機載氣象雷達發展趨勢分析

陳娟，周曄，高霞，錢君

(中國航空工業集團有限公司 雷華電子技術研究所， 無錫 214063)

0 引 言

氣象條件是影響飛機飛行安全的重要因素之一。為了避免飛行過程中由于惡劣氣象導致的飛行事故，氣象雷達成為飛機必備的機載電子設備，用于實現航路前方的氣象實時探測與顯示，使飛行員及時了解航路上的氣象分布態勢，輔助規避危險氣象，從而保障飛行安全。

隨著航空事業的發展和人們安全意識的提高，機載氣象雷達的功能、性能也隨著實際使用需求而不斷改進。自1955年民用飛機配裝氣象雷達以來，經過60多年的發展，機載氣象雷達功能已十分先進，各項操作也更趨于簡便和自動化。同時，隨著硬件技術、大規模集成器件以及數字信號處理技術的發展和飛行安全需求的提升，機載氣象雷達朝著更加精細化探測與精確告警的方向發展。因此，機載氣象雷達未來將面臨巨大的商機與挑戰，需要大力開展相關技術的研究。

本文簡要分析機載氣象雷達的國內外現狀，對Rockwell Collins和Honeywell兩家公司典型雷達產品的功能性能進行分析，從飛行安全需求的角度出發，梳理出新一代機載氣象雷達的關鍵技術及難點，并對機載氣象雷達未來的發展趨勢做出展望，以期為國內航空事業的發展提供借鑒。

1 國內外機載氣象雷達現狀分析

1.1 國外機載氣象雷達產品現狀

國際上，民用飛機機載氣象雷達基本被美國Rockwell Collins和Honeywell兩家公司所壟斷，作為商用機載氣象雷達領域的“領頭羊”，其產品代表了機載氣象雷達的先進技術。

(1) Rockwell Collins公司典型機載氣象雷達產品簡介

目前，Rockwell Collins公司的主要機載氣象雷達產品有： WXR系列、TWR系列、RTA系列等。其中，WXR-2100雷達是目前Rockwell Collins的主推產品，主要裝配空客A319/320、波音737NG等機型。

WXR-2100多掃描威脅氣象雷達是Rockwell Collins在2006年推出的新一代機載氣象雷達產品，該雷達采用多掃描技術抑制地雜波，能夠探測320 n mile (1 n mile=1 852 m)范圍內的氣象目標，具有增強型湍流探測、風切變告警、飛越保護、路徑衰減補償和告警、海洋/陸地氣象校正、全球地理相關、雷暴單元跟蹤、冰雹和閃電預測、邊掃描邊跟蹤等多項先進技術，進一步加強了對雷暴的跟蹤以及評估能力，可安全、平穩、高效地探測、分析、顯示對飛機的相關氣象威脅。該型氣象雷達所具備的全面氣象分析技術，基于飛行的不同狀態和飛行航線，定向連續的危險評估技術都為飛行提供了安全保障。多掃描雷達的一系列突破性核心技術造就了它的自動性和高性能，引領了氣象雷達產業的發展。

(2) Honeywell公司典型機載氣象雷達產品簡介

Honeywell公司的主要機載氣象雷達產品有：ART系列、Primus系列、RDR系列以及IntuVue系列，其中RDR-4000雷達是目前Honeywell的主推產品，主要裝配空客A320/A340/A380等機型。

RDR-4000三維自動氣象雷達是Honeywell于2008年推出的具有脈沖壓縮功能和三維氣象探測能力的機載氣象雷達，該雷達使用了立體掃描技術，在巡航階段進行了17個俯仰層的掃描，結合全球地形數據庫實現地雜波抑制，3D存儲器中存儲了飛機前方320 n mile從地平面到海拔60 000 ft (1 ft=0.304 8 m)空域中的所有氣象目標，能夠對立體掃描數據進行合成顯示，同時對感興趣方位的氣象目標進行垂直剖面顯示，獲得更為直觀的氣象目標強度、高度等信息。該雷達還具有增強型湍流探測、風切變告警、路徑衰減補償等功能，基于垂直多掃描功能的邊掃描邊跟蹤技術實現了云層高度探測、閃電、冰雹預測，可幫助飛行員更容易、更準確地操控飛機繞過或越過雷暴，從而減少航班延誤、返航及備降。

IntuVue RDR-7000氣象雷達系統是Honeywell現有技術上最先進的雷達。該雷達使用成熟的技術，能夠為飛行員提供天氣檢測、分析和回避功能，具有自動3D體積掃描功能、湍流探測距離達60 n mile、預測式風切變作用距離為10 n mile、冰雹和閃電檢測預警等功能，是第一臺提供完整垂直天氣視圖的雷達，可以更加準確地分析和顯示天氣，在最安全、最舒適的路線上做出充分明智的戰術決策，增強安全性，最大限度減少與天氣有關的飛機損壞。該雷達小而輕的特點也使它非常適用于中小型公務機、直升機、支線飛機等機型。

(3) 美國Garmin公司典型機載氣象雷達產品簡介

GWX-80是美國Garmin公司在2017年推出的用于商用和軍用飛機的、性能先進的多普勒氣象雷達，該雷達實現了自動3D體積掃描、預測式風切變檢測、結冰和閃電預測以及先進的地面雜波抑制功能。新的增強調色板具有比市場上其他機載氣象雷達更多的色彩輪廓，同時集成了自動大氣威脅評估功能，幫助飛行員分析對流天氣威脅，有助于實現態勢感知，減少飛行員的工作量，并降低飛機運營成本。

通過對多家公司的典型機載雷達產品進行對比分析發現，雖然各雷達的技術實現細節不同，各有側重，但發展理念是一致的，即提高對威脅飛行安全的氣象的探測與告警能力。目前，美國Rockwell Collins、Honeywell、Garmin以及Curtiss Wright公司等四家原始設備制造商正在開展對具有探測距離更遠、耐用性更強、人機界面更加友好優點的機載氣象雷達新技術的研究，使機載氣象雷達探測技術不斷地朝更精確、更智能的方向發展。

1.2 國內機載氣象雷達技術現狀

近年來，國內包括航空工業雷華電子技術研究所、陜西長嶺電子科技有限責任公司、西北工業大學、西安電子科技大學、中國民航大學、南京信息工程大學、成都信息工程大學等在內的多所高校、科研院所和企業，積極開展了機載氣象雷達的相關技術研究，在雷達氣象學、湍流探測、風切變探測、危險氣象分析等方面均取得了一定成果，在機載氣象雷達產品的研制和開發上，已具備相當功能的雷達產品。

2 機載氣象雷達關鍵技術

機載氣象雷達的技術發展一直致力于提高飛行安全性，FAA飛行規劃和ICAO業務計劃都將飛行安全納入第一戰略目標，為使氣象雷達充分發揮危險氣象感知能力，確保飛行安全，以下關鍵技術需要重點研究。

2.1 全自動智能化探測技術

嚴重威脅飛行安全的雷暴等危險氣象目標，是在空間范圍內尤其是高度上具有一定發展特性和回波特征的體目標，且不同的發展狀態和發展高度都會對飛行產生不同的影響。機載氣象雷達常規氣象探測技術無法獲取其立體分布信息，影響危險性判斷。RDR-4000雷達采用了立體掃描技術來獲取全量程范圍內的立體氣象信息，但涉及到的掃描層數多，機械掃描條件下數據更新速度慢，對于發展變化迅速的氣象信息不能及時獲取。

全自動智能化掃描技術，將根據載機實時飛行信息、雷達參數等，結合地形信息及氣象目標特性，調配合理的雷達探測方式，實現氣象目標的快速有效探測，獲取載機前方大范圍氣象分布態勢，并能夠根據探測結果自動調度雷達資源，實現對重要氣象的立體掃描與跟蹤，不僅提高了氣象探測更新率，還能夠存儲氣象三維回波信息，作為后期危險氣象識別的數據基礎。

2.2 危險氣象識別技術

普通降水云和雷暴在某些條件下具有相似的回波反射率強度，但其對飛行安全的影響差異很大，后者才是嚴重影響飛行安全的元兇。因此，判斷氣象是否危險，僅根據雷達反射率強度是不夠的，還需識別威脅飛行安全的危險氣象，如雷暴、閃電、冰雹、湍流、風切變、冰晶、晴空湍流、火山灰等，在確保飛行安全的前提下，可降低航空公司的運營成本、減少旅客出行延誤等情況。

氣象目標可看作是一個具有體積連續性的三維立體結構。目前，國內外雷達氣象領域的研究人員在地基天氣雷達危險氣象識別與預測領域做了大量工作，其中雷暴單體識別與跟蹤(SCIT)、雷暴識別跟蹤分析與預報(TITAN)等是較為經典的雷暴識別算法，國內一些研究人員在以上兩種算法的基礎上進行了改進，得到較多類別的雷暴分類識別算法。多因子冰雹云判別方程、冰雹檢測算法(HAD)等是目前研究較多的冰雹識別算法，同時，也有根據雷暴與冰雹、閃電的內在聯系，在雷暴識別的基礎上，提取相應的回波特征來實現冰雹、閃電的預測，也可以基于閃電數據實現雷暴的識別、追蹤與外推。

另外，有別于傳統單極化雷達需在氣象三維立體數據基礎上進行危險氣象識別，雙極化雷達可通過信號處理提取氣象回波的雙極化特征參量，用來估計氣象目標內部粒子大小、相態等微物理特征，實現對降水、冰雹、雪等威脅飛行安全的氣象目標的分類識別。極化氣象目標識別技術是另一種有效的識別手段，已應用于地面天氣雷達信號處理系統。

對于機載氣象雷達而言，危險氣象識別可借鑒地基天氣雷達的研究成果，但由于雷達體制、波段、天線波束寬度、雷達探測視角等差異，以上算法在機載氣象雷達上應用還需要通過大量的試驗進行調整與優化。

2.3 氣象威脅評估技術

飛行過程中，由于氣象目標特性、飛機特性和飛行環境等因素影響，雷達探測到的氣象反射率強弱并不能準確表征氣象對飛行的威脅程度，還需要綜合考慮以下因素：

(1) 地理信息：包括平原、高山、盆地、江河、湖泊等；

(2) 氣候環境：包括大陸性氣候，季風氣候，高原山地和海洋氣候等；

(3) 飛機類型：包括不同翼載的固定翼飛機和旋翼飛機；

(4) 飛機狀態：包括起飛、降落、低空飛行和中高空巡航等不同階段。

氣象威脅評估主要實現復雜多變的氣象目標對處于不同飛行階段的飛機飛行安全的影響分析，并以醒目的符號對危險區域進行標識與告警，使飛行員在任何時間、任何地點都能獲得最真實的氣象威脅感知。該技術的難點在于：①不同地理、氣候條件下氣象目標的統計特性，這需要對各區域大量典型氣象數據進行分析與總結；②氣象條件對不同飛機類型、飛行階段的飛行安全影響分析，這需要對各類飛機的氣動特性進行建模仿真，獲取可靠的告警門限，涉及飛行氣象學、空氣動力學等多個領域，研究難度較大。

2.4 機載毫米波雷達氣象探測技術

毫米波雷達已經廣泛應用于直升機載戰場偵查和監視、火控和跟蹤、防撞、高分辨率成像和敵我識別等領域。毫米波對微小粒子具有較強的散射特性，能夠探測云內部的精細結構，提高對氣象目標形成的微物理過程的認知，在氣象觀測領域有著重要的研究意義。國內外已研究出多型地基、機載和星載毫米波測云雷達。

將毫米波雷達裝載于飛行平臺，作為危險氣象探測與導航用途時，采用前視探測的方式獲取飛行前方范圍內的氣象分布情況。嚴重的空間傳輸衰減及其使用場景和需求使得毫米波雷達在氣象探測時作用距離近，僅能適用于直升機、支線飛機等航行速度較慢的機載平臺。美國FLIR公司(原加拿大Amphitech)研制的OAsys毫米波障礙物感知雷達系統，其氣象探測距離達40 n mile。航空工業雷華電子技術研究所利用研制出的毫米波雷達實現了氣象模式的試飛，錄取了大量的氣象數據。一個掃描扇區地雜波抑制后的氣象反射率因子探測結果如圖1所示，橫坐標為掃描方位角，天線掃描范圍±45°，縱坐標為探測距離，顯示量程45 km。

圖1 機載毫米波雷達氣象探測結果

從圖1可以看出：毫米波雷達能夠實現氣象目標的有效探測，雖然探測距離較近，但是能夠滿足直升機平臺的使用需求。除此之外，機載毫米波雷達還能夠通過波形設計和信號處理等方式獲取氣象目標速度和譜寬信息，以輔助實現危險氣象區域的識別。因此，研究毫米波雷達氣象探測技術，可解決已安裝毫米波雷達的直升機加裝氣象雷達帶來的成本和裝機空間問題，保障直升機低空飛行安全。

但是，利用毫米波雷達實現氣象探測告警的應用尚存在較多的技術難點，如毫米波雷達進行氣象探測時，云雨等氣象目標衰減大，若要獲取準確的回波反射率強度，需要對毫米波雷達回波衰減訂正技術進行深入研究；另外，衰減影響將導致氣象回波信息不完整，需考慮如何設計毫米波氣象探測方式以獲取更多的目標信息、并在有限的目標信息的基礎上實現危險氣象的識別。以上都是毫米波雷達氣象探測技術亟需解決的問題。

3 機載氣象雷達發展趨勢

全自動智能化、氣象威脅評估與精確告警等方向是機載氣象雷達的發展方向。隨著機載氣象雷達技術的發展和器件的升級換代，機載氣象雷達可借助雙極化、相控陣雷達、多傳感器聯合探測等技術來增強對危險氣象目標的探測、識別、評估與告警能力。

3.1 雙極化雷達

雙極化雷達除了能夠獲取常規單極化雷達得到的宏觀氣象參量外，還能夠通過信號處理等方式提取出微觀氣象參量，如圖2所示，在定量測量降水、準確探測目標物理特性、氣象目標精細化識別等方面具有重要意義。

圖2 雙極化雷達與常規氣象雷達探測參數對比

將雙極化技術應用于機載氣象雷達，可獲取更豐富的氣象目標回波信息，通過對極化參量信息的分析，可提高雷達測雨精度，同時獲取水凝物大小、形狀、相態等特征，實現精細化的氣象目標分類，并能夠有效區分氣象回波和地雜波，解決機載氣象雷達地雜波抑制難題。目前極化技術已在S波段和C波段的地基天氣雷達上成功布署和應用，基于極化特征的氣象目標分類技術已經在地基雙極化氣象雷達上進行了較充分地研究與驗證，這些技術都為機載雙極化氣象雷達的研制奠定了基礎。

但由于裝機空間和重量的限制，機載雙極化氣象雷達還需考慮天線尺寸、發射功率、掃描方式、極化參數測量、極化校準等雷達系統技術、偏振雷達反射率因子衰減訂正技術以及飛行場景下的極化特征提取、氣象目標分類等信號處理技術的適應性問題。

3.2 相控陣雷達

相控陣雷達具有波束靈活、捷變特性，能夠提高獲取信息的時間分辨率，大幅縮短掃描時間，節省雷達資源。將相控陣技術應用于機載氣象雷達領域，可以更加靈活地控制收發波束形狀、波束掃描速度和目標駐留時間，采用邊掃描邊跟蹤方式，通過資源管理、自適應探測、先進信號處理等技術實現全空域氣象探測與重要氣象立體掃描，不僅能夠更快地獲取更豐富的氣象回波信息，改善地雜波抑制性能，還可以高效地完成航路上的氣象態勢分析，大幅提高目標的更新率，提前對危險氣象進行預警。對于高巡航速度的飛機而言，也意味著提高了飛行的安全性。相控陣雷達是機載氣象雷達的發展趨勢，其在機載火控、預警領域的成功應用，也為相控陣天線在機載氣象領域的應用奠定了工程技術基礎。

3.3 系統架構一體化

機載氣象雷達由于裝機空間等條件限制，對雷達系統的體積、重量、功耗等都提出了較高要求。雷達系統架構的一體化設計，不僅能夠簡化設備、縮小體積、減輕重量、降低成本，而且功能更強、可靠性更高。

同時，機載綜合監視系統(ISS)是未來機上監視設備的發展方向，它將機載氣象雷達與空中交通告警和防撞系統、應答機、近地告警系統等機上其他相互獨立的監視設備更加緊密的集成化。ISS將各種告警信息進行綜合處理，給飛行員提供實時高效且全面準確的態勢感知，避免惡劣氣象環境、鄰近空域內的與本機距離過近的飛機以及可控飛行撞地事故等威脅對飛行安全造成影響。機載氣象雷達作為ISS的重要組成部分，其一體化架構降低了多系統集成的難度，提高了系統的穩定性和可靠性。

因此，機載氣象雷達系統架構的一體化設計是機載氣象雷達發展的必然趨勢。

3.4 多傳感器聯合探測

為了提升雷達對航路前方氣象的準確探測、識別、預測與威脅分析能力，同時降低飛行員的工作強度，通過機載氣象雷達與機上其他相互獨立的傳感器的交聯，實現基于多傳感器的氣象聯合探測，同時借助地面天氣雷達、星載氣象雷達以及其他機載氣象雷達等強大的氣象探測網絡和高速大容量的航空數據鏈路的支撐，豐富航路前方危險氣象信息，在數據融合的基礎上實現氣象目標的精細化分析、高精度綜合顯示與告警，并輔助航路規劃，如圖3所示。主要實施途徑如下：

(1) 將閃電探測儀與機載氣象雷達探測結果進行融合，不僅能夠提高閃電定位精度，還能預測強對流的存在及演變；

(2) 晴空湍流探測器、火山灰探測器等傳感器的探測結果，與機載氣象雷達實現數據融合與綜合顯示；

(3) 利用溫度傳感器獲取的溫度信息，結合雷達探測結果，區分常溫層、低溫層和超低溫層，評估不同溫度層的水凝物相態，輔助判斷氣象目標的危險性；

(4) 通過空地協作的方式，融合上傳的衛星云圖和地面多普勒天氣雷達圖像，實現氣象信息共享，提高飛行員對危險氣象的感知能力。

圖3 氣象雷達與多傳感器聯合探測

3.5 雷達功能擴展

隨著航空安全問題的日益突出，機載氣象雷達的安全導航能力也在不斷地改善，可開發擴展以下功能：

(1) 結冰區探測。飛機飛過結冰區，可能導致飛機積冰，對飛機的失速特性，起飛、爬升、續航、著陸等性能、發動機性能以及穩定性等造成很大的影響。

(2) 尾流探測。飛機尾流是飛機經過后引起的空氣不規則運動，會危及跟進的后機飛行安全。尾流體積小，回波強度弱，現有雷達體制下難以探測，需針對尾流的特點，研制出適用于尾流探測的雷達系統及其探測方式。

(3) 空中小目標監測。近年來，飛機在起降和飛行過程中與鳥類、無人機等飛行物相撞的事件日益增多，是航空安全的重大隱患。利用高分辨雷達識別鳥類、無人機等空中目標，建立預警模型，有針對性地驅散和避開鳥群、無人機等，是降低空中目標相撞危害的有效途徑。

(4) 氣象信息服務。氣象信息服務的關鍵是異源數據的融合和大數據量的實時傳輸。通過地面天氣雷達網絡和空中機載氣象雷達數據的雙向信息共享，機載氣象雷達及時獲取地面采集的氣象信息，與機上雷達獲取的氣象信息進行融合處理；地面氣象信息網絡也可以結合機載氣象雷達獲取的氣象信息，實現地面雷達盲區和遠距離的氣象監測。兩者的信息共享，互相彌補，實現更大范圍和更精確的氣象預測。

4 結束語

機載氣象雷達實時探測載機航路前方的氣象目標，并以醒目的方式進行提示與告警，是保障飛行安全的重要機載電子設備。隨著航空事業的快速發展和人們對飛行安全需求的日趨增高，機載氣象雷達正朝著氣象的精細化探測、精確告警和友好的人機交互方向發展，這對目前體制下的雷達系統和技術提出了新的要求。

新一代機載氣象雷達可通過對氣象目標的智能化探測、識別與威脅評估等技術的研究，借助新體制、多傳感器聯合探測等方式，不斷與機載航電設備集成，在提升自身技術水平的基礎上利用集成系統的共享信息進一步增強危險氣象探測和告警能力，為飛行員提供全面而精確的氣象態勢，引導飛行員規避危險氣象，保障飛行安全。