1.4.1　风切变探测与预警

风切变（Wind Shear，WS）是气象中一种独特的现象。它是指大气中一段很小的距离内，风速、风向单独或两者同时发生急剧变化。经大量研究表明，低空微下击暴流是风切变中最危险的，微下击暴流是一股小而强烈的下冲气流冲到地面附近便在所有方向上产生水平外翻的气流。微下击暴流的存在时间十分短暂，只有几分钟，分为湿（降雨量大）和干（降雨量小）两种类型。回波强度大于25dBZ的小区猝发性气流可视为湿性，而反回波强度小于20dBZ的则视为干性。湿性小区猝发性气流的回波强度高，所以在评估各种探测算法时就非常简单［31-42］。干性小区猝发气流则要求比较成熟的信号处理技术，因为此时基本反射流（雨滴等）对雷达能量的反射率极低。典型的湿微下击暴流中心区雨反射率为60dB；外流区雨反射率为10dB到40dB。而干的微下冲暴流，中心区雨反射率只有20dB到30dB，外流区雨反射率则更小，只有－20dB到5dB。微波雷达只能在一定的信噪比条件下检测和处理信号［43-67］，因此，太低的雨反射率即太干的微下冲暴流，微波雷达就无能为力了。不过，据1982年夏天在丹佛做的试验得的微下击暴流中，雨反射率在20dB以上的占93％。低空风切变常指高度600m以下风向风速突然变化的现象，其类型及其时空尺度特征见表1.1［68］。航空气象上，根据风场的结构，风切变主要可由3种基本情况来表示：水平风的垂直切变，水平风的水平切变和垂直风的切变。在实际大气中，这3种风切变既可以单独存在并影响飞行，也可综合并存以影响飞行。根据飞机相对于风矢量间的不同情况，又可把风切变分为顺风切变、逆风切变、侧风切变及偏风切变4种形式。低空风切变的尺度和强度与产生风切变的天气系统和环境条件密切相关，而且对飞行的影响程度也不相同。

表1.1　低空风切变的类型及其时空尺度特征

在对低空风切变探测系统的研究过程中，首先要解决的，也就是最基本的问题是建立一个能比较真实地反映风场及有关物理特性的大气背景模型，即变化风场。最典型的切变风场是由下冲气流引起的。所建立的模型应该是具有既可大致模拟微下击暴流又十分便于整套探测系统仿真研究的特点。微下击暴流，指小范围内的一股强烈的下冲气流，近地时因撞击地面而产生的外向发散气流。图1.2是飞机着陆过程中遭遇风切变示意图。

图1.2　飞机遭遇风切变示意图

风切变雷达信号处理主要是从雷达回波中提取回波功率、多普勒风速、谱宽等风切变特征参数用以判断风切变的存在以及其危险程度，多普勒风速是其中最重要的参数。雷达回波通常包括雨回波，地杂波和离散目标回波，风切变雷达信号处理的一个重要问题就是关于杂波的处理，杂波主要包括地面上静止与运动的物体以及空中运动目标（如鸟或另外的一架飞机等）的反射回波［81-90］。风速估计试图从大量的回波目标的运动特性中识别出风场的运动特征。低空风切变雷达在飞机起飞和着陆阶段探测风切变的存在，此时飞机离地面高度很低，地杂波回波功率相当强，是最主要的干扰信号，风速估计首先要排除地杂波的影响，常用的平均风速估计算法（如脉冲对处理（PPP）法）与快速傅里叶变换（FFT）法都是通过首先对地杂波进行抑制后再进行风速估计的，地杂波信号可看作位于零多普勒速度附近的窄带信号，通常的杂波抑制滤波器是陷波器，滤波器研究的重点是提高平均风速估计器的性能，尽量在滤掉地杂波同时使目标回波不受影响。不滤除地杂波得到风速估计的方法主要有模式分析法和双峰谱模型法。模式分析法是利用一定的方法对所有的回波源进行建模，然后进行模式的识别，得到风速的估计；双峰谱模型法是对回波信号分类建模的方法［91-100］。

研究风切变雷达信号处理方法的目的，就是为了定量描述飞机遭遇风切变时的危险程度。因此，危险因子应当能够与可靠的探测大气状况呈现一种函数关系，并且可用来测量飞机的性能，从而可以预测飞机航线上的安危。得到广泛承认的一种衡量风切变危害的尺度是F系数，称为危险因子。它是在飞行力学基础概念和已知风切变知识的基础上推导出来的，与飞机的质量和推力无关的一个指标。