[发明专利]用于在飞行器上测量空气湍流且还用于机场和风力发电厂的方法和激光雷达系统

说明书

本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于测量空气湍流的方法，还涉及根据权利要求13前序部分的用于测量空气湍流的激光雷达系统，还涉及在飞行器上，尤其是飞机或直升机上，使用激光雷达系统。

在航空飞行中，大气中的空气湍流在机翼表面处流动的过程是非常麻烦的，因为它导致阻力增大且还导致气动升力有非常大的变化。用于避免或减小空气湍流的任何措施都需要及时地检测和测量空气湍流。

然而，例如在风力发电厂运行期间，测量风力条件和湍流条件也是很重要的。对于风力发电厂而言，发电的功效取决于使转子相对于本地风力条件和湍流条件作正确的布置。出于这些原因，对于风力发电厂有效且安全运行而言，特别重要的是，在建造之前就应该在不同的气象条件下对选定地点处的特征风场和涡度场进行精确的非接触型测量。使用气象测量站(且在某些情况下使用多普勒激光雷达系统)来测量这种空气数据，在目前看来，仍然被视为复杂、昂贵且不准确。

在机场，起飞或降落的飞行器所发出的湍流，即所谓的尾流涡流(wakevortice)可能对其后面飞行的飞行器的飞行行为产生相当大的影响。例如，尾流涡流的力和转矩使较小的飞行器漂移开或滚动。在许多情况下，发生过危急的飞行状态，在一些极端的情形中产生过事故。

在许多国家中，频繁使用的机场在其运行期间，尾流涡流也变为一个严重的经济问题。因为尾流涡流的强度和位置具有不确定性，所以国际民航组织(ICAO)规定起飞和降落之间的最小时间间隔(间隔时间)约为2到3分钟，这取决于前后飞行的飞行器的大小。另一方面，随着大型机场的交通量不断增大，期望将来起飞和降落次序能减小到1分钟以内。由此，急需一种解决方案，能在安全风险得到极大地减小的情况下引导飞行器穿过尾流涡流影响的区域。然而，这需要在能见度减小时以及各种条件都清晰时都能及时进行检测和测量。

尾流涡流是因机翼顶部和底部的不同气流在机翼边缘和翼端处的流动突然改变而产生的，尾流涡流的强度取决于飞行器的翼展和重量。在两翼后方的垂直平面中，以其长度的约2/3处为中心，尾流涡流产生了在相反方向上旋转的螺旋运动的空气转子，其直径的大小约为机翼长度的一半。在离开飞行器时，尾流涡流在高度方向上稍微向下漂移并且断成更小的涡流，直到几分钟之后它们将其全部动能以热的形式传递给周围的空气。横向的风和纵向的风使这些涡流作为一个整体移动，并且对其衰减有影响。来自引擎的废气在所有热空气、烟灰和水蒸汽之上混入尾流涡流并且部分地呈现与所述涡流相同的流动。例如，在平流层中，飞行器后方水蒸汽的浓缩痕迹上可看到尾流涡流。

尾流涡流是因气动升力产生的，因此，无论近期还是遥远的将来都不可能通过新机翼设计而被完全抑制。然而，其强度可以通过机翼上各种附加的气动措施而减小，例如，在气流离开机翼之后使其展开或部分地分开气流。

对于随后的飞行器而言，最重要的是，空气在两翼上的非对称移动以及突然的气动升力或靠近地面的顺风都是危险的。因此，必须预先测量这些空气移动，即从某一最小距离起沿着且横跨飞行轴以足够的空间分辨率进行上述测量。因为降落过程必须能在所有可能的天气条件下进行，所以在阴天(即能见度较差时)和晴天(即能见度未受阻碍时)情况下都必须能够检测和测量上述尾流涡流。

目前，在阴天情况下(即下雨、有雾或多云)，在几十海里的距离处，空气中悬浮的较大粒子的移动或水汽凝结体的移动(其直径都在10μm和几毫米之间)都是用扫描多普勒雷达来记录的。因此，机场或飞行器所安装的多普勒雷达设备可以检测阴天情况下像风切变或涡流这样的气流。可以把这种现象的存在传递或显示给飞行员，接下来飞行员可以按一安全距离绕着它们飞行。然而，在晴天情况下，厘米到毫米范围的雷达波长太长了，以至于无法检测剩余的更小浮质(例如，其直径在1个微米以内)的可用回波。出于该原因，在一些交通量很大的机场，尝试着使用其波长明显更短的(微米范围)多普勒红外线激光雷达。既然上述浮质的背向散射因其浓度不断变化且常常很小而可能是不定的甚至是察觉不到的，所以即使是非常小的气体分子的背向散射也作为目标大小被用于UV多普勒激光雷达的检测。

已印刷的公报DE 103 16 762 A1描述了一种用多普勒激光雷达系统来获取风速的方法。在该方法中，发射设备向空间区域发射一激光束，并且接收到从该空间区域背向散射出的光线。为了确定多普勒频移，生成一干涉图，将其强度分别与参考图形进行比较，这些参考图形是先前针对定义好的参数来确定的。根据上述比较，多普勒频移被确定为上述风速的测量值。