机载多通道气象雷达晴空湍流检测方法研究

Occuring in clear skies, clear air turbulence (CAT) is be compared to the invisible killer of the fight, which can induce airplane bump. According to the statistics from IATA, the serious injury cases of crew and passenger caused by CAT can cost tens millions of dollars every year. The climate change will lead to bumpier transatlantic flights by the middle of this century. Airborne weather radar is a mandated avionics equipment, which is used for timely avoidance of the atmospheric hazardss at the flight path. CAT occurs in clear skies at cruise altitudes, so it can occur without visual or radar indication because of the low RCS. The project is to develop some CAT detection methods empoying the multi-channel airborne weather radar, including the numerical simulation of CAT, the CAT detection methods based on the optimum STAP and reduced rank STAP, and also contructing a verification platform. The study achievements can lead a breakthrough of the CAT detection using airborne weather radar, and also give improvements of the nationalizing of the airborne weather radar and the disciplinary developments such as aerography.

由于不伴随可见天气，可造成飞行颠簸的晴空湍流称为飞机的“隐形杀手”。据国际航空运输协会统计，飞机误入晴空湍流区域而导致的乘客受伤事件每年索赔额高达数千万美元。随着全球变暖，预计到2050年，航空乘客遇到的晴空湍流频率将会达到如今的两倍，且强度更大。机载气象雷达是目前飞机进行气象探测的强制设备。由于晴空湍流的雷达反射率因子很小，造成回波信噪比低，常规的多普勒处理方法误差较大，目前的机载气象雷达尚不能检测。本项目研究机载多通道气象雷达晴空湍流检测，包括晴空湍流仿真、基于最优和降维空时二维处理的晴空湍流检测方法和机载晴空湍流检测验证分析平台。研究成果可突破机载气象雷晴空湍流检测关键技术，还可推进机载气象雷达国产化进程和气象学等相关学科的发展。

由于不伴随可见天气，可造成飞行颠簸的晴空湍流被称为飞机的“隐形杀手”，这一飞行危害未来还会加剧。随着全球变暖，预计到2050年，航空乘客遇到的晴空湍流频率将会增加到如今的两倍，且强度更大。目前，通常依赖机载多普勒气象雷达进行湍流检测。但是，由于晴空湍流的雷达反射率因子很小，造成回波信噪比低，常规的多普勒处理方法误差较大，装机的机载气象雷达还不能有效探测晴空湍流。晴空湍流的检测本质上是低信噪比下的多普勒处理问题。. 本项目研究并突破利用相控阵体制的机载气象雷达晴空湍流检测关键技术，主要研究内容包括晴空湍流仿真、基于最优和降维空时二维处理的晴空湍流检测方法和机载晴空湍流检测验证分析平台。. 晴空湍流仿真方面，实现了利用Von Karman模型的基于蒙特卡洛法的三维湍流风场建模。并在此基础上，研究了机载气象雷达回波高保真仿真方法，实现了基于DEM数据的两种杂波仿真方法，以及相控阵体制下的湍流空时二维回波仿真和频谱分析。. 基于最优空时二维处理的晴空湍流检测方法方面，针对低信噪比的多普勒谱宽估计问题，从空时二维协方差矩阵模型为出发，实现了两种利用全维空时数据的谱宽估计方法。. 基于降维最优空时二维处理的晴空湍流检测方法方面，为降低最优空时的运算量，从不同的降维思想入手，分别提出了多种利用降维空时二维处理的谱宽估计方法。在湍流检测方面，项目还以RTCA提出的机载气象雷达湍流检测最低性能标准为要求，给出了基于垂直载荷因子的湍流检测流程，引入了飞机参数的影响，检测更加准确。. 机载晴空湍流检测验证分析平台方面，初步建立了一个晴空湍流检测验证分析软件平台。该平台包括基于QAR和DEM的杂波数据库、基于ADS-B数据的晴空湍流观测数据库、飞机性能参数数据库和湍流检测算法验证模块等。. 本项目共发表学术论文15篇，其中SCI检索2篇，EI检索1篇，EI待检5篇，公开发明专利4项。