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雷达技术在鸟击防范工作中的应用

2020-10-26
来源:中国安全生产 作者:北京首都国际机场股份有限公司 庆彪

 

   在人类飞行的早期,与鸟类间的问题就开始出现了。航空先驱Orville Wright在他1903年的首次飞行后仅5年就报告了一起鸟击事件。首次记载的因鸟击造成的航空事故发生在191243日的美国加利福尼亚海岸。从那时起,鸟击事件在民用航空和军用航空领域的严重性日益凸现,引起人们越来越多的注意。美国国家运输安全委员会主席和FAA局长曾说明:“鸟击是美国航空三大灾害之一。”

  机场会采取多种手段和方法将鸟类对航空器运行的危险降到最低,最大限度地避免鸟击航空器事件的发生,保障飞行安全。机场鸟击防范工作方案包括:机场生态环境调研和环境治理;鸟类驱赶技术应用;鸟情信息的收集、分析与利用。



 

探鸟雷达概述

 

  雷达(Radar)是无线电探测和测距(radio detectionand ranging)的缩写。探鸟雷达能够对一定范围内的空域进行360°全方位扫描,典型的覆盖范围为水平距离0-10km,垂直距离0-1500m。雷达传感器通常具有灵活可变的频率、波束形状和扫描模式。这些传感器通常固定安装在地面、屋顶或较矮的塔上;或者安装在易于移动的拖车上。目前典型的雷达探鸟系统能够提供全天候空域监视,对鸟类活动进行自动检测、跟踪、地理定位和报警;其作为协同运行的雷达网的一部分,能够提高雷达的覆盖范围,提供一个地区的鸟情监视融合图像。此类系统能够最大限度地降低操作者的工作量,提高工作效率。

  

船用雷达收发器

 

  船用(或海事)雷达是用于海上导航,涉及海岸线探测和船只跟踪等功能,其预定目标远大于鸟类目标。此类雷达具有各种功率和天线可供选择,不同选择都会影响到探鸟效果。海事雷达的操作原理,与诸如空中交通管制雷达或军用雷达等更大型、更强大的系统类似。下图所示为典型的探鸟雷达系统结构框图,雷达系统将无线电发射机和接收机(合称为收发机)组合,并与天线连接。无线电脉冲序列能量由雷达发射机生成并通过一个中空的矩形波导传送给天线。天线将具有一定波形的脉冲由本机发射出去,同时接收被发射脉冲照射的物体反射回来的回波,即目标后向散射能量。在接收机中,接收的回波信号通过一系列处理,

提取出飞鸟目标信息并提供给用户。

  商用的海事雷达传感器有两个授权频段可供选择:X波段和S波段,二者的比例约为25:1X波段雷达频率约9GHz,波长约3cmS波段雷达频率约3GHz,波长约10cm。如下表所示,二者性能有一定差异,用于探鸟时需酌情选择。通常认为,S波段雷达在雨中性能较好,但近期推出的固态X波段航海雷达在收发器中具备了雨杂波相参抑制能力,或许能抵消S波段抗雨的优势。X波段雷达的优势是鸟类通常在该波段的雷达散射截面(radar cross section, RCS)大于S波段。

  

雷达波形

 

  脉冲雷达能够在很短的时间内发射高功率信号,然后暂时停止发射,并由接收机接收由去路反射回来的目标回波信号。该发射脉冲的波形通常为恒定振幅的近似矩形,其持续的时间长度称为脉冲宽度。发射与不发射的时间比率称为波形的占空比,磁控管船用雷达的占空比通常小于0.1%,平均功率(占空比×峰值功率)为10-20W。决定雷达目标探测能力的是平均功率,而不是峰值功率。商用的船用雷达可以选择特定的波形以探测不同距离尺度上的目标。短脉冲(<0.1μs)负责近距离尺度(0-3km),长脉冲(>1μs)负责远距离尺度(5-175km)。短脉冲使雷达操作员能够鉴别出与雷达距离差别很小的两个目标,具有更好的距离分辨能力;而长脉冲提高了雷达在远处检测到弱小目标的能力。

 

天线

 

  雷达天线的覆盖范围取决于其类型及扫描方式。天线的类型主要包括波导阵列(阵列)和抛物面(碟形)两种,下表对各类探鸟雷达天线及其特性进行了描述。

  船用雷达通常采用波导阵列天线,扫描方式包括水平和垂直两种。在通常的水平扫描方式下,其扇形波束能够提供良好的方位分辨率和高度覆盖范围,可以提供单只鸟的二维轨迹,约2.5s更新一次目标经纬度信息,但不能提供高度信息。如果采用垂直扫描方式,则不能分辨鸟在水平面上的二维轨迹。因为此时扇形波束的水平覆盖面极为有限,但易于衡量沿其垂直扫描覆盖面上鸟的通量、通过率和高度分布。

  对于鸟类的检测与跟踪来说,可根据用户需求选择天线类型。天线的设计决定了发射脉冲能量的集中程度。一个未经修改的船用雷达天线的典型模式是垂直椭圆扇形波束,半功率波束在水平线上下各10°。这导致发射器能量的一半投射在地面上,造成浪费。已有研究者修改了扇形波束天线,将其向上倾斜,使主波束置于水平线之上。该方法在不提高发射功率的情况下,将系统的垂直覆盖范围翻倍,并减弱了由过宽的垂直波束引入的地杂波。水平波束宽度取决于天线长度和雷达波长两个因素,其与天线长度成反比,与雷达波长成正比,天线长度相同的情况下,波长越小,水平波束宽度越窄。一个2m长的X波段阵列天线具有1.2 °的水平波束宽度,而一个2m长的S波段天线的水平波束宽度为3.6 °。不同类型的天线差异显著,天线的选取取决于应用需求。

 

机场雷达探鸟系统



 

  中国民航科学技术研究院是国内最早开展雷达探鸟研究的科研机构。基于XS波段的海事雷达搭建了“机场雷达探鸟实验系统”,形成了一整套基于非相参雷达图像数据的飞鸟目标检测、跟踪与风险评估方法。下图给出了三组在北京沙河水库采集的含有飞鸟目标的X波段非相参雷达图像处理结果,图(a)(b)采用水平扫描方式,图(c)采用垂直扫描方式,左侧图像为原始雷达图像,右侧为处理后的显示结果。图(a)以余辉方式给出了两只飞鸟目标的飞行轨迹。图(b)中,采用基于雷达图像的飞鸟目标检测与跟踪算法提取飞鸟目标信息,并与卫星地图叠加。图(c)累积了1500帧(2.5s/帧)垂直扫描图像的检测结果,可见,大部分目标出现在180m以下的低空空域,约270m高度处,少量飞鸟目标持续出现在雷达波束中并留下飞行轨迹。

  随着数字计算机和信号处理技术的发展,探鸟雷达技术将持续提高区分鸟类、昆虫和飞机目标类型的准确率,以及针对鸟群的目标分辨率。

【责任编辑:cheng】