1. 引言
风切变是一种大气现象，指的是在空间两点之间风的矢量差，即在同一高度或不同高度短距离内风向和风速的变化[1]。低空风切变是离地六百米以下风速、风向在空间上快速变化的现象。主要由锋面、逆温层、雷暴、复杂地形地物和地面摩擦效应等因素引起。它不仅能使飞机航迹偏离，而且可能使飞机失去稳定，如果驾驶员判断失误和处置不当，则常会产生严重后果，是威胁航空飞行安全的隐形杀手，一直以来都是民航领域关注的重点[2]。
风切变的强度采用国际民用航空组织建议的强度标准来衡量[3] [4]。低空风切变的探测和预警，可通过多种设备和技术来实现，如多普勒天气雷达、风廓线雷达、激光测风雷达等[5] [6]。近年来，激光测风雷达逐渐成熟并成为风场探测的重要设备。相比多普勒天气雷达、风廓线雷达，激光测风雷达具有灵敏度高、性能全面、功能强大等优点[7]。
本文使用的是风采-Ⅲ型三维激光测风雷达。该雷达采用相干、全光纤和多普勒脉冲体制，主要测量雷达最大探测范围内机场上空及周边环境的风场信息，并根据测量数据实时反演出测量空域的风场信息，还可监测600 m高度下的风场廓线波动情况[8] [9]，并对飞机安全至关重要的下滑道风场进行实时监测，为飞机起飞及降落提供短时大气风场信息，对危害天气作出预警，以保证飞机的起降飞行安全[10] [11] [12]。
2. 工作原理
大气气溶胶或悬浮微粒的群速度反映了大气风速。基于脉冲激光相干探测技术的激光多普勒测风雷达，是一种利用大气气溶胶对激光散射回波的多普勒频移效应，来间接测量大气风场结构分布的新型光电遥测设备[13] [14]。
激光测风雷达通过接收带有多普勒频移的散射光回波，对其进行光电转换和信号处理，从中检测出多普勒频率，最终计算出激光视线方向上的风速。其物理过程如图1所示。
激光测风雷达向空中发射激光脉冲，沿脉冲传播途径上的运动粒子会对激光脉冲产生散射效应，同时粒子的运动群速度引起散射光的多普勒频移，激光视线方向的风速与多普勒频移有固定关系：
，其中
为多普勒频移，
为径向速度，
为测量激光波长。
为了有效保障飞机的安全起降，激光测风雷达具有风廓线探测模式、扫描探测模式(含RHI、PPI、CAPPI探测模式)、综合扫描模式和飞机起降通道等不同的扫描模式。风廓线扫描模式、PPI模式和飞机起降通道模式具备风切变监测、预警功能，可对严重危害飞机起降的风切变进行预警。
Figure 1. Working principle of pulsed laser wind radar
图1. 脉冲激光测风雷达工作原理
3. 设备组成
激光测风雷达主要由雷达主机和上位机两部分组成。图2为雷达主机和上位机的连接示意图。
Figure 2. Cable connection diagram between the radar host and the host computer
图2. 雷达主机和上位机电缆连接图
雷达主机与上位机之间数据通信及控制采用以太网及RS422通信口连接，分别实现数据通信及扫描平台控制。
雷达主机供电为220 V、50 Hz电源。
激光测风雷达的功能组成框图如图3所示。
Figure 3. Block diagram of laser wind radar
图3. 激光测风雷达组成框图
激光测风雷达主机结构为小型紧凑一体化的二轴扫描转动平台，由扫描球和支撑单元组成。整机高度约800 mm，扫描球外径Φ 410 mm。图4为激光测风雷达主机外形设计图。扫描球由整体浇铸的球壳、内部的雷达光电组件组成。其中球壳前后各1/3部分可以拆卸，便于装调与维修，前部分半球有一φ 107 mm保护玻璃窗口，为激光输出窗口，后部分半球上安装有抽气嘴，内部为气密状态。
Figure 4. Outline design of laser wind radar main engine
图4. 激光测风雷达主机外形设计图
4. 主要性能
技术体制：雷达采用脉冲相干体制。激光波长：1550 nm ± 10 nm。数据获取率 ≥ 70% (600 m高度以下径向5000 m内)。工作温度范围：−20℃~55℃。供电：220 V/50 Hz。功耗 ≤ 300 W (平均功率)。主机外形尺寸 ≤ Φ 450 mm × 700 mm。主机重量 ≤ 100 kg。
5. 测量模式概述
5.1. 风廓线探测模式
风廓线探测模式用以测量雷达正上方各高度层的水平风速、水平风向并将所有风层的风矢量按照高度分布进行数据组织，形成测量区域的垂直风廓线数据。采用四波来实现波束扫描，并通过DBS算法来反演计算大气风廓线，实现对大气三维风场的探测。假设风场矢量在DBS扫描过程中保持不变，四个激光束发射方向间隔90度，脉冲激光测风雷达直接测量这四个方向上的径向风速。在DBS工作模式下，雷达对机场上方空域进行多波数扫描，通过DBS反演，并进行2 min (缺省)风场矢量平均，获得机场上方40 m~2500 m范围内各高度层的平均风场(水平风速风向、垂直气流)廓线信息。该模式一般可在无飞机起降等情况下工作，数据刷新时间为3 s~10 min可选，用户可以根据需要分别设置数据平均时间及数据刷新时间。
5.2. 扫描探测模式
激光测风雷达具有风廓线扫描、PPI扫描、RHI扫描、CAPPI扫描、飞机起降通道扫描等多种扫描模式，这几种扫描模式不仅能够对机场上空风场进行分层扫描，还可对机场周边空域、飞机航道等重点区域进行预警探测，对横切风、风切变等影响飞机起降安全的危险气流进行告警，为飞机安全起降提供数据支持。这几种扫描模式基本覆盖了民航飞机安全保障所需的各种应用场合，可满足民航业务的应用需求。
5.3. 机起降通道探测模式
该模式下，雷达对飞机起降通道区域进行集中快速扫描，在扫描过程中俯仰角和方位角同时变化，以锥形方式扫描起降通道附近的区域。雷达根据测量结果对5 km范围内雷达测量的径向风结果进行显示与分析，得出飞机起降通道上的迎头风与侧分分量，并快速识别是否有风切变等危害性信息存在，若监测到则立即作出报警。此为激光测风雷达的关键工作模式。
除了上述不同应用场合的扫描模式，为满足其他的潜在应用场合，激光测风雷达输出的数据产品设计了统一的标准格式与数据接口，便于利用数据决策及进行二次开发应用。
6. 系统使用方法
激光测风雷达控制终端软件界面包括控制按钮、状态提示灯，菜单栏的设置按钮，雷达的显示切换按钮，雷达角度显示等。本节叙述了各部分的基本操作与功能。
6.1. 菜单栏
菜单“基本设置”包括“主机IP设置”、“光学位置设置”、“管理员登录/退出”和“出厂配置”四个个菜单项，主要完成对雷达主机的IP和端口和光学位置以及管理员对雷达自身参数的设置。
6.2. 模式设置
在雷达开始测量前，若需要测量的模式和当前选择的工作模式不符，需要更改雷达工作模式，点击左侧界面切换按钮“模式设置”，雷达界面自动切换到模式设置界面。
其中“模式列表”中显示了当前已经设置存储的工作模式，工作模式包括以下工作模式：
DBS：风廓线DBS工作模式；
PPI：水平方位扫描模式；
RHI：俯仰扫描模式；
GLIDE：起降通道模式；
VAD：风廓线VAD工作模式(预留)；
LOC：定点测量模式；
CPS：混合测量模式，即多种测量模式依次自动测量。
用户可以从模式列表中点击任意模式，选中需要测量的模式，然后点击“选择”即可。若没有需要测量的模式可自行添加，点击“添加”按钮，然后在右边的“编辑”框中编辑需要测量的工作模式参数。
6.3. 工具栏
工具栏包括雷达工作控制按钮“开始测量”和“待机/关闭”按钮，雷达编号和工作模式显示，以及 三个状态显示灯和雷达转台实时角度信息显示。需要开始测量时，点击“开始测量”按钮，雷达即按照设当前选择模式开始测量。需要关闭雷达或者待机时，点击“待机/关闭”按钮，在弹出的控制面板中点击所需功能按钮。
三个状态灯分别为“雷达主机”、“激光器”、“显示终端”。“雷达主机”状态灯，未连接雷达主机时为灰色，当连接雷达主机正常是为绿色，当连接雷达主机出现故障时为红色，此时用户可以将鼠标移至该灯处，会自动显示故障信息。
“激光器”状态灯，当激光器关闭时为灰色，当激光器打开时为绿色。“显示终端”状态灯，当连接上用户显示终端软件时，该灯为绿色，未连接时为灰色。
6.4. 状态显示
点击左边“状态”按钮，软件界面自动切换至状态显示面板，如图5所示。用户可通过该面板观察雷达相关状态。
Figure 5. Status information display panel
图5. 状态信息显示面板
6.5. 实时数据显示
实时数据显示包括实时图、雷达信号图、径向数据和风廓线。
实时图：实时图包括最新一个径向数据的曲线和列表，以及整个风场扫描的图形。
雷达信号图：包括回波强度的扫描图形，实时的时域数据和频谱数据。
径向数据：径向数据显示包括幅度、信噪比、谱宽随距离的变化曲线。
7. 设备安装维护
激光测风雷达为机场配套设备，通过扫描球底部的机械安装接口按照规定的北向方位固定在机场报道附近。
如图6所示，激光测风雷达供电为220 V、50 Hz市电，通过一根供电电缆进行供电；数据通信电缆一根，包含网口和422数据接口，通过网口向指挥中心传输数据产品，通过422接口连接上位机，利用上位机实现对激光测风雷达的控制。同时，激光测风雷达还具有组网扩展功能。在需要的情况下，可以通过交换机连接网口，与其他上位机或数据终端组成局域网，通过交换机实现数据产品的分发与共享，为需要风场数据的决策部门提供快捷的信息支持。
Figure 6. Schematic diagram of electrical connection of laser wind radar
图6. 激光测风雷达电气连接关系示意图
使用维修中的限制和注意事项如下：
1) 不要将激光光束直接照射人眼；
2) 在观察到激光测风雷达窗口有灰尘、模糊不清等情况时应及时进行清洁。清洁时应先用洗耳球吹去玻璃表面较大的浮尘，再用棉花蘸无水乙醇由中心向外螺旋状轻轻擦拭。
8. 小结
随着气象事业的现代化水平快速提升，激光测风雷达实现了较高的数据刷新率，能够对机场上空的风场变化进行实时监测及预报。工作模式相互补充，可获得飞机起降所必须的下滑道侧风、迎头风，风切变指数等，为飞机起降安全提供有力的数据支持，在出现侧风过大，风切变指数大等对飞机起降有危险的大气风场情况时，可立刻进行告警。本文详细介绍该设备的工作原理、主要性能、设备组成、扫描模式等，为用户日常管理维护和故障排除提供经验和借鉴。