值的大小,若前者大于后者,则发出风切变警报.)最小二乘拟合法范琪等 提出将适用于天气雷达探测风切变的最小二乘拟合法应用在激光测风雷达中,该方法利用最小二乘拟合法得到二维切变值,并确定了强度判别标准及告警阈值.但该方法的效果与天气条件有着密切联系,晴天条件下效果最佳.)区域辐散算法和多径向拟合算法L i等 根据兰州中川国际机场的风切变事件分析并提出了区域辐散算法(R D A),首先通过激光测风雷达构建逆风剖面,然后进行区域差异计算,进而确定风切变的位置和强度,但其受激光雷达探测效果的影响,对不稳定大气探测效果较好.张千千等同样分析了兰州中川国际机场的风切变事件,提出了多径向拟合算法,该算法通过提取多径向拟合速度并计算区域散度来估计强度和范围.)基于小波变换模极大值的风切变预警算法张千千等 提出了一种基于小波变换模极大值的算法,该算法通过选取一定的小波函数确定重组逆风廓线上的模极大值,再根据模极大值的阈值确定是否有风切变发生,最终确定风切变发生的位置和时刻.虽然目前开发了许多风切变识别算法,但是在实际探测中风切变的漏警率极高,因此如何更好地应用算法提高风切变识别率,降低漏警率将是未来研究的重点.香港国际机场算法原型及预警系统 香港国际机场的风切变探测算法原型R AGA算法(R a d i a lS h e a rA l e r tG e n e r a t i o nA l g o r i t h m)原理是将激光雷达一个扫描面内的每条扫描线分为多个区段,分别检测每个区段是否有风切变发生,最终将风切变出现的区段合并,即为风切变发生区域.若检测到风切变区域的位置与本场飞行航迹重叠,并且径向速度的变化超过 m/s,则发出风切变警报.R AGA算法加入 了 影 响 实 际 情 况 的 危 险 覆 盖 区 域HC A(H a z a r dC o v e r a g eA r e a)因子,使得虚警率降低为原来的/.该算法适用于探测切变线引起的风切变,例如海风锋面和阵风锋面等.G L Y G A算法(G l i d eP a t hS h e a rA l e r tG e n e r a t i o nA l g o r i t h m)中引入G P S c a n s扫描模式,其利用激光测风雷达对风场进行探测,进而构建下滑道方向的逆风廓线,从逆风廓线中找出风速变化较大的斜坡,根据因子v/l/来识别风切变,其中v为逆风风速与顺风风速变化的比值,l为风速发生变化的斜坡长度,若v超过预定阈值,则发出风切变预警.激光测风雷达风切变预警系统香港天 文 台 的 激 光 雷 达 风 切 变 预 警 系 统L I WA S于 年底投入业务,是世界上首个探测风切变的激光应用系统.L I WA S拥有P P I,RH I,径向切变图像产品和G L Y GA运算程序,可建立逆风廓线、识别风切变并自动发出警报.当G L Y GA程序检测到跑道上出现风切变时,会发出不同警报,航空气象预报员和交通管制员可以通过观测L I WA S系统给出的图像报警对进离场气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 的飞机发出风切变警报,包括语音及数字信息.结束语文章主要介绍了激光测风雷达探测风切变的原理、扫描方式及应用,并着重介绍了目前激光测风雷达相关的风切变识别算法类型和香港国际机场的预警系统,为今后激光测风雷达在风切变算法开发及预警等方面的应用提供参考价值.参考文献:兰承诚低空风切变对飞机进近着陆 的 影响 分析J科技与企业,():王朝霞低空风切变对飞机起飞及着陆的影响J陕西气象,():彭笑非低空风切变对飞机进近着陆 的 影响 分析J科技经济市场,():张涛,黎倩,郑佳锋,等激光测风雷达研究微下击暴流引发的低空风切变J激光技术,():H o nKK,C h a nPW A p p l i c a t i o no fL I D A R d e r i v e d e d d yd i s s i p a t i o nr a t ep r o f i l e si nl o w l e v e l w i n ds h e a ra n dt u r b u l e n c e a l e r t s a tH o n gK o n g I n t e r n a t i o n a lA i r p o r tJM e t e o r o l o g i c a lA p p l i c a t i o n s,():范琪,郑佳锋,周鼎富,等基于激光测风雷达的机场低空风切变识别算法J红外与毫米波学报,():吴俊杰,方璘王昊,张中锋,等面向机场的多普勒激光雷达风场反演技术研究J航空计算技术,():S h u nCM,C h a nPW A p p l i c a t i o n s o f a n i n f r a r e dD o p p l e r l i d a ri nd e t e c t i o no fw i n ds h e a rJ J o u r n a lo fA t m o s p h e r i c&O c e a n i cT e c h n o l o g y,(),d o i:/J T E C H A 华志强,黎倩,黄轩,等激光测风雷达在航空保障中的典型应用分析J激光技术,():冯力天,周杰,范琪,等应用于民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达J光子学报,():张曦,张建军,丁媛媛,等机场多普勒激光雷达风切变探测与识别J气象科技,():蒋立辉,高志光,熊兴隆,等基于激光雷达图像处理的低空风切变类型识别研究J红外与激光工程,():蒋立辉,张春庆,熊兴隆,等基于仿真雷达图像的低空风切变类型识别研究J激光与红外,():蒋立辉,陈红,庄子波,等基于小波矩的改进遗传算法风切变识别J计算机应用,():,蒋立辉,高浩,庄子波,等激光雷达中基于组合纹理的低空风切变识别算法J激光与红外,():蒋立辉,陈红,庄子波,等小波不变矩的低空风切变识别J红外与激光工程,():蒋立辉,于岚,庄子波,等基于纹理特征融合的低空风切变识别J科学技术与工程,():,蒋立辉,杨浩广,庄子波,等基于多特征融合的低空风切变类型识别J计算机工程与设计,():,庄子波,陈星,高浩,等基于概率支持向量机的激光雷达风切变 图像 的 识别 J北京 理 工大 学学 报,():熊兴隆,陈楠,李永东,等基于卷积神经网络的低空风切变类型识别J系统工程与电子技术,():Kw o n gK M,W o n g M H Y,L i uJN K e ta l A na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k w i t hc h a o t i co s c i l l a t o rf o rw i n ds h e a ra l e r t i n gJ J o u r n a lo fA t m o s p h e r i c&O c e a n i cT e c h n o l o g y,():C h a nP W A p p l i c a t i o no fL I D A R b a s e dF f a c t o r i nw i n d s h e a ra l e r t i n gJ M e t e o r o l o g i s c h eZ e i t s c h r i f t,():()陈星,李贞,庄子波,等激光测风雷达修正F因子的小尺度风切变检测算法J光学精密工程,():蒋立辉,闫妍,熊兴隆,等基于斜坡检测的多普勒激光雷达低空风切变预警算法J红外与激光工程,():熊兴隆,徐玖治,李猛,等基于频谱重构的相干激光测风雷达风切变检测算法J光电子激光,():马愈昭,陈楠,熊兴隆基于P C A和相位差校正法的风切变预警算法J系统工程与电子技术,():范琪低空风切变识别分析中激光测风雷达的应用研究D成都:成都信息工程大学,王雨歌低空风切变的激光雷达回波特征及识别方法初探D成都:成都信息工程大学,L iL,S h a oA,Z h a n gK e ta l L o w l e v e lw i n ds h e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dl i d a r b a s e da l e r t i n ga tL a n z h o uZ h o n g c h u a nI n t e r n a t i o n a lA i r p o r t,C h i n aJ J o u r n a lo fM e t e o r o l o g i c a lR e s e a r c h,():张千千,史纬恒,伍波,等基于小波变换模极大值的L i D A R风切变预警算法J激光技术,():赵文凯,单雨龙,赵世军激光测风雷达监测低空风切变研究进展J气象水文海洋仪器,():,