[发明专利]基于激光雷达探测的晴空条件下飞机尾流特征参数反演方法

说明书

本发明提出一种基于激光雷达探测的晴空条件下飞机尾流特征参数反演方法，先利用激光雷达探测系统，获取激光雷达扫描区域内不同激光雷达探测单元处的多普勒速度。然后利用激光雷达扫描区域上属于非尾流区域的各激光雷达探测单元的多普勒速度求解背景风速度；利用属于尾流区域的各激光雷达探测单元的多普勒速度求解涡心位置初值；再利用最优化方法求解飞机尾流特征参数与多普勒速度、背景风速度以及飞机尾流理论速度之间的目标方程，得到尾流特征参数解的集合；最后对尾流特征参数解的集合融合甄别得到尾流特征参数解。该方法能够避免涡心位置估计给下一步环量估计造成的影响，同时提升了数据利用率。

技术领域

本发明属于航空安全技术领域，涉及一种常见的晴空条件下飞机尾流特征参数(即环量和涡心位置)的估计方法。

背景技术

飞机尾流是飞机飞行时在其后方产生的一对反向旋转的强烈漩涡，其对后续飞机的飞行安全具有重大影响，可能使其产生抖动、颠簸，甚至失去控制。导致265人死亡的2001年美航587飞机在纽约肯尼迪机场坠毁即是因尾流所致，这也是美国至今除911之外最重大的航空事故。为了减小此类事故发生的概率，国际民航组织(ICAO)制定了两架飞机起飞或降落的最小安全距离准则。该准则虽然可以在很大程度上保证飞机免受尾流的影响，但往往过于保守，限制了机场跑道的飞机起降密度，这也是导致飞机晚点的一个重要原因。

因此，为在保证飞机飞行安全的前提下有效提升机场容量，亟需发展飞机尾流的实时探测方法，通过估计飞机尾流特征参数(环量和涡心位置)对飞机尾流的危害进行评估，并据此实时调整飞机的起降间隔。当前欧洲的SESAR(欧洲单一天空空中交通管理研究)计划和美国的NextGen(美国下一代空中交通管理系统)计划均设了专题对尾流的实时探测问题进行研究。

激光雷达是晴空条件(干燥大气，大气不含雨、雾、雪等降水粒子)下飞机尾流探测最常用的方式。现有的基于激光雷达探测的尾流特征参数反演方法总体来说可以分为两大类：

第一类属于速度包络匹配算法，通常首先根据速度包络估计涡心位置，再基于速度模型估计环量值。比如一种方法是在频谱中设定阈值得到速度包络，从中估计涡心位置，最后通过比对现有的尾流速度模型得到左右漩涡环量。还有方法就是从波束视线方向(LOS)最大速度估计环量的方法，但在每个波束视线上只使用了径向速度最大的那一个距离单元处的数据，而舍弃了其他距离单元携带的信息，方法的鲁棒性和数据的利用率还可进一步提升。另外，涡心位置的估计对这类方法非常重要，其可能会给环量估计的鲁棒性和正确率造成很大影响。

第二类属于模板匹配算法，这类算法通常建立尾流特征参数与测量变量之间的数学模型，并通过大量探测单元的数据组合求解尾流的特征参数。比如一种方法是通过比较频谱数据和漩涡模型，分别建立了对称和非对称飞机尾流的特征参数与测量变量的两个极大似然函数模型。还有方法就是首先利用包络速度得到涡心位置粗略的估计，接下来基于环量是自由参数的假设精确地计算涡心位置，方法的鲁棒性得到提高。但是总体来说，这一类算法要求的计算量较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于激光雷达探测的晴空条件下飞机尾流特征参数反演方法，该方法能够避免涡心位置估计给下一步环量估计造成的影响，同时提升了数据利用率。同时本发明采用了最优化方法，将参数反演问题转变为全局优化和参数甄别的问题，减少了对计算量的需求。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

基于激光雷达探测的晴空条件下飞机尾流特征参数反演方法，包括以下步骤：

步骤一、利用激光雷达探测系统，获取激光雷达扫描区域内不同激光雷达探测单元处的多普勒速度。