關于影響激光測風雷達性能的主要指標分析

甄福東

【摘 要】近年來隨著民航行業(yè)的快速發(fā)展，對危險天氣特別是低空風切變的氣象服務及時性與準確性要求越來越高，促進了先進探測設備激光測風雷達在國內機場的應用。民航甘肅空管分局氣象臺在使用LEOSPHERE公司WINDCUBE400S-AT型及試驗驗證其它廠家激光測風雷達工作期間積累大量應用經驗。本文從相干激光測風雷達的技術實現對比入手，然后對相關的指標體系進行詳細分析和論證，對今后如何科學和合理地選擇與應用設備有所幫助。

1.激光測風雷達的主要性能指標

激光測風雷達以激光器為光源向大氣發(fā)射激光脈沖，接收大氣（氣溶膠粒子和大氣分子）的后向散射信號，通過分析發(fā)射激光的徑向多普勒頻移來反演風速和風向。因此一部性能優(yōu)越的激光測風雷達應該具備相干探測要求帶寬窄;高脈沖能量實現遠程探測;長脈沖寬度保證高速度分辨率;高重復率穩(wěn)定度保證速度偏差較小。考慮在民航氣象應用中的高精確度要求，需要激光測風雷達具備較高的探測靈敏度和距離分辨率，因此本文從以下幾個方面做出分析和比較。

2.激光測風雷達探測靈敏度

高靈敏度探測是相干激光測風雷達的技術優(yōu)勢所在，探測靈敏度指標直接影響最終作用距離，因此在系統(tǒng)評估過程中靈敏度指標是非常重要的。在相干探測時，光電探測器的主要噪聲來源是散彈噪聲和器件的熱噪聲，其中本振光信號對探測器的作用使得探測器中的本振散彈噪聲大大超過器件的熱噪聲和其它散彈噪聲。應用工程計算公式可求得在量子噪聲限下相干激光雷達系統(tǒng)所能探測到的最小光功率Psmin=4.3×10-11W，在系統(tǒng)設計時探測靈敏度取5×10-11W?？梢圆扇《嗤ǖ啦⑿袨V波、積累等方法，可以有效地提高低信噪比下信號的探測靈敏度。因此我們在考慮激光測風雷達系統(tǒng)性能時尤其要關注運行信噪比，特別是直接命中障礙物時的信噪比，可以判斷雷達自身的探測靈敏度和濾除雜波能力。【1】【3】

激光測風雷達的作用距離與掃描轉速和探測靈敏度有直接對應關系，詳見圖3-1。從圖中可以看出激光測風雷達掃描轉速越快，探測靈敏度和作用距離會降低。因此結合現在蘭州中川機場的小時跑道起降容量29架次和國際民航組織的低空風切變告警刷新建議（每5分鐘或更長時間刷新），應當保持10°以下的掃描轉速，掃描器的瞄準精度為0.1°，光束角度測量分辨率優(yōu)于0.01°。

3.激光測風雷達距離分辨率

相干激光測風雷達系統(tǒng)當工作在脈沖體制下時，以空氣中隨處可見的氣溶膠為測量目標，在每個工作周期內的回波信號是從激光發(fā)射開始在作用距離范圍內所有氣溶膠徑向速度、強度等信息的連續(xù)信號。距離分辨率是由信號處理時FFT距離脈沖寬度確定的，所以需要通過選擇合適的信號處理脈寬參數來保證低空風切變的探測距離分辨率?！?】根據蘭州中川機場低空風切變（2017年度統(tǒng)計數據）發(fā)生高度的特征：300米以下發(fā)生40次，占已知發(fā)生高度總次數（60次）的62.5%，為絕大多數，而此類情況也屬于較為危險的情況，特別是60米以下的14次，已經低于決斷高度?？紤]低空風切變（特別是微下?lián)舯┝鳎┑纳沙叨?，激光測風雷達的距離分辨率要求一般最高為50m或75m，因此依據式（1）應當選擇300ns以上的脈寬參數才能滿足距離分辨率的指標。

4.激光測風雷達作用距離

作為探測目標的氣溶膠、灰塵等懸浮顆粒具有漫反射目標特性，其有效反射面積等同于有效光斑面積。根據雷達距離方程我們可以得出激光測風雷達作用距離與發(fā)射峰值功率、接收機靈敏度有很大關系?！?】當使用距離分辨率為50m時，為保證作用距離內足夠的采樣點數，當作用距離范圍在7.5至30公里時，雷達測量距離庫數量應該為250至600個，實際建設中應該根據典型測量距離，選擇盡可能多的測量庫數或采樣點數。

除以上分析的激光測風雷達主要技術指標外，還應當關注雷達掃描裝置的機械部分指標，保證設備的穩(wěn)定性和持久性。比如掃描儀必須方位角360°（以0.1°遞增/減）并在傾斜角介于-19°到199°之間（以0.1°遞增/減）全面掃描。掃描儀的瞄準精度不得高于0.1°，不測風時的旋轉速度最高為30°/s。

通過對激光測風雷達原理分析獲得在民航氣象應用的主要技術性能指標，詳細分析其中關鍵性指標和技術方案，選擇符合自身發(fā)展需要的先進設備。也可以指導相應國內產品研發(fā)，形成應用于民航氣象的高性能產品。

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