气象雷达的三维革命

2017-04-20陈肖

航空知识 2016年7期

对绝大多数乘客来说，乘坐飞机出行最在乎的无非是安全、准点、舒适，以上三点对飞行员来说也不例外。而作为以空气为载体的飞机，影响飞行安全、准点以及舒适。性的最大、最主要、最常见因素就是——天气，天气挑战无处不在。2016年2月，霍尼韦尔对3000多名中国持证飞行员开展的一项问卷调查中显示，天气因素是几乎所有飞行员在起飞、巡航和降落等所有飞行阶段的首要顾虑之一，49%的受访者认为在起降与飞行阶段，气象灾害和风切变是飞行安全的最大挑战：53%表示能否准确识别恶劣多变天气是巡航过程中最大的担忧：65%认为对恶劣天气的识别与判断是他们在降落阶段的最大挑战，而降落阶段的7分钟与起飞阶段的3分钟被称为民航界的“黑色十分钟”，从全球已发生飞机事故统计数据来看，绝大多数事故都发生在这10分钟之内。

由此可见，基本“靠天吃饭”的民航飞行给飞行员提出的苛刻要求就是对天气状况敏锐的感知能力，而帮助飞行员获得准确天气信息则必须通过安装在机头上的“千里眼”——气象雷达。气象雷达工作原理

气象雷达是用来探测大气中降水类型（雨、雪、冰雹等）、分布、移动和演变，并对其未来分布和强度做出预测的一种雷达设备。现代气象雷达大部分属于脉冲多普勒雷达，可监测降水分布及强度，这些数据可以用来分析风暴结构，以及其能否在未来造成恶劣天气。气象雷达通过空腔磁控管或调速管连接导波管，再连接一个抛物面天线，定向地向空间发射微波脉冲。气象雷达所发射微波波长在1～10厘米之间，大致是雨滴或冰晶直径的10倍左右，在该频率下，瑞利散射效应最强，可确保雷达波的一部分能量能够从微粒表面反射回雷达所在方向。当然，不同种类的气象雷达波长范围从1厘米至10米不等，用于探测不同类型的气象环境。机载气象雷达可为飞行员提供前方准确、连续的图像，并以距离和方位的形式，选用不同颜色代表回波强弱，在雷达屏幕上显示出来。一般来说，雷达屏幕上的绿色表示该区域有微弱水汽（降雨），相对安全：黄色区域代表雨量较多，穿越该区域飞行时易发生强烈颠簸：红色则表示该区域可能有雷暴、强对流云层、暴雨或冰雹等极端天气。属于温带大陸性气候的中国大部分地区在夏季极易出现短时强对流天气，当气象雷达显示器上出现“番茄炒蛋”的画面，基本上就意味着天上的航班要颠簸、绕飞、备降，地上的航班会延误了。

然而，传统的机载气象雷达也有缺陷——只能为飞行员提供水平方向的二维气象信息，但飞机却是在三维空间中飞行，不同高度层的气象信息，传统气象雷达就无法及时准确地呈现给飞行员，这给航班飞行，尤其在起降阶段带来很大安全隐患。2014年印尼亚航8501空难的主要原因就是因为飞行员无法获得航路前方雷雨的高度，试图爬升从雷雨顶部飞跃而造成失速。如果飞行员那时能获得准确的雷雨高度，就能提前判断是否可以飞跃，避免事故发生了。

改变历史的三维气象雷达三维气象雷达可实时探测前方云团，显示云团内部情况，并通过投影形式显示在雷达屏幕上。

在三维空间飞行，自然需要三维气象信息的支持，霍尼韦尔自主研发的IntuVue RDR-4000三维气象雷达成功地解决了这一问题。作为目前唯一的一款自动雷达系统，IntuVue RDR-4000采用了3D扫描机制，能够将从地面到6万英尺（18 288米）高空，以及前方320海里（592千米）范围内所有气象情况生成三维表示、180度视角的图像。

IntuVue三维气象雷达将立体气象信息以实现/虚线的形式投影表达在二维雷达屏幕上，可为飞行员在大幅提升在爬升、下降或转弯过程中对复杂天气对判断能力，同时，由于IntuVue三维气象雷达具有数据储存功能，因此可以在飞机进行180度转弯时，也能及时提供当前信息，而非以往需重新扫描才能显示气象数据。

既然是三维气象雷达，在二维平面的显示器上显示似乎还是不够直观方面，垂直显示器（Vertical Displav）因此应运而生。在空中客车A380和A350的导航显示器下方就配有一部不大的VD，能够更加直观地显示选定航路上气象纵抛面的情况，准确识读云团高度等信息。由于VD在机组情景意识方面所带来的巨大优越性，飞机制造厂在新机型的发布中，关于驾驶舱显示器的设计也会越来越多的采用垂直显示器。

作为飞行员最害怕的突发天气状况——风切变，IntuVue也可以进行一定程度地探测。风切变是气流在短时间小范围内剧烈追垂直运动的气象现象，飞机进近过程中如果遇到这种气流，极易发生跑道外触地的危险。IntuVue雷达可以探测到这种气流的异常变动，并及时给飞行员发出告警。同时，如果将可实时显示气象信息的IntuVue与具有全球地形、障碍物与跑道数据库，可精准显示近地面环境信息的霍尼韦尔增强型近地警告系统（EGPWS）结合使用，那么对风切变的探测准确率可达80%以上。

基于3度窄波束、2秒扫描180度视场，雷雨回波自动增益补偿以及结合全球地形数据库进行地面杂波滤除，全程捕捉雷雨三维立体信息并建立全程气象立体三维数据库的IntuVue三维气象雷达，的确在现有机载气象雷达的基础上有了质的改变，驾驶安装三维气象雷达飞机的飞行员也获得了更佳直观、高效、全面的信息。

但是，在平面显示器上通过虚/实线的形式表达高度，以及通过第二台垂直显示器显示气象云团纵抛面，还是稍显不便，如果未来能将气象信息以第一视角的形式在一块屏幕上或者智能平显上显示，相信飞行员的感知体验会更上一层楼。正在霍尼韦尔集团的一架康维尔580双发螺旋桨飞机上进行测试的IntuVue三维气象雷达。