淺析艦船激光測風雷達技術應用及發展趨勢

梁曉峰，張振華

(海軍裝備部，成都 610100)

引 言

海洋占地球面積70% 以上，作為孕育人類生命的搖籃，蘊藏著無盡的資源和秘密，大洋深處曾經是人類的禁區，如今卻越來越成為人類的希望，也越來越成為世界各國爭奪的目標。作為國家領海及海洋戰略發展的守護與保衛者，海軍艦船的作戰能力及航行安全保障是一項重要的工作。隨著遼寧艦、山東艦等的服役，未來我國海軍艦載飛行器會越來越多，海軍對艦船氣象保障的要求也會越來越高。

海洋大氣水文綜合環境信息包括風、氣溫、濕度、氣壓、水文、流水、海鹽等多要素，其中海面中低空大氣風場具有復雜性，存在急流、風切變、湍流、下擊暴流等威脅航空器飛行安全的氣象因素。此外，艦船在海洋航行時，由于艦船上層建筑及龐大軀身所引的起大氣流場改變，導致艦面及艦船艉部等的大氣風場呈現各種尺度及形狀的亂流，產生不同強度的風切變，對艦載飛行器的起降安全將產生直接的威脅。在航空氣象學中，600m以下空氣層中風向和風速突然改變的情況稱為低空風切變，低空風切變由于發生突然、時間短、尺度小、強度大，當質量和慣性都較大的飛機遇到低空風切變時，由于飛行高度太低，缺乏足夠的空間與實踐進行機動而發生事故。因此,低空風切變是航空界公認的飛機在起飛和著陸階段的“殺手”[1-3]。

相對于地面固定機場環境，艦船起降場地很小，且存在多自由度的運動，艦船周邊產生的風切變對飛行器起降安全影響更為劇烈。據相關資料顯示，在海面航行的艦船，大氣紊流情況比較復雜，如航行中艦首處出現上洗氣流、在艦尾處出現公雞尾狀氣流，以及在艦船上層建筑后因陡壁效應在甲板上方產生復雜的紊流等，且這些亂流隨航向、航速及環境風場的變化而復雜變化，形成的風切變對離艦進艦的飛行器將產生不利影響，并增加發生航向偏離、姿態失控等的概率；此外，艦船上起降距離及面積小，艦船受風浪影響會有6個自由度的搖晃，特別是高海況下甲板起伏高度差可達數米以上，上述惡劣環境對起降安全影響極大，因此在艦船上航空器的起降被稱為在“刀尖上跳舞”的行為。據統計，在艦船上起降，直升機飛行員遇到生命危險的概率約為宇航員的5倍，約為噴氣轟炸機飛行員的10倍，約為民航飛行員的54倍[4]。因此，為保證艦船飛行器的安全，對艦船周邊尤其是起降艦面及艦艉的空氣流場特性進行高精度測量，據此指導飛行器的起降作業，對于艦船保障飛行安全和提升作戰能力等，都具有重要的意義[5]。

針對艦船艦面大氣流場的檢測，國內外采用了多種辦法，包括理論建模仿真、風洞、艦面拉煙、測風桿(陣)測量等[6-7]。但由于海洋大氣環境的不確定性，以及艦船運動形態的多樣性，上述方式獲得的艦面及艦艉的大氣流場信息雖然能對艦船航空飛行器飛行安全包線的確定能起到一定程度的指導作用，但難以對多種海況下的復雜流暢進行有效描繪，因此，在線對艦船周邊大氣流場進行實時測量，為航空器起降提供精準的流場信息，是艦船航空氣象保障的重要任務[8]。

激光測風雷達是現代激光光電技術與傳統雷達技術相結合的產物，是近年來發展起來的一種新型大氣風場探測手段，能夠連續、實時、準確獲取大氣3維風場數據，具有測量時空分辨率高、精度高、抗干擾能力強等特點，可用于對大氣風場的實時精細測量，是實現對風切變、湍流和飛行器漩渦流等大氣流場監測預警的最為有效手段，近10年來已經在民航、氣象、環保等多領域逐步得到應用，技術逐步成熟[9]。將激光測風雷達應用到艦船上，有效獲取艦船周邊大氣流場高時空分辨信息，是提升艦船航空飛行器在高海況條件下的安全起降保障能力的重要手段,具有重要應用需求與潛力。

1 艦船激光測風雷達的原理及技術

自20世紀70年代科學家采用光學多普勒技術來實現對速度測量以來，基于該技術衍生出的激光測風技術已經越來越多地應用于各個領域。大氣中氣體分子、氣溶膠等示蹤物的群速度反映了大氣風速，雷達向空中發射激光波束，沿光束傳播途徑上的示蹤物會對激光波束產生米氏散射效應，并在散射回波信號中疊加運動多普勒頻移。由于激光視線方向的粒子運動速度與該多普勒頻移存在著固定關系：Δf=±2v/λ(其中Δf為多普勒頻移，v為粒子沿光束方向的徑向速度，λ為激光波長)。因此，雷達系統通過對回波信號的鑒頻處理與計算，并結合多波束光機掃描及風場反演，可實現大氣風場分布測量[2]。測量原理如圖1所示[2]。

圖1 激光測風雷達測量原理

根據鑒頻方式的不同，激光測風雷達主要分為相干探測和直接探測兩類探測體制，兩者均采用激光多普勒原理來實現對沿激光束方向的徑向風速度矢量的測量，并通過系統在空間多種形態的波束掃描，來實現對風速、風向以及風場分布的測量與描繪。兩者最大差別在于獲得徑向風速度矢量方式的不同，也即對多普勒頻移的鑒頻方式的不同。

其中直探技術主要是通過對大氣散射回波信號強度的接收，并通過窄帶光學鑒頻器的鑒頻來實現對多普勒頻移的檢測。該技術的優點是大氣分子和氣溶膠顆粒均可為雷達測量的示蹤物，系統可用在高層大氣及氣溶膠濃度少地區的大氣風場測量；但主要缺點是探測靈敏度及精度較低，波束測量時間相對長，系統穩定性及可靠性差，多采用短波(波長1μm及以下)激光器為光源,導致系統的人眼安全性差且系統易受背景光的干擾[10]，目前未見到有工程型號產品。另外，近年來，中國科學技術大學開展了采用了量子轉換技術和單光子探測技術的激光測風雷達研制，該技術是以氣溶膠為示蹤物，在系統中采用了量子頻率上轉換及單光子探測技術，可以有效提高系統的探測靈敏度；此外系統中采用人眼安全的光纖激光器做發射光源，可以在一定程度上降低直探式雷達的體積重量，在技術上具有一定的創新性[11-12]。

相干探測技術主要是采用對散射回波的光學相干拍頻及信號數字鑒頻等技術來實現對散射回波信號多普勒頻率的檢測，主要優點是探測靈敏度高、測量精度高、波束測量時間短，測量精度受環境影響小，系統體積重量小，可靠性高，多采用人眼安全的激光源，目前在多種平臺上已經有較多的工程型號應用。由于采用相干體制的激光測風雷達工作示蹤物為氣溶膠顆粒，氣溶膠濃度的變化對激光測風雷達的性能有一定影響，在氣溶膠濃度低的場合工作性能將會受限。

大氣氣溶膠是由大氣介質和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系，尺度一般介于0.001μm～100μm之間，主要集中在2km邊界層高度范圍以內，且密度隨高度大致成指數衰減，形成原因分為自然源及人為源，其尺度、濃度、成分及譜分布等隨季節氣候、地理及氣象環境等的變化而變化，對大氣活動影響較大[13]；持續降水過程對氣溶膠產生濕沉降作用，也將導致大氣中氣溶膠濃度的顯著降低；此外，大氣中的云層遮擋、濃霧等環境，還將對激光產生較強的吸收，導致激光的穿透能力降低。上述因素都將對激光雷達性能產生影響。

對于在海洋中應用的艦船相干激光測風雷達，主要示蹤物為海洋氣溶膠，該種氣溶膠的來源多樣，其中在近海區域主要成分包括由陸地輸送的各種氣溶膠，以及海洋活動生成的海鹽氣溶膠；而在遠海區域，氣溶膠的主要成分是海水泡沫破裂飛濺物隨風形成的海鹽氣溶膠，并會隨風在邊界層形成一定的濃度分布，氣溶膠的散布速度及高度與風呈一定的正相關[13]。國內相干激光測風雷達隨船的試驗數據表明，降水會對激光測風雷達的測程產生較大的影響。但在連續長期降水結束后的晴天下隨著時間增加氣溶膠濃度提高，雷達的性能也會逐步恢復，在近海的恢復時間較快，在數小時時間尺度；而在遠海雨后小風或靜風情況下，雷達的恢復期需要約幾天甚至更長；但在風速較大(4級以上)的情況下，隨風刮起的海水泡沫破裂飛濺物形成的氣溶膠濃度較高，尤其是高海況下，雷達恢復期與近海及陸地相似。因此，采用相干體制的艦船激光測風雷達，實際中可滿足遠、近海一定海況及天氣環境下的航行及航空氣象保障應用需求。

相干探測體制的激光雷達有連續相干和脈沖相干兩種技術途徑，其中連續相干是采用光學天線將激光束調制并聚焦到待測區域，通過對回波信號的相干混頻及數字鑒頻處理，來得到該測量點的徑向風速度矢量。連續相干體制非常適合近距離的風場探測，具有盲區小(數米)、距離分辨率高、單點測量時間短、測量精度高等優點，但該體制只適合近程測量，且由于存在光束聚焦的行為，在人員密集區域需要考慮安全性問題。對于脈沖相干工作方式的激光測風雷達，可實現對測程范圍內各距離門風矢量的一次性測量，是目前的技術主流。但由于受發射的激光脈沖寬度、以及雷達回波中頻信號頻譜信息處理等的限制，導致系統較大的測量盲區(一般為30m～50m)，空間物理分辨率也較大(如不小于30m)[14-15]。

鑒于海洋及艦船應用環境的復雜性，以及航空保障的特殊性要求，目前艦船激光測風雷達多采用相干探測體制，主要以海鹽氣溶膠為示蹤物，以人眼安全的1.5μm波段(激光波長需考慮水汽吸收及氣溶膠特性)光纖激光器為照射光源，采用小型化結構設計，系統自帶光束掃描及伺服穩定控制能力，接收載艦的導航信息，可實現在艦船移動平臺下的波束自穩定及測量修正，并同多模式波束掃描，實現對艦船上空及周邊可視范圍內的大氣風場及流場分布的快速測量[16-17]。圖2為激光測風雷達基本工作原理圖[3]。

圖2 激光測風雷達基本工作原理圖

圖2中，種子激光器輸出的線偏振激光由分束器一分為二，一路作為本振信號光，另一路經聲光調制器(acousto-optic modulator，AOM)后成為高重頻的激光脈沖，注入到脈沖光纖放大器(erbium doped fiber amplifiers，EDFA)中進行功率放大，放大的激光脈沖經光學環行器后，由光學收發天線及雙軸掃描系統后發射進入空中。激光束在前進過程中與大氣氣溶膠顆粒相互作用，米氏散射后向回波信號沿原路返回，由接收天線收集后，再經過光學環行器耦合進入相干光纖光學系統，與本振光進行相干混頻。相干混頻光由平衡光電探測器進行光電轉換及檢波放大，中頻信號送入信號采集及處理系統中，經過一系列信號處理操作，最后計算出該指向波束各距離門的徑向風速度、譜寬、信噪比等參量。雷達系統同時通過雙軸掃描進行配合，可實現對指向空域范圍多角度波束掃描，同時通過對各風矢量在空間上的分解與合成處理分析等方法[18]，最終可反演獲得指定區域的風場信息。在此基礎上，可以進一步對風場結構進行綜合分析，獲得風切變等二次大氣風場數據產品。

2 國內外發展情況

從20世紀60年代起,國際上便開始采用光學手段通過多普勒頻移來實現對流體速度測量，并隨后逐步開始了采用激光對大氣風場測量的技術研究工作。1970～1990年代的激光雷達采用CO2氣體激光器作為光源，在地基、車載、機載等場合有較多應用研究，但因系統體積大、維護體驗差，導致應用效果較差。從20世紀90年代開始，隨著固體激光器技術發展，激光雷達技術逐步得到較大發展。在90年代后期，美國相干技術公司(Coherent Technologies Inc,CTI)(現被洛克希德·馬丁公司收購)的Wind Tracer相干多普勒3維激光測風雷達已經在美國國防部、美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、聯邦航空局(Federal Aeronautics Administration, FAA)等多個部門服務。2002年,Wind Tracer應用于香港國際機場，并于2005年正式投入業務應用(見圖3)。這是世界上第1部應用在民用機場進行風切變探測和自動預警的多普勒激光測風雷達[19]。該系統采用脈沖式相干2μm紅外固態激光器為照射光源，并通過香港天文臺自主研發的飛機下滑道掃描風切變探測運算程序和徑向風切變探測運算程序，實現風切變自動探測和預警[20]。后期美國丹佛機場、拉斯維加斯機場、英國希思羅國際機場、日本成田國際機場、法國戴高樂機場以及意大利Palermo機場等許多大型機場都逐步引入3維激光測風雷達進行低空風切變的預警。應用數據表明：其對風切變探測捕捉率均達90%以上，有力地保障了航空安全。激光測風雷達由于其高分辨率、不受地物雜波干擾、不干擾正常導航系統，可探測晴空條件下的危險天氣等較傳統氣象雷達的優越性，在機場具有廣闊的應用前景。

圖3 Wind Tracer激光雷達

使用2μm固體激光器的激光測風雷達在進一步降低體積重量方面仍存在較多困難，近年來，美國等也陸續開發了采用1.6μm波段激光器的激光測風雷達來逐漸取代2μm的激光測風雷達，可以適當減小系統的體積重量，但在系統小型化方面，仍存在一定困難。近10年來，隨著光纖激光器技術的迅速發展，由于采用1.5μm波段光纖激光器的激光測風雷達在系統體積重量、功耗及可靠性等方面的巨大優勢，此外該波段在通信領域的成熟性，使得采用光纖激光器的激光測風雷達得到迅速推廣應用，并逐漸走向成熟。

法國Leosphere公司從2004年開始，開發出了一系列WindCube激光測風多普勒雷達系統產品，近年來又開發出3維激光測風雷達系列(S100/S200/S400)。系統采用1.54μm的人眼安全窄線寬脈沖光纖激光器，采用2維掃描機構，實現對上半球空域的覆蓋測量[21](見圖4)。

圖4 法國WindCube S400激光雷達

日本三菱公司2005年研制出可單人攜帶的小型全光纖脈沖測風雷達，后繼續開展了遠程激光測風雷達研究，并研制出遠程3維掃描激光測風雷達具有風廓線、平面位置指示(plan position indicator, PPI)、距離高度指示(range height indicator, RHI)等多種掃描，目前在民航系統上有較大的市場前景[2-3]。

針對海洋及船載激光測風雷達應用，從21世紀初開始，英、美、法等國陸續開展了海上運動平臺的激光測風雷達技術研究，早期做法是將陸基激光測風雷達作為一個整體安裝在一個運動伺服穩定平臺上，并通過組合慣導獲取船舶的航向等信息并進行風場數據校正。美國國家海洋及大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)于2004年采用2μm激光測風雷達在海上與多種探測設備進行了比對試驗，將激光測風雷達與探空氣球、雷達風廓線、聲達等進行綜合比對[22](見圖5)。WOLFE等人對在海上應用具備運動補償能力的相干激光測風雷達進行海上風場測量試驗與分析，結果表明,激光測風雷達數據實時性強，通過對船體的姿態補償，激光雷達的測量精度及測量實時性等性能能夠得到有效保證，且激光雷達能對風廓線雷達的低空測量區域進行有效補充[22]。

圖5 NOAA船載激光測風雷達比對試驗

此外，HILL等人在2005年及2008年采用慣性導航儀對相干激光測風雷達的風場測量結果進行了姿態修正和速度修正[23-24]。ACHTERT等人在開闊海域大風速下采用姿態穩定平臺的相干激光測風雷達進行測量，其測量結果風速標準差為1.2m/s,風向標準差為10°[25]。2010年左右,德國Fraunhofer風能系統技術研究所(Institute of Wind Energy Systems, IWES)將WincubeV2激光測風雷達裝于船上，與其它測風系統一起進行了長期海上測風試驗，能有效獲取400m以下風場數據[26](見圖6)。日本三菱公司也于2012年前后將3維激光測風雷達在海上進行了較長時間的觀測，對1550nm激光測雷達在海洋環境下性能進行了研究。

圖6 IWES激光測風雷達船載試驗

在軍用領域，美國海軍希望用相干激光測風雷達來替代傳統的甲板測風儀，以了解飛行甲板上空、艦載機起降路徑等更廣闊區域的風場情況，從而對風切變、亂流、微下擊暴流等有害風場進行實時監測預警。美國國防部2007年報道了CTI公司Wind Tracer相干3維激光測風雷達系統在美海軍航母上進行應用，但報道中并未提及應用細節。同時，美國海軍還將推廣Wind Tracer系統到中小型水平艦艇上，為直升機和無人機的起降提供保障。

國內關于船載激光測風雷達的報道較少，中國海洋大學的WU團隊在2014 年在“東方紅2”科考船采用相干激光測風雷達進行了海上測風試驗，并與無線電探空儀的風場測量數據進行了對比，二者具有較好的一致性[16]。西南技術物理研究所在2015年研制出具備艦船運動環境下實時姿態和速度修正能力的船載小型3維激光測風雷達樣機，能進行風廓線、PPI、RHI等多種風場掃描，以及風切變告警等能力;2016年至今，多款改進型的實用化雷達先后多次隨“向陽紅”、“遠望”、“海調”等艦船在中國各大東海、南海、太平洋、印度洋等海域進行長期的海上應用驗證，航程超過十萬海里;期間與其它多種探空手段進行了比較，并對激光測風雷達在不同海域多種海況下的環境適應性、測量威力、功能性能等進行了充分驗證(見圖7)。

圖7 西南技術物理研究所研制的國產激光測風雷達及遠洋試驗

3 艦船載激光測風雷達典型工作模式及關鍵技術

3.1 工作模式

艦船激光測風雷達，主要用于艦船航行中對艦船周邊大氣風場測量，以及艦面或特定區域位置的大氣流場分布的測量，為艦船航行及航空飛行器的安全起降提供重要的氣象保障[19]。該雷達具有二軸伺服穩定控制能力，可實現對艦船縱橫搖及運動的隔離，具有多普勒波束擺動(Doppler beam swing,DBS)、速度方位掃描(velocity azimuth display,VAD)、PPI、RHI、等高平面位置指示(constant altitude plan position indicator,CAPPI)等多種掃描策略，可在艦船運動平臺上實現對上半球空域的波束掃描覆蓋，系統通過組合測量及數據產品的融合計算，可實現對艦船上空或艦面指定位置的風場廓線分布、周邊的近水平風場分布、近場艦面3維流場分布、艦船尾部區域下滑道迎頭和側風及相應的風切變等多種信息的快速獲取。

艦載激光測風雷達采用脈沖相干體制，工作時存在盲區與分辨率的限制，且盲區與分辨率同艦船的尺度一般具有可比性。而雷達在艦船上的安裝位置有限，視界受艦船上層建筑的影響較大，因此，需要根據雷達在艦船上應用的主要保障目的，來對雷達在艦船上的安裝位置、配置方式及工作模式等進行優化設計。

雷達的多種工作模式中，風廓線探測為常用的一種工作模式，雷達主要采用DBS、VAD等掃描策略，用于對艦船頂空區域，或艦船指定位置處從近甲板面到中低空大氣風場廓線的測量，實現對大氣流場波動特征情況進行連續監測，對其進一步的數據分析可對艦船所處環境的急流、亂流、下擊暴流、垂直風切變等危害性天氣進行預警。

PPI和RHI掃描是指雷達以某個固定仰角或固定方位角進行圓周或俯仰掃描探測，數據產品包括徑向速度、譜寬、水平風場信息、流場垂直分布信息等。可通過產品來分析艦船周邊及上空對應的風場水平及內部垂直結構分布特征，是實際航空氣象業務中應用非常廣泛的產品。

下滑道掃描是雷達依據起飛/著陸仰角，對起降通道附近進行波束集中快速錐形擺動掃描，在掃描過程中雷達的俯仰角和方位角同時變化。該掃描主要用于對起降軌跡沿線氣流分布特征進行測量，并根據測量結果對監測范圍內相對飛機的迎頭風與側風分量進行快速監測，可快速識別是否有風切變等危害性信息。

3.2 艦船激光測風雷達工程設計及應用中的關鍵技術

3.2.1 艦船環境高時空及高精度風場測量技術 艦船上層建筑對艦面上大氣流場產生擾動，在高海況下艦面及艦尾大氣流場異常混亂。由于艦面尺度較小，在很小空間尺度上大氣流場會產生較大的變化，且這種變化會隨艦船移動及海面風場的變化而變化。因此，需要對雷達系統光路、部件工作參量、信息處理方式及應用模式等進行優化設計，以盡量降低測量盲區、提高空間分辨率，并縮短單波束測量時間等。此外由于艦體在行駛過程中還存在航行方向、移動速度及姿態和垂蕩等的不斷變化，導致風向風速基準不斷變化。雷達需要根據綜合導航信息，對單波束測量結果進行實時修正，并針對雷達的工作模式不同，對風場的掃描方式及路徑進行優化設計，以及對風場反演結果進行修正及質量控制，以提高測量精度。

3.2.2 激光測風雷達的工程化設計技術 海洋環境與陸地環境有較大的差別，在系統小型化、雷達在海洋及艦船工作環境，尤其是高溫、強沖擊、電磁環境及系統工程可靠性要求等方面，相比于陸基環境都有很大的提高。因此，需要重點針對應用需求，從雷達的結構形式、海洋環境雷達探測有效性、雷達安裝位置、工作模式、艦船工作環境適應性等方面進行綜合考慮，并結合現有的技術條件與基礎，確定并優化系統的總體技術及實現方案。

3.2.3 艦船環境運動適配性及應用技術 由于艦船隨海浪存在6個自由度的運動，且大氣流場的“體目標”特性，導致激光測風雷達在運動環境易產生“暈船”。需要重點對艦船-雷達運動適配性及應用模式，依據雷達的工作環境，建立相應的預測與控制模型，并提供相應的軟硬件支撐，保證雷達在高海況下的正常工作。

4 艦船載激光測風雷達技術發展趨勢

海洋環境遠比陸地環境復雜，由于艦船環境及應用需求的特殊性，艦船載激光測風雷達在安裝及使用中會受到多種因素的制約，一般的地基激光測風雷達難以在艦船上直接投入業務應用。隨著激光測風雷達技術的發展，以及未來各型艦船中航空器的上艦應用需求的逐步提升，艦船激光測風雷達技術將逐步朝如下幾個方向發展。

4.1 低盲區、高時空分辨、高精度測量技術

低盲區、近程高時空分辨及高精度測量能力是艦船激光測風雷達的未來需求，可實現對艦面狹小空域大氣流場的高精度快速3維測量。需要從雷達的工作體制、信息處理方式、3維風場重構算法技術及雷達應用模式等方面進行攻關。

4.2 雷達小型多功能集成技術

隨著激光技術中新型材料及工藝技術等的發展，激光器、相關光電元器件及處理芯片等的性能逐步提升，并逐步朝小型模塊及波導集成化等方向發展；將直接推動激光雷達核心光電部件的小型化。未來雷達的體積、重量、功耗等將有較大的降低，形成傳感器的小型模塊化。

4.3 多模式、多要素多功能及智能化技術

由于艦船環境大氣風場的復雜性，要求激光雷達具有多模式功能能力；同時未來雷達技術研究中還應該通過模式集成、底層數據挖掘及算法等技術，實現艦船環境多氣象水文要素的測量；并可根據應用環境及艦船信息的變化，自動調整工作參量、模式及數據產品內容等，實現雷達的智能化工作。

5 結束語

隨著遼寧艦、山東艦的服役，未來我國海軍艦載飛行器會越來越多，海軍對氣象保障的要求也越來越高。激光測風雷達能夠連續、實時、準確獲取大氣風場數據，具有測量精度高、實時性強的特點，可對大氣中的中低空風場、風切變、云層運動分布等進行監測。利用艦載激光測風雷達提升艦載航空器的氣象保障水平是大勢所趨。

隨著激光測風技術的不斷發展和相關應用的持續深入，艦載激光測風雷達的研究和應用將會更上一層樓。