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空中客车公司研发机载激光雷达探测远距离湍流与火山灰

发布:HPLSElaser    |    2018-02-11 23:35    阅读:751
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用于飞机的中短程激光雷达系统能够为自动驾驶校正系统提供强大的数据支持,而能够探测数英里以外的潜在危险大气条件的远程雷达系统仍处在研究之中。

相对空气速度、温度和压力的精确测量对于飞行控制系统能否在既定航线内安全又经济地飞行而言是至关重要的。民航飞机目前通常使用皮托管测量空气速度,从动态空气压力推导出飞机的相对速度。机械叶片能够探测出飞机的攻角,即机身上的参考线与气流矢量之间的角度,以及飞机的侧滑。气压传感器能够测量静压,而常规探头用于测量空气温度。这些测量方法已经在民航飞机上广泛使用,但它们并非没有缺点。

基于反向散射多普勒激光雷达的光学大气数据传感器(OADS)已经被科学家们研究多年,作为一种精确的测量装置,它能够在边界层(靠近飞机表面的空气薄层,其中的粘滞力将影响空气流速)以外测量空气流量矢量。激光反向散射也能够测量空气温度和密度。这种光学空气数据传感器所需的测量距离通常在米的量级上,也就是说能够在空气动力学中定义的边界层之外进行测量。

与传统的探测技术相比,光学大气数据传感器具有几个优点。所需采样的空气一般在距离飞机机身相对较远的边界层之外流动,从而无法为飞机提供精密的校准和修正数据的测量。空速测量有的时候甚至需要在非常低的速度下以及在正反两个方向上同时进行测量,这对于直升机的低速飞行或进行简单的悬停而言尤其重要。传统探测器能够集成在飞机结构中,并在其上覆盖一层与飞机表面平齐的保护窗,从而保护它们免遭诸如鸟撞等潜在的碰撞,但是这也影响了对局部湍流的测量。光学大气数据传感器本身不受水、灰尘和其他干扰物如昆虫的影响,只需要在保护窗上加热以防止其结露或结冰。新型光学传感器具有与传统探头不同的保护模式,从而提高了飞机上整套大气数据系统的可靠性。

测量反向散射

在大气数据激光雷达中,发射激光探头的光学后向散射主要是由气溶胶和/或分子的米氏散射、瑞利散射或拉曼散射引起的(图1)。


图1.图为空气激光后向散射光谱,可用于测量空气数据。图片来源:空中客车公司/M.Fraczek。

测量飞机与当地大气之间的相对空气速度与真空的空气速度是机载激光雷达最重要也是最容易实现的一种测量。这种方法所利用的主要物理效应是多普勒频移,该效应导致激光雷达接收到的后向散射光相对于发射的探测光束产生了频移(图2)。频率转为蓝色表示相对速度为正,红色表示相对速度为负。由于多普勒效应仅适用于探测光束(视线)的共线方向,所以至少需要三个光学探针在三个线性无关的方向上同时提供空气速度的测量,才能够恢复完整的三维气流矢量。因此利用新型探测方法,不仅可以得到真实的空气速度,而且还能够推算出飞机的攻角和侧滑的角度,即飞机的机体轴与其运动轴之间的水平角度。


图2.气溶胶散射(窄峰处,强度可变化3到4个数量级)和分子散射(宽肩处,强度可变化3到4倍)。反向散射的多普勒频移(红色箭头处)直接给出真实的空气速度。图片来源:空中客车公司。

目前有两种不同的光学大气数据测量方法。首先是相干检测,利用气溶胶的多普勒频移后向散射;以及尘埃、沙子、泥土等直径大于或与激光波长尺寸相当的粒子的米氏散射。检测到的反向散射信号与输出光学探头的激光线宽一样窄(见图2中典型激光线宽为10到100 MHz的峰值)。它能够将输出信号与输入信号进行相干混频,以及直接测量多普勒频移作为混频过程中的频率差。相干检测非常简单而且灵敏度较高,但是这取决于周围气流中的气溶胶颗粒浓度。而气溶胶的浓度取决于当时的气象参数,在地面高度和巡航高度之间,气溶胶的浓度可能会随着海拔高度的上升而下降3到4个数量级。因此连续相干检测非常适合直升机高度、低空飞行高度以及靠近地面的情况使用,但一般的巡航飞机则不适用。虽然使用复杂的事件触发相干探测模式,能够在仅有少量的气溶胶的情况下产生可用的多普勒信号,从而在高空进行空气速度测量,但是却没有实现真正意义上空速测量的可靠性。

另一种方法,即直接检测,是基于分子散射或瑞利散射。空气中的分子浓度是可预测的,并且在海平面和巡航高度之间仅仅变化了3到4倍。与由分子的快速布朗运动(参见图2中宽约2GHz的展宽)引起的信号输出相比,问题在于检测到的信号将会产生2~3GHz的展宽。在这种情况下,相干混频几乎是不可能的,因为其需要能够区分光频移的元件。现代方法使用来自干涉图的分子吸收池或条纹图像(用干涉仪后的相机检测到的强度分布)与图像处理结合以确定由条纹半径的变化引起的多普勒频移。在这种检测方法中,气溶胶和分子信号能够在干涉图中由不同的条纹宽度进行识别(图3)。


图3.在法布里珀罗干涉仪后使用基于紫外照相探测器的AWIATOR在飞行测试期间拍摄的雷达干涉图包括以下四幅图像:激光参考信号(a);云中强气溶胶后向散射(b);混合气溶胶和低空分子后向散射(c);在39000英尺飞行高度处的纯分子后向散射(d)。图片来源:空中客车公司。

其他空气数据,如密度、温度、压力和湿度,只能由分子散射直接检测得出。目前较有前途的方法是利用记录的瑞利散射信号或其他散射过程如拉曼散射。在这种方法下,激光束将激发分子使其产生旋转或振动。

来自分子的能量或转移到分子中的能量将导致后向散射光产生特征频移。精度为1K的温度测量和精度为1%的湿度测量(在相对较高的湿度条件下)能够直接实现。但是这种方法仍然存在一个主要的挑战:即以0.3%的精度测量空气压力和空气密度。

使用光学大气数据传感器的飞行测试结果已经在科学文献中报道了多年。相干检测和直接检测方法都能达到所需真实空速2节的精度。几家光学大气数据传感器供应商目前正在对原型进行改进并且已经推出了早期产品。但是,光学大气数据传感器的测量范围需要一定权衡。虽然较短的探测距离能够提供较强的后向散射信号,因此需要较低的激光功率,但是较长的距离受飞机边界层中局部气流扰动的影响较小。通常讨论的探测范围是以米为单位的。

前向激光雷达

与传统的大气数据测量相比,激光雷达的测量距离更远,在提供更广泛的附加信息方面更具优势。当需要检测不受飞机自身影响的剪切风、阵风、旋涡和湍流等干扰性大气效应,只要应用直接检测,即使在绝对晴朗的空气中,也可以通过至少三个前向光束完成测量任务。这种情况对于传统的测量方式而言是几乎不可能实现的,即使是通常用于检测湍流的天气雷达也极其困难。前向激光雷达能够充当激光雷达,类似于用于检测一般大气现象的射频雷达。

传统雷达能够向驾驶员发出前方数百公里或更远处的天气预警,使得飞行员能够在大约250 m/s的飞行速度下拥有充足的反应时间做出决定。对于激光雷达而言,这样的探测范围是无法实现的。首先,在光学波长范围内比在雷达频率范围大几个数量级的大气吸收和散射限制了激光雷达在飞机前方的测量范围。激光雷达系统比雷达系统的灵敏度低得多,这不仅因为激光雷达的探测功率较低并且测量带宽较大,而且主要是因为激光雷达中最主要的散粒噪声,通常远高于雷达系统中的热噪声。

对于路基激光雷达,上述限制能够通过长达数分钟的雷达积分时间得到部分补偿。然而在机载应用中,由于飞机的速度很快,因此激光雷达至少需要大约10Hz的更新速率。因此,典型的机载激光雷达在一般精度下的探测范围可达数公里,但是在高精度下的探测范围则仅限于数百米。


图4.配备前向激光雷达的飞机能够通过偏转控制面来平衡湍流和阵风的影响:如升力变化、机翼载荷、飞机加速度。图片来源:空中客车公司。

这带来了是否需要进行人为干预的问题。当出现阵风、剪切风和大气湍流的情况下,飞机能够自动补偿大气扰动,类似于汽车在遇到路面打滑时的反应。与飞行控制器直接连接的激光雷达系统能够接入先进的自动驾驶系统,该系统将进行主动测量并对大气干扰做出反应,通过传统飞机操纵面的偏转来平衡它们(图4)。这种前馈系统需要精确和可靠地测量飞机遇到的风量,这意味着对空气性质的测量不应距离飞机过远。在飞机前方50~100米的距离处,机翼遇到的湍流大约距离飞机约0.3~0.5秒的时间。这为飞行控制计算机提供足够的时间来计算校正机动并施加适当的控制信号,飞机操纵面具有大约30°/s的偏转率,巡航速度只需要进行一定程度的偏转。这可能会使飞机舒适性的提高,并且不干扰机舱内的服务以及减轻机翼载荷和弯曲。它也能够降低一般空气湍流所带来的影响,能够快速响应风切变并影响许多其他因素。

根据上述讨论,机载激光雷达能够分为以下三种:数公里范围的远程系统对飞行员发出警告(该技术目前尚未成熟)。具有50~200米范围的中程系统可进行自动修正(或自动驾驶)。具有0.5~数米范围的短程系统可用于纯光学空气数据传感。

空气速度和大气湍流的测量

虽然短距离纯光学大气数据传感器系统已经被多个供应商应用于产品中,但大多数公司正在将重点转向中距离的商业化系统。一些公司已经验证了低空直升机应用和低海拔的相干测量系统。空客公司在几年前成功完成了商用飞机直接探测中程系统的演示,即由欧盟委员会资助的AWIATOR项目。采用基于法布里珀罗干涉仪的条纹成像技术,使用波长为355nm,带宽低于100 MHz,平均紫外功率为4 W的18 kHz重复频率激光。


图5.安装在空客A340-300飞机整流罩内的AWIATOR前向激光雷达,安装过程(a)与飞行测试过程(b),激光能够探测到飞机前方50米处的范围。实际空气速度测量的标准偏差在没有滤波的情况下大部分处在1~1.5米/秒左右(c),最大飞行高度为390(图中的黑色长方形框)。图片来源:空中客车公司。

对于在飞机前方50米处的全部四光束矢量(机翼处可达70米)在没有测量信号周期的情况下,验证了在16Hz的更新速率下1~1.5m/s的真空速度标准偏差(图5)。其后需要将该系统连接到飞行控制系统,并对包括阵风、剪切风和空气湍流在内的大气扰动的自动补偿过程进行验证。

如果激光光束不是固定在一个方向上,而是进行适当地扫描,那么也能够检测到附加的大气扰动,例如尾部涡流。这将帮助飞机对飞行动态进行修正(图6)。如果航空管理部门接受这种尾流涡探测和校正系统来放宽飞机起降间隔的安全裕度,则在不增加跑道数量的情况下增加机场的吞吐量。


图6.超短距光学空气数据传感器和三个前向激光雷达的应用场景,用于典型的50~100米范围内的阵风和湍流自动修正(包括光学大气数据传感器数据),二维激光雷达扫描的尾部涡流检测以及灰尘/风在典型的1~3公里范围内进行剖面高度一维扫描。图片来源:空中客车公司。

前向激光雷达因此还能够进行光学空气数据测量,以及所述的改进自动驾驶功能。此外,还能够利用激光雷达波束的垂直扫描来测量风速(图6),以优化飞机的飞行高度。

火山灰检测

正如德国航空航天中心在此前的科学任务中已经证明的那样,激光雷达能够进一步分析后向散射信号以检测火山灰的存在,目前使用前向扫描模式测量灰分浓度与高度,已经足以避免火山灰的影响。这些数据表明及时在发生火山灰事件时,依靠这一系统也能够找到合适的飞行高度继续进行运输。

虽然这种情况听起来相当罕见,火山灰事件的影响可能会很十分严重,且持续时间长,造成很大的经济损失。2010年,冰岛艾雅法拉火山喷发造成了二战以来最大的空中交通瘫痪,造成数百万乘客滞留在欧洲以及世界各地。随着欧洲大部分空域的空中交通瘫痪以及航班被取消,越来越多的国家受到影响。国际航空运输协会(IATA)表示,此次事件造成航空业的全部损失约为17亿美元。受影响地区的空中交通瘫痪了大约三天,因为很难准确且实时地测量航线附近的灰分。

当时飞机上并没有安装火山灰传感器。未来如果发生诸如冰岛火山喷发等严重的火山爆发,可能会导致空气中存在数星期的灰烬污染。机载激光雷达的灰分传感器能够通过极化比率鉴别来识别生物质燃烧颗粒中的火山灰,从而可以在无灰的地方进行安全飞行。这种识别能力将使得受污染的空域保持开放,并在安全飞行的任何地方优化航线。其他有害的大气颗粒如过冷的大液滴或冰晶也可能被这种激光雷达系统识别。


图7.图为多功能前向激光雷达设备能够在飞机上提供指示的激光束星座(红色框)的潜在不同功能。图片来源:空中客车公司。

前向激光雷达有可能成为飞机上非常通用的仪器(图7)。评估全面的多功能效益将是能否在商用飞机上应用光学空气数据传感器的关键。目前航空业面临的主要的挑战之一是上述所有激光雷达的功能:空中数据测量、自动驾驶仪支持,如湍流和剪切风平衡、减轻载荷和灰分检测,属于航空运输协会(ATA)的不同部门负责,即飞机的开发责任被分摊。因此,必须要有强大的交叉协作和综合架构方法,才能帮助在商用飞机上集成多功能前视激光雷达传感器。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62913

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