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全尺度风场建模解决方案
发布时间:2014年 02月 17日

1.方案简要说明与应用背景

在地球大气层中飞行的飞行器,都要借助空气动力飞行,因此,作为提供空气动力的介质,空气的静态物理特性(密度、压强、温度等)和动态物理特性(大气的运动)对在大气层中飞行的飞行器的运动特性的影响,一直备受关注。此外,任何航天飞行器穿越大气层飞往太空或重返地球都会受到大气的影响。大气运动是飞行器飞行轨迹和飞行姿态的主要扰动源,作为大气环境的主要表现形式,大气层风场对飞行器使用性能的影响不容忽视。

现代高技术战争中,低空作战飞行器,如巡航导弹、无人侦察机等已成为战场上的重要制敌手段。开发和使用高技术低空作战武器现已成为当代军事装备发展的主流趋势之一。虽然低空作战武器有许多令人青睐的优点,但是,随着这些武器系统的不断发展,大气环境对这些武器装备运用的制约作用更加突出,影响的敏感程度也越来越大。

大气边界层风场对低空飞行器飞行安全和作战效能的影响尤为严重。同样,弹头再入时,为了分析弹头再入时的稳定特性和确定稳定高度,提高弹头再入段的命中精度、减小落点偏差等都需要考虑高空风场的影响,这就需要大家具备建立扰动大气最近乎真实的风场模型。

2.工作原理

风廓线雷达以晴空大气作为探测对象,利用大气湍流对电磁波的散射进行风场的测量,能够实时提供大气的三维风场信息。

大气中折射率的不均匀引起对电磁波的散射,基本有两类:一类是折射率的空间分布变化较为有序而引起的散射,如折射率空间分布周期性的变化引起对相同波长电磁波造成强散射的Bragg散射,折射率梯度很大的水平层状结构上对电磁波的反射,即Fresnal散射;另一类是大气中的湍流活动造成折射率的涨落而引起的散射,即湍流散射。散射层的运动和湍流块的运动都可造成返回电磁波信号的多普勒频移,采用多普勒技术可以获得其相对于雷达的径向速度。通过进行多射向的速度测量,在一定的假定条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动。用于这一探测目的的脉冲多普勒雷达称为风廓线雷达。

2.方案构成

如图1所示,为一个典型全尺度风场建模系统的构建结构。系统服务器汇总全区域采集信息后,运用先进的数据处理算法以及风场建模算法,提供友好的全尺度风场建模系统等App产品界面。

    图1 全尺度风场建模系统典型构建图

如图2所示,为一个实际安装场景照片,CFL-20风廓线雷达的天线阵面场占地将近90m×90m,CFL-03风廓线雷达、CFL-01低空风廓线雷达安装于设备楼屋顶。图3为系统典型输出的图像产品。

   图2 全尺度风场建模系统实景图

 

图3系统典型输出产品图

3.优势特点

该系统是由自动化程度很高的平流层风廓线雷达、边界层风廓线雷达以及低空连续波雷达构成,由计算机控制,实现自动切换波束指向探测,自动采集数据、自动处理形成产品、自动传送,具有较高的可靠性、稳定性,能全天候长期连续运行。主要优势特点如下:

a)24小时无人值守

该系统具备高自动化功能,可无人值守连续工作。

b)高可靠性和高可维性

该系统具有高可靠性和高可维性,平均无故障工作时间(MTBF)大于等于2200小时,平均故障修复时间(MTTR)小于等于30分钟。

c)高时空分辨率

该系统可连续获取低空20m一直到平流层20Km探测高度范围内风场数据等气象要素,空间分辨率低空为4m(20m~600m),边界层为60m/120m(600m~3Km),对流层为240m/480m(3Km~10Km),平流层为480m(10Km~20Km)。时间分辨率一般为默认10分钟,最小甚至可达到6分钟。

d)丰富数据图形产品,完善设备监测功能和友好人机交互界面

4.应用区域

a) 低空、边界层、对流层以及平流层大气结构研究;

b) 全尺度天气分析与预报;

c) 风场垂直切变及湍流探测及研究;

d) 大气污染及扩散监测及研究;

e) 全球性气候变化研究;

f) 城市气象建模;

g)人工影响天气;

h)应急响应;

i)航空、航天、军事活动气象保障等;

j)为靶场试验等任务提供有关的气象数据用于弹道、航道修正;

k)机场空域气流监测;

l)灾害性气象服务等。

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