机载风测量系统的开发外文翻译资料

 2022-11-30 16:57:06

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

机载风测量系统的开发

Hamaki Inokuchi, Eiichi Endo,

Toshiyuki Ando, Kimio Asaka, Hisamichi Tanaka, Yoshihito Hirano

Japan Aerospace Exploration Agency, 6-13-1 Osawa, Mitaka-shi, Tokyo 181-0015, Japan

Mitsubishi Electric Corporation, 5-1-1 Ofuna Kamakura, Kanagawa 247-8501, Japan

摘要

近年来，由空气湍流引起的飞机事故一直在增加。目前还没有避免遇到明显空气湍流（CAT）的确定方法，因为传统的机载天气雷达无法在晴空条件下检测到湍流。因此，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在开发一种多普勒激光雷达（激光探测和测距），即使在晴空中也可以测量飞机前的风速。飞行中的湍流预报已经使用多普勒激光雷达得到了证明，最新的原型旨在在喷气式客机巡航高度上达到5海里（9公里）的湍流检测。由于高海拔地区气溶胶颗粒密度低，所以在高海拔地区使用激光雷达测量风速很困难。常规大气观测航班因此建立了实用设备的基本规格。此外，由于空气湍流信息应该显示在飞行甲板上，图形化的湍流显示也在研究中。这份报告描述了机载风测量系统的发展，并提出了飞行实验结果的例子。

关键词：多普勒激光雷达，飞行测试，航空事故，空气湍流，车载激光传感器，飞行安全

1介绍

商务航空旅行相对安全，事故率低。 然而，越来越多的人遇到空气紊乱造成的事故，这已经占了一半日本以上的航空涉及飞机的事故。 及时提前警告飞机前的动荡，使船员能够采取减少损害的措施，例如降低速度并确保乘客和不安全的对象，或避免完全湍流。 因此，JAXA开始研究湍流预报和探测以减少事故民用航空运输。 研究方案包括开发一种小型机载多普勒激光雷达通过感测飞机前方的风力变化来检测空气湍流，研究飞行机组人员的警告指示器，并模拟空气湍流逃避机动。

在1990年代，美国在具有CO2（10mu;m）或固态（2mu;m）高输出激光振荡器的大型多普勒激光雷达的飞行实验导致了实际的基于地面的激光雷达的发展。 欧洲国家也一直在调查多普勒激光雷达用于短距离风测量，并且已经进行了使用光纤放大器的飞行实验。 此外，欧洲AWIATOR（飞机与先进技术操作）项目开发了一种测量范围为50-150米的紫外线（紫外）直接探测激光雷达系统，旨在将湍流数据反馈给飞机的飞行控制系统 直接抵消湍流。

在JAXA的方案中，我们首先在2001年使用商用光通信光纤放大器开发了一个原型激光雷达，输出脉冲能量为4.5mu;J。 这是安装在JAXA研究飞机上，展示了距离1公里的风力测量。 2006年开发的第二个模型将激光输出功率提高到58mu;J，并展示了湍流预测。2007年开发的第三个型号是2007年通过进一步将激光输出增加到179mu;J，在飞行中表现出最大可测量范围约8.7公里，因此我们一直在尝试增加激光输出 。

激光雷达通过测量大气中气溶胶颗粒后向散射的光的多普勒频移来检测风。然而，由于低气溶胶颗粒密度，高海拔地区的风速测量是困难的。 因此，正在进行常规大气观测飞行，以确定实际的风力测量装置的基本规格并确认足够的气溶胶密度，并且已经积累了大量关于所有高度的气溶胶密度的数据。

由于该装置必须及时向飞行机组提出湍流遇到的警告，因此正在研究图形空气湍流显示。 2007财年，开发了评估显示设计的原型软件，并且继续改进。

2.航空事故

图1显示了根据日本运输安全委员会（JTSB）的报告，1990年至2007年间在日本发生的大型民用飞机的航空事故。 根据日本航空法，“事故”是指人身亡或重伤，飞机受到重大伤害的情况。 风湍流是所有航空事故大概50％的原因。 但是，如果不可操作排除不造成严重伤害或死亡的原因（如疾病）和事故，这一时期其余37起事故的湍流占70％以上。 据媒体报道，据估计，只有轻微受伤的湍流遭遇次数是JTSB报告的事故数量的10倍以上。

除了这个高比例，近年来，根据图1所示的联邦航空局（FAA）发布的咨询通告（AC）120-88A的数字，湍流事故也在不断增加。 2（a）这一增长的一个原因是飞行运行的增长，但每百万次出动的湍流事故发生率也在增加，如图1所示。 2（b）湍流是需要通过预防措施紧急解决的最重要的飞行安全问题。

美国联邦航空局的AC强烈建议，让乘客和乘务员系上安全带，是在湍流相遇期间防止受伤的有效途径。 然而，目前在飞机受影响的足够时间内预测湍流遇到的措施是不够的。

2.1空气湍流类型

可以严重影响空中交通的空气湍流分为雷暴湍流（如图3（a）），山脉湍流（图3（b）），尾流涡流（图3（c））和清空 湍流[8]（图3（d））。 雷暴湍流是雷暴或积雨云内及其附近的湍流。 具有悬垂突起的积雨云通常表示严重的湍流。 山脉波动是由于空气被吹过山脉或尖锐的崖壁造成一系列上升气流和下降的结果。 唤醒涡流是在飞机通过空气后形成的湍流。 清澈的空气湍流是高度湍流（高于15000英尺），通常不会与积云相关。 风切变的湍流即使在卷云中也可能发生。

2.2提出事故预防措施

气象观测设备目前用于获取湍流信息。 常规天气雷达可以检测与厚云相关的湍流，检测对预测山脉湍流和尾流涡是相当有效的。 空中湍流也可以通过一个区域（PIREPs）的飞机来报告。 由于目前无法检测或预测清澈的空气湍流，除了PIREPs外，没有有效的预测手段。 然而，PIREP信息并不明确，因为空气湍流的状态每隔几分钟就会发生变化。

目前的湍流损害减少措施如下。 计算机化飞行控制系统中可以包含阵风减轻功能，但这并不能抵消最初的扰动。 紧固安全带对于防止湍流造成的伤害是有效的，但是当船员受到限制时，不能进行客舱服务，并且需要很多时间来中断正在进行的客舱服务以保护物品。 如果有可靠的先前信息可以完全避免湍流区域。

如果能够有足够的时间预先预测，这些措施就会变得更加有效。 这需要遥控感应器。

3风速测量远程传感器

已经开发了基于地面的远程传感器，用于基于使用声音的技术进行风测量（SODAR：Sound Detection and Ranging [9]：如图4（a）所示），无线电（RADAR：Radio Detection and Ranging [10]）： 在图4（b））和光（LIDAR：光检测和测距[11]）。 大多数设备利用多普勒效应进行风检测：发射波散布在大气中，散射波的波长与风速成正比。 地面设备使用的各种方法的优点和缺点如表1所示。这些特性可能会根据系统的波长和输出功率而变化。

SODAR显然不适合在飞机上安装。它需要直接在飞机前面的大型传感器。此外，其范围有限，采样率低，受环境噪声的影响。

RADAR已经安装在飞机上用于目标和天气检测。然而，大多数雷达无法在明显的条件下检测风，因为一些波长需要大气中的大颗粒被散射，而能够在明确条件下测量风的雷达太大而无法安装在飞机上。此外，在非清晰的条件下，单独的风测RADAR可能不是必需的，因为现有的天气雷达可经常检测出有沉淀的湍流区域。

激光雷达是一项相对较新的技术。它是灵活的，因为可以开发具有各种规格的设备来应用，并且安全有效的激光器现在可用。因此，我们认为LIDAR是车载远程风测量传感器最合适的技术。现有的地基风测量LIDAR已经展示了大约十公里的范围。如果这样的设备可以小型化，它可以安装在飞机上。

4机载多普勒激光雷达

4.1概念

机载测风激光雷达的概念如图5所示。 一架多普勒激光雷达装置安装在一架飞机上以测量飞行中的空气湍流。 从飞机向前发射的脉冲激光由大气中的气溶胶颗粒散射，例如细小的水滴和灰尘，一些后向散射的辐射在飞机上被收回。 轻微的气溶胶粒子伴随风吹走，因此散射激光的波长由于多普勒效应而与粒子的速度成比例地移动，从而能够测量风速。 可以通过测量激光脉冲的传输与反向散射辐射的接收之间的延迟来获得范围信息。

4.2采用方法

JAXA的LIDAR采用光纤放大器。 光纤放大器具有许多适用于机载激光雷达的功能。 光学装置小，功耗低，不需要大型冷却系统。 它们也是防尘的，具有低电磁噪声发射。 由于光纤是灵活的，激光源和检测器可以安装在与发射器/接收器窗口不同的位置。 其1.5mu;m波长对于人眼是最安全的。

图6示出了基于光学外差技术的JAXA相干多普勒激光雷达的框图。单频激光器用作主振荡器。其输出的一部分用作用于脉冲放大的种子光，其余用作参考光。播种光由光纤放大器放大，通过光环行器传送到光学天线，并辐射到大气中。光天线还接收远离天然气溶胶反射的弱光，其频率偏移为多普勒效应。气溶胶速度，因此风速与拍频信号中的多普勒频移成比例。可以从通过将背散射光与参考光光学组合产生的拍频信号的功率谱来评估该多普勒频移。通过考虑到从光脉冲发射到接收反向散射反射的时间 - 偏光的拍频信号的分割来确定范围信息。因此，机载LIDAR可以实时地同时测量多个范围段中的风速。

4.3飞行实验

在JAXA的Beechcraft 65研究飞机上安装了使用现成的高输出光纤放大器的激光雷达（见图7（a））。 实验系统安装在机舱左侧的机架上，如图所示。 7（b）。 光纤天线安装在天花板正下方的机舱内，其轴线垂直向上，发射的激光由机身顶部的转向镜向前反射。 激光雷达的输出激光脉冲能量为58mu;J。

图8显示了在600米高度的风切变相遇期间由激光雷达测量的飞行中数据。 飞机在图中垂直轴方向以60米/秒的速度飞行。 y轴表示范围（飞机前方的距离），图中的每个小方形在该方向上的距离为150米。X轴表示时间，每个垂直列表示在一个时间点的每个范围同时测量的风速。 以一秒钟的间隔获取风速数据。 因此，图中的每一行表示飞机前面一定距离处风速达6公里的时间历史。 每个正方形根据风速值进行编码，如图右侧所示，正值表示风向。

图8中的倾斜红线对应于飞机的60 m / s空速，湍流沿着该线接近飞机。 在所示的数据中，很容易从图中识别出风切变的存在，并且可以在相遇之前从40到50秒预测气流。

4.4 Fh因子

JAXA提出了一种使用Fh因子（Fh）检测晴空湍流的方法。 Fh因子是一个指示风力湍流强度的指标，作为逆风水平分量对飞机的变化率，定义为

其中U是风速的逆风分量，t是时间，g是由重力引起的加速度。 Fh因子是有用的，因为它是无量纲的，并且逆风分量可由激光雷达测量，而不必扫描激光方向; 垂直风分量不需要推导出因子。

图9显示了飞行中测量数据的样本。 将Fh因子的绝对值与垂直加速度比（|Delta;G|）的绝对值进行比较。 数据显示|Delta;G|之间良好的相关性 和| Fh |; 当|Delta;G| 是高，| Fh | 也很高。 为了预测湍流，飞行前方区域的Fh因子应由飞行训练中心进行飞行监测。

图10显示了在1,200米高处被Fh因子加权的湍流预测强度。 上图中的每个彩色正方形显示Fh因子的绝对值，黑色方块表示无效数据。 垂直加速度的时间历程显示在下面的图表中进行比较。 在2007年7月进行的实验中，不利的空气条件意味着我们只能在距离大约2公里处获得测量。 然而，正如这里显示的数据，我们能够在飞机开始受到影响之前全部20秒钟就能够检测到风湍流。

4.5长距离型号

2007年度开发了一种长距离模型多普勒激光雷达原型，以展示将激光输出增加到之前的激光雷达的三倍，获得的更大的射程性能。 开发了使用大芯径（25mu;m）光纤的高输出放大器，作为先前型号的放大器后面的第二放大器插入。

长距离模型安装在JAXA的Dornier 228研究飞机上，如图所示。 实验系统安装在机舱左侧的机架上。 光学天线安装在机舱内，其轴线横向指向，发射的激光由安装在机身左侧外侧的转向镜向前反射。

长程模型的第一次飞行实验于2009年3月在空气清澈的空气中在300米的高度进行。 飞行中测量数据的样本如图1所示。 12.通过从LIDAR测量的值减去飞机的真实空速来计算风速。 可检测性（D）定义为

其中SNR是一个接收的激光脉冲的信噪比，N是非相干积分数。

飞行实验表明，天气晴朗时，激光雷达能够将风速测量到大约8.7公里的距离。 由于光学望远镜的焦距被设定在焦距，由于反向散射的辐射失焦，所以在短距离范围内的可检测性劣化。 此外，在非常短的范围内，即使可检测性足够，在激光的内部反射引起的信号强度的增加也可能使测量无效。 这些特性如图12所示。

4.6高空模型

由于喷气式飞机巡航高度，气溶胶颗粒的密度较低，为了达到5海里的有效范围，需要更大的激光雷达性能。 原来计划进一步提高激光输出功率，但是输出已经达到了光纤放大器的极限，因此决定开发一种光波导放大器（WGA）。 WGA在地面测试中实现了835mu;J的激光脉冲能量，并被并入激光雷达。 图13显示了开发的高空模型。

喷气式客机巡航高度的示范不能使用JAXA的Do.228飞机进行，因为它的最大运行高度只有约7000米。 因此，我们正在计划在2009年采用喷气式飞机进行高空演示。

5.航空器颗粒的观测飞行

定期测量不同高度气溶胶密度的大气观测飞行，以确定实际测风所需的基本规范，并确认足够的气溶胶颗粒可用于检测。 由于JAXA研究机构的上限限制，飞机数据只能在高达7000米的海拔下进行。 然而，预计到更高海拔的外推将是相当准确的，因为航空公司通常巡航不到约12000米。 此外，JAXA计划在2011年收购飞机实验飞机，这样可以提高观测高

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[25630]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章