1.4.2　大气湍流检测

湍流是一种气流运动，肉眼无法看见，而且经常不期而至。引发湍流的原因可能是气压变化、急流、冷锋、暖锋和雷暴，甚至在晴朗的天空中也可能出现湍流。湍流并非总能被预测出来，雷达也发现不了它［92-110］。对气象雷达而言，湍流是指微粒速度偏差较大的气象目标，该定义与微粒的绝对速度无关，而与微粒速度的统计标准偏差有关。速度的偏差可理解为速度的范围或频谱，频谱越宽，湍流越大。在湍流区域中，气流速度和方向的变化都相当急剧，因而不仅会使飞机颠簸，而且会使机体承受巨大的作用力，对飞行安全十分不利。因此，飞机总是十分小心地避免进入湍流区域。

根据美国联邦航空局（FAA）的数据，湍流是导致机上非致命伤害的主要原因，但通常是因为乘客或机组人员没有系好安全带。虽然湍流可能导致严重的头部撞击，但通常不大可能致命。据美国联邦航空局统计，从1980年到2012年6月，美国的飞机总共发生200多起起湍流事故，导致数百人伤亡［111-120］。

湍流可能夹杂有雨粒，也可能不夹杂雨粒。前者可称为湿性湍流，后者可称为晴空湍流。目前，只有湿性湍流能被气象雷达有效探测。根据湍流速度偏差大小，可将湍流分为轻度、中度和严重湍流。通过航空营运的实践，国际民航界把湍流的报警门限近似定位5～6m/s。这大体上相当于中度与轻度湍流的分界线［121-28］。

湍流是根据雨粒的速度偏差来定义的，只有能够产生十分稳定的相参发射信号的雷达才可能具备湍流检测能力。湍流中雨粒的相对速度偏差越大，信号的多普勒宽度就越宽。因此在机载多普勒气象雷达中，可通过比较所接收到的信号的多普勒频谱的宽度来检测湍流目标。

对湍流信号检测的方法除了比较常用的FFT法和PPP法，最近发展起来的还有模式分析法和双峰谱模型法等。PPP法和FFT法是平均风速估计器，仅能对回波信号提取单一的速度参数，也就是说雷达回波信号包括一个以上的主要回波源时，PPP法和FFT法估计的风速就只能是所有的回波源速度的平均。而模式分析法不同于这两种传统算法，它试图对雷达回波信号进行建模，以确定所有主要的回波源。模式分析法首先对每个回波源进行确定，然后再分别将其归类为风场回波或杂波回波，从而得到风场回波信号的速度。模式分析法应用了二阶扩展PRONY方法，利用AR模型产生数据，计算出极点进而对极点模式进行判别，从而得到风场极点对应的速度。模式分析法主要包括两部分：回波数据的分析和极点模式的判别。

双峰谱模型法是一种对回波信号分类建模的方法。针对雨回波和地杂波回波的频谱特点，这种分布模型被提出，该模型可直接用来进行风切变参数估计，而不需要对地杂波进行预滤波。这样跟传统算法相比，既减少了工作量，同时也能有效地避免地杂波对风切变参数提取的影响。多普勒雷达的回波能量的主要来源集中于风场回波和地杂波回波，因此，只需要对这两种主要谱成分进行建模。