概述 介绍 Rockwell Collions WXR-2100 型多扫描气象雷达在气象信息的处理和提炼方法上有革命性的突破, 多扫描气象雷达是一种全自动雷达, 它可以在不需要飞行员输入扫描角度和进行增益设置的情况下, 不管在什么时候, 不管飞机的姿态如何, 对所有范围内重要的气象信息进行无杂波的显示。 当多扫描气象雷达工作在自动模式的时候, 每个飞行员将会获得一般只有有经验的雷达操作员才能获得的气象信息, 而飞行员只需进行简单的标准化航空公司飞行员培训。 多扫描气象雷达有效的减少了飞行员的工作负担, 并增强了天气的探测能力, 增加了机组及旅客的安全性。 多扫描雷达工作的关键在于雷达对雷雨底部反射部分的探测, 然后通过先进的数字信号处理技术对地面杂波进行抑制。 为了对短、 中、 长距离范围内的气象进行更好的探测, 多扫描气象雷达也集成了多雷达扫描功能, 对扫描角度进行预设。 因此, 在不同的飞行阶段, 不同的探测距离, 它的气象探测结果都十分出色。 真 320 海里探测和 Qverflight Protection 功能是多扫描气象雷达众多新特征中的两个。多扫描气象雷达因为使用先进的运算法则来消除地面杂波, 这使它能够跨越雷达视野的限制, 为飞行员提供真正意义上的 320 海里气象资料。Overflight Protection 功能使机组人员能够躲开雷雨顶部渗透, 这是如今导致飞机颠簸的主要原因之一。 Overflight Protection 功能将那些对飞机造成威胁的任何雷雨信息保持在雷达显示屏上, 直到它不在对飞机造成威胁为止。 系统描述 重要的运行特点 全自动工作: 多扫描气象雷达设计工作在全自动模式, 飞行员只需输入探测范围, 而不需要输入扫描角度和进行增益设置。 理想的无杂波显示: Rockwell Collions 第三代地面杂波抑制算法能减少约 98%的地面杂波,这使它能理想的无杂波显示有威胁的气象信息。 在不同探测范围和飞行高度情况下良好的气象探测能力: 多扫描气象雷达将从不同扫描角度获得的气象数据储存在存储器中, 当飞行员选择了所要求的显示范围, 不同角度的扫描信息将会从存储器中取出并一起显示。 通过多角度的扫描, 可以获得近距离和远距离的气象信息, 这使得不管飞机的姿态如何, 不管何种探测范围, 显示屏上所呈现的都是一幅最优化的气象图。 决策气象: 多扫描气象雷达能够提供真正意义上的 320 海里决策气象信息。 Gain Plus: Gain Plus 包括以下功能: 传统的加减增益控制: 多扫描气象雷达允许机组人员在人工或自动工作模式的时候进行增加或减小增益。 基于温度的增益控制: 在高海拔的巡航高度, 由于低的雷雨雷达反射率, 将会基于温度对雷雨增益进行补偿。 路径衰减补偿和警报(PAC Alert): 对距飞机 80 海里范围内的干扰性气象造成的衰减进行补偿, 当补偿超过限制, 一个黄色的 PAC Alert 杆将显示以提醒飞行员注意雷达阴影区。 Overflight Protection: Overflight Protection 功能减少了在高海拔巡航高度时疏漏雷雨顶部渗漏的可能性。 多扫描气象雷达向下扫描波束的信息和它的信息存储能力将发挥作用, 可以防止在飞机完全穿越有威胁的雷雨区之前, 雷雨区图象在显示屏上消失。 海洋气候反射率补偿: 多扫描气象雷达能对海洋雷雨反射率的减小进行增益补偿, 以便在 飞机飞越海洋时提供更精准的气象信息。 全面的低高度气象: 在低高度时, 多角度扫描的应用使雷达能够通过对飞机飞行路径的扫描来防止闯入拱形雷雨紊流区, 能探测出飞机下方正在行成的雷雨, 并能看到更大范围内的气象情况。 风切变探测: 在起飞和着陆阶段, 自动的风切变探测能力将起作用。 地图: 地图模式能够探测出主要的地理特征, 如城市, 湖面, 海岸线等。 全范围全模式下的同步显示更新: 在自动模式下, 机长和副驾驶的显示更新是同步进行的, 即使他们选择了不同的显示距离和不同的工作模式。 工作原理 雷雨的反射率 了解多扫描气象雷达如何工作的关键在于了解雷雨的反射率。 一般来说, 雷雨的反射率被划分成三个部分(见图 3—1)。 图 3—1 雷雨反射级别 雷雨的下三分之一由于温度在冰点之上, 所以全部由小雨滴组成, 这部分是雷雨中对雷达波能量反射最强的部分。 中间部分由过度冷却的水和冰晶组成, 由于冰晶是不良的雷达波反射体, 所以这部分的反射率开始减小了。 雷雨的上部完全由冰晶组成, 所以在雷达上几乎不可见。 另外, 正在形成的雷雨在其上部可能会形成拱形的紊流波。 图 3—2 显示的是一个真实的雷雨。图 3—3 显示的是随着扫描俯仰角度的增加相应得到它的一些雷达图。 在实际的人工操作中, 通常是在能观察到最多的雷雨反射回波的角度和接收到最少地面杂波的角度之间选择一个折衷的扫描角度。 图 3—2 雷雨 图 3—3 雷雨和在不同扫描俯仰角度时它相应的雷达图 理想的雷达波束 了解了雷雨的反射率和扫描角度对它的影响, 我们可以设想一下探测天气的理想雷达波束的特性。 理想的雷达波束能够直接探测到飞机下方区域, 探测出正在形成的雷雨, 并且波束能 沿地球表面的曲率延伸到雷达波传播的最远距离(图 3—4)。 这样, 理想的雷达波束能在任何时候显示出飞机到 320 海里外所有的重要气象信息。 图 3—4 理想的雷达波束 多扫描对理想雷达波的仿效 多扫描雷达通过获取来自不同扫描角度的信息并将其合并进整个气象图中来仿效出理想的雷达波束。 Rockwell Collions 的专利—地面杂波抑制算法被用来消除地面杂波, 这使得飞行机组人员能看到 0—320 海里范围内所有的重要气象目标, 而不受地面杂波的干扰 (图 3—5)。 图 3—5 多扫描雷达对理想波束的模拟 多扫描雷达的工作程序 图 3—6 显示多扫描雷达的工作程序。 两个不同扫描角度的扫描数据被采集, 并对飞机前方不同区域的回波信息进行优化。 一般来说, 多扫描气象雷达通过自动调整波束的扫描角度和增益, 上部扫描波束探测的是中间区域的气象信息, 而下部波束探测的是较近和较远距离的气象信息(图 3—7)。 这些信息被存在一个临时的数据库中, 当机长或副驾驶选择了一个距离, 计算机就回取出相应部分的数据信息, 并对其进行合并和杂波抑制。 这样没, 不管机组选择了哪个距离, 都能得到最优的气象图。 图 3—6 多扫描雷达工作程序 图 3—7 多扫描雷达上下波束的扫描 更新速度 除风切变模式外, 多扫描气象雷达在其它所以模式下完整的进行一次数据处理的总时间是 8秒, 而在风切变模式下, 多扫描和风切变总的处理周期为 11.2 秒。 因此, 在一个数据处理周期内, 所观察到的天气情况不会发生明显的改变, 改变的只是天气和飞机的相对位置关系。为此, 多扫描气象雷达通过调整(图 3—8) 和旋转(图 3—9) 所存储的数据图片来补偿飞机的运动。 这样, Collions 多扫描气象雷达在除风切变以外的所以工作模式下每 4 秒对雷达显示进行一次更新, 而在风切变模式下的更新速度为 5.5 秒。 这种工作方式的一个值得注意的地方在于雷达天线的扫描不再与显示器的扫描相关联, 这使得它可以在不妨碍对飞行员进行气象显示的情况下, 让天线自由地完成多扫描功能。 图 3—8 多扫描雷达对飞机运动进行的图像更新 图 3—9 多扫描雷达对航向改变进行的图像更新 自动增益 多扫描气象雷达工作在自动模式时, 它能根据大气温度曲线使用不同的增益, 以此来对不同时间, 地理位置, 海拔高度的影响进行补偿, 从而在所有飞行阶段都能得到最优化的气象目标回波图。 增益的调整适应了飞机的飞行环境, 并在多数情况下提供了最优化的气象图。 总结 因为多扫描气象雷达通过角度的设置对飞机前方的气象目标进行探测, 并能在有地面杂波的扫描角度所得的回波信息中筛选出重要的气象信息, 所以它能基本无杂波的显示 0—320 海 里范围内对飞机有影响的所有气象信息(图 3—10)。 而且它的整个工作过程是全自动的,这使得飞行员只需关注对恶劣天气的躲避, 而不用操心气象目标的探测和分析。 多扫描气象雷达用产生大量地面杂波的扫描角度来探测雷雨的反射部分, 图 3—10 显示在地面杂波抑制关闭状态下的雷达图, 气象目标都被大量的地面杂波所遮蔽了。 图 3—10 多扫描雷达在地面杂波抑制(GCS) 功能关闭时的显示 图 3—11 演示的是在地面杂波抑制功能起作用时的雷达图(从 0 到 160 海里范围)。 完全无地面杂波的干扰, 只有那些重要的气象目标是可见的。 值得注意的是雷达的扫描角度不在需要在减小地面回波的角度和能观察到最好气象目标回波的角度中折衷了。 图 3—11 多扫描雷达在地面杂波抑制(GCS) 功能打开时的显示 多扫描气象雷达的控制面板 空客的多扫描气象雷达的控制面板是一个双系统、 单功能的控制面板。“双系统” 是由于雷达系统可能包含有一套或两套发射/接收机, 这是由飞机的构型决定的。“单功能” 意味着在模式、 增益及扫描角度设置方面, 机长和副驾驶都是相同的。 图 4—1 空客飞机的双系统、 单功能的控制面板 显示指示 空客的显示指示 自动工作是空客飞机的标准工作模式, 因此, 当自动多扫描功能被选择后, EFIS 上是没有指示的。 在人工模式下, MAN 将在 EFIS 上显示在扫描俯仰角度代码的旁边。 图 4—5 上面一幅图显示在自动模式下工作的状态。 因为负 1.5 度俯仰角代码前没有指示。MAN GAIN 的显示是由于它的增益是某个位置的增益, 而不是 CAL(经过校准的) 增益。下面那幅图显示在人工模式下工作的状态, 因为 MAN 显示在正 2 度俯仰角度代码的前方。CAL(经过校准的) 增益被选择了, 因为 MAN GAIN 指示没有出现。 注意: 当气象雷达在 AUTO (自动)模式出现故障时, 显示扫描俯仰角度的区域会显示 A-15、A-15.5或者 A-16 的指示, 并伴随有相应的故障信息显示(如: WXR SYS 或 AUTOTILT FAIL)。将雷达转换到 MAN(人工) 模式并按照雷达的标准操作程序进行操作。 图 4—5 空客自动和人工工作模式指示 如果自动功能故障, (气象情况) 在机组人员来取消自动功能以前, 将无气象情况显示, 并有 NO AUTOTILT 显示(图 4—6)。 图 4—6 空客自动功能故障指示 俯仰角度指示 不管是波音还是空客的飞机, 在自动工作模式, EFIS 上显示的扫描俯仰角度是上下波束角度的平均值。 例如, 在起飞阶段, 上下扫描波束的角度相差 4 度, 下面的波束角度为 3 度,而上面的波束角度为 7 度, 所显示的扫描角度为 5 度。 随着飞机的爬升, 两波束间的角度差越来越小, 当达到地面以上 10000 英尺或更高时, 上下波束角度差会维持在 2 度左右。 注意: 由于 EFIS 显示系统的 TILT 指示为整数, 所以在机长和副驾驶的 NAV DISPLAY(导航显示) 上显示的 TILT 值可能会有区别, 这是由于显示系统的舍入差别造成的。 多扫描雷达自动工作模式 多扫描气象雷达被设计成全自动工作模式, 只要选择了自动功能和所要求的探测范围, 自动模式开始工作。 一旦进入自动模式, 雷达回调整扫描角度和增益, 以便在任何距离和飞行条件下都能提供最优的气象图。 常规控制 电源(开/关) 空客: 当 SYS(系统) 开关被选到 1 或 2, 雷达就上电了。 当 SYS 开关打到 OFF 位时, 系统断电。 注意: 对空客飞机来说, 不管飞机的构型是单收发机还是双收发机, 都用一个双系统控制面板。 对单收发机来说, SYS 开关的 2 位置是无效的。 图 4—10 空客的控制面板 自动工作模式(ON/OFF) 空客: 当 MULTISCAN MAN/AUTO 开关打到 AUTO 位时, 机长和副驾驶位都会工作在自动模式(图 4—11)。 当 MULTISCAN MAN/AUTO 开关打到 MAN 位时, 机长和副驾驶位都会工作在人工模式, 具体的控制操作会在人工操作部分描述。 图 4—11 空客 MULTISCAN MAN/AUTO(人工/自动模式) 控制 自动模式刚开始被选择时, 雷达会首先对飞机的飞行路线进行一次扫描。 这将确保飞行机组人员能马上看到飞机前方的气象情况。然后雷达会以一个相对低的扫描角度进行一次第二次扫描。 地面杂波抑制算法会从第二次扫描开始发挥作用, 并在第十五次扫描开始之前(16秒) 完成全部的初始化程序。 当初始化程序完成的时候, 飞行机组人员将会收到一幅残留有最少地面杂波的全范围气象图。 另外, OverFlight 保护功能将会衔接, 以防对飞机有威胁的雷雨在雷达图上消失。 图 4—13 多扫描气象雷达的初始化程序 注意: 多扫描气象雷达有“coast” 特性, 它允许飞行员暂时将雷达切换到人工(MAN) 模式, 然后又回到自动(AUTO) 模式。 如果飞行员将雷达从自动模式切换到人工模式后在 38 秒内又回到了自动模式, 雷达将会记住自动模式的设置, 并不需要进行再次初始化。 地面杂波(开/关) 多扫描气象雷达在自动模式下工作时, 地面杂波抑制(GCS) 功能处于激活状态, 对于空客和波音的飞机来说, 这是默认的位置。 有时, 机组成员可能会因为导航方面的原因希望暂时取消地面杂波抑制特性, 这就需要进行手动操作。 空客: 为了观察到地面回波, 需将 GCS 开关从 AUTO 位打到 OFF 位。 这个开关是弹簧加力的, 当放开时会自动回到 AUTO 位。 图 4—14 空客 GCS(地面杂波抑制) 控制 扫描倾斜角度控制(在自动工作状态时不起作用) 多扫描气象雷达在自动模式下工作时, 俯仰倾斜角度控制是不起作用的。 在 EFIS 上显示的倾斜角度值为上下波束倾斜角度的平均值。 图 4—16 空客 TILT(扫描俯仰角度) 控制 双系统选择(针对装备有两套收发机的飞机) 当飞机装备有两套收发机...