大气多参数多普勒激光雷达守护低空飞行安全

　　一、应用背景

　　低空气象要素变化剧烈，低云、雷暴、大风、暴雨、低空风切变、云蔽山、低能见度、地形颠簸、积冰等对低空飞行安全造成严重威胁。相比现有军民航空管气象保障，低空飞行需更密集、精细、全面的气象服务，且各部门需求各异。我国低空气象服务在体制和技术上均落后，存在手段单一、产品缺乏等问题。精细化多要素气象技术及城市微气象探测是低空经济发展的关键。常规微波天气雷达由于受到地面杂波和自身强辐射的制约，不适用于低空气象的应用。人眼安全型激光雷达作为新型光学气象探测设备具有时空分辨率高、探测方式灵活等特点，目前被广泛应用于低空气象探测。国外已发展出成熟产品，而国内商用雷达性能存在差距，且核心光源器件受进口限制，因此研制高灵敏度高分辨率激光雷达迫在眉睫。

　　二、总体介绍

　　南京信息工程大学大气多参数探测多普勒激光雷达面向我国气象现代化，以及在国防、航空航天、低空经济上的迫切需求，突破了高稳定激光源、高灵敏度相干激光接收、高时空分辨探测模式设计和高时空分辨信息提取处理等核心技术难题，总体技术达到国际领先水平。激光雷达的成体系布网探测属于国防重点数据，核心器部件的全国产化至关重要，团队突破了变频锁定超窄线宽超低噪声激光产生技术和微弱信号高速实时检测技术，实现国产化的长相干高纯净激光光源和高速数据采集系统;发展基于偏振分集和闭环校准的高灵敏度激光接收技术，实现30km探测距离最远和0.9m最高距离分辨率的世界领先指标，基于频域功率谱的高分辨分析实现多大气参数同时遥感，形成对城市尺度以及城市间空中飞行管廊的全覆盖、全天时、全要素的实时精准探测;基于人工智能技术，建立非视域气象要素重建大模型，解决低空激光光束经常被大楼建筑、山体遮挡导致的无法覆盖低空预警区域的难题，实现全域化气象监测。

　　三、主要做法

　　(1)聚焦激光雷达优质激光光源和高速采集卡进口受限的关键问题，采用变频锁定超窄线宽超低噪声激光产生技术和微弱信号高速实时检测技术，解决了激光雷达核心光源和采集卡的自主研制问题，实现国产化的长相干高纯净激光光源和14比特高速数据采集系统。

　　

图1. 国产光源(左)和高速采集卡(右)

　　(2)聚焦恶劣天气条件下激光雷达探测性能不足和视线易受建筑遮挡，无法全天候覆盖机场、低空预警区域的难题，发展基于偏振分集和闭环校准的高灵敏度激光接收技术和基于深度学习的非视域风场重建技术，实现全光纤相干体制的全域30千米探测距离的激光雷达的世界领先指标。

　　

图2.雷达实测图(左)及探测距离概率分布(右)

　　(3)聚焦分辨率不足导致湍流、飞行器外流场精细结构难以探测的难题，提出时域-空域编码、差分相关脉冲对编码、伪随机相位连续编码等空间分辨率增强技术，把传统相干多普勒激光雷达的距离分辨率从30米提高到直至0.9米的世界领先指标。

　　(4)聚焦传统激光雷达反演参数单一、高时空分辨信息难以提取的难题，通过频域功率谱的高分辨分析，实现多大气参数同时遥感。基于单台相干多普勒激光雷达实现了云中粒子相态识别、雨滴谱测量、湍流耗散率、风切变、大重力波、大气污染等大气要素的探测，扩展激光雷达功能和应用。

　　四、取得成效

　　4.1 民航气象保障示范性应用

　　自2021年4月2日起至2022年7月2日，10km级激光雷达首先在北京大兴国际机场进行用户测试。在机组报告的49次危险事件中，在激光雷达探测区域范围内，预警系统命中风切变10次，命中湍流11次，命中顺风超标12次，与机组报告高度一致，验证预警算法的准确性，对航空安全起到保障作用。

　　2021年11月至2023年1月，激光雷达在拉萨贡嘎国际机场内部气象观测区域部署。验证期间雷达运行稳定无故障，可以形成连续垂直风廓线、水平风切变和跑道顺风的探测和告警。在激光雷达探测距离的验证试验中，其水平探测距离超过5km/10km/15km/的概率分别为82.42%/44.28%/10.32%。通过此次验证实验，有效验证该多功能测风激光雷达的在高寒高海拔条件下的稳定性和准确性。

　　2022年团队推出国内首台30km级激光雷达。2022年1月20日起至2022年9月7日，激光雷达在昆明长水国际机场内部气象观测区域部署。验证期间雷达运行稳定，可以形成连续垂直风廓线、水平风切变、湍流和跑道顺风的探测和预警。观测期间，水平探测距离超过 10km/15km/20km/25km/30km 的概率各为 93.11%/83.58%/66.56%/42.36%/18.41%。在风切变预警系统验证试验中，发生在雷达激光有效探测范围内的13次机组报告风切变事件，预警系统命中12次，命中率达到92.3%，保障了飞机起降安全。

　　2022年9月22日至2023年4月17日期间，激光雷达在广州白云国际机场内部气象观测区域部署并投入使用。期间雷达运行稳定，未发生故障，可以形成连续垂直风廓线、水平风切变、飞机尾流和跑道顺风的探测和预警。在激光雷达探测距离的验证试验中，其水平探测距离超过10km/15km/20km/25km/30km的概率分别为86.52%/67.52%/38.26%/15.57%/3.32%。在飞机尾流探测的验证试验中，激光雷达能够清晰探测到成对的飞机尾流结构及其耗散过程。在风切变探测验证的试验中，激光雷达成功地捕捉到了由对流天气、阵风、锋面、低空急流等天气触发的低空风切变。

　　4.2南京低空经济圈飞行气象探测示范应用

　　2024年6月至10月南京信息工程大学在南京市鼓楼区创新广场楼顶布置了20 km级激光雷达进行了南京低空经济圈气象探测示范性应用。应用期间捕捉了大量对低空飞行器产生威胁的城市建筑尾流、风切变、团雾、低云低能见度等过程，为南京低空经济的飞行气象安全提供重要支持。

　　五、总结展望

　　低空经济的发展，面临着复杂多变的气象条件挑战。低空飞行不仅受到低层大气的影响，还受到更高层气流的波动、风切变或湍流的影响。高空的天气变化可以通过大气层的动态传递到低空。低空气象是复杂多变的，离飞行航线30千米外、3千米高度内的极端天气事件(比如低空急流、风切变、冰雹、强降雨、团雾)，在低空飞行的20-30分钟内，都会给低空飞行带来灾害。必须实时遥感飞行航线两侧20-30千米范围内气象条件，才能保证低空飞行整个过程安全。大气多参数探测多普勒激光雷达核心技术突破及应用，实现了空间分辨率0.9米，最大探测距离30千米的风场信息全天时连续探测，可以提前感知气象灾害，评估风险等级。未来，将进一步增强激光雷达探测距离至50 km级，并实现组网探测，结合地面气象站数据发展低空空域专用短临和临近预报系统，实现未来72小时的城市区域级天气预报，包括城市尺度的风场、温度、湿度、压强、云量、降水、能见度等多气象要素，为飞行规划和飞行安全提供全面气象保障。