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激光大气运动参数测量技术研究进展及展望

文章引用(点击阅读原文):岳亚洲,李彬,雷宏杰. 激光大气运动参数测量技术研究进展及展望(特邀)[J].光子学报,2022,51(4):0428001

一直以来,机载大气运动参数测量对飞行控制有着极其重要的作用。近年来,激光方法测量大气运动参数悄然兴起并迅速发展。图中一架装备有激光大气运动参数测量系统的直升机在山谷中飞行,通过发射激光束实时测量直升机的真空速、迎角、侧滑角等大气运动参数用于飞行控制和精确导航。与此同时山谷中由于气流的急速变化,产生了风切变以及湍流等复杂气流,影响直升机飞行安全。幸运的是,直升机装备的激光大气运动参数测量系统同时具有风切变和湍流的探测感知能力,使直升机可以自动安全改出风切变区域,同时主动抵消湍流对飞机的影响。

论文背景

激光测量大气运动参数的方法是近些年发展起来的技术,其研究可追溯到上世纪七十年代的美国用于测量飞机真空速的机载激光多普勒测速仪,具有高精度、无延时、隐身性、无需复杂校准等诸多性能优点,成为解决传统大气数据系统应用痛点问题的一种有效途径,从提出开始就受到广泛关注。虽然经历了漫长的发展历程,但截至目前,该技术并未形成装备应用于飞机,仍存在许多待解决的技术或工程问题。这些问题主要源于机载应用对产品性能和环境适应性要求极为苛刻。例如机载设备通常要求具有高数据更新率、高数据可靠性、高振动、宽温度环境适应性、高安全性以及低SWaP性能等。随着技术的进步,尤其是激光器技术向小型化及低功耗方向发展,激光大气运动参数测量技术又展示出新一轮应用潜力。近年来,欧美等多家研究机构均有基于该技术的样机研制及试飞验证报道。

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论文概述

本文介绍了激光大气运动参数测量技术的基本原理以及目前主流的两种实现方案,重点综述了近年来激光大气运动参数测量技术在大气运动参数精确测量、传统大气数据系统飞行校准以及飞机前方风切变、湍流探测应用的发展情况,并对激光大气运动参数测量技术的发展趋势进行了展望。图1为激光大气运动参数测量示意图。文章首先详细介绍了激光大气运动参数测量技术原理,其次分析了直接探测和相干探测两种技术方案的原理及特点,并对两种方案的优缺点进行了对比。随后结合国内外技术发展历史,综述了激光大气运动参数测量技术在大气运动参数精确测量、传统大气数据系统飞行校准以及飞机前方风切变、湍流探测应用的发展情况,图2~图4分别示出了对应这三类应用的国外样机。最后针对国内外技术发展的巨大差距,指出两种技术方案目前的问题及研究方向,针对浓雾、扬尘、大雨、大雪等极端天气条件下的可靠探测问题,指出单光子探测、接收端量子增强等量子技术是未来可行的解决方案。

激光大气运动参数测量技术研究进展及展望

图1 激光大气运动参数测量示意图

激光大气运动参数测量技术研究进展及展望

图2 OADS公司用于测量大气运动参数的样机

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图3 ONERA的用于传统大气数据系统飞行校准的试验装置

激光大气运动参数测量技术研究进展及展望

图4 EADS用于探测飞机前方湍流的样机

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科研团队

岳亚洲

(第一作者)

激光大气运动参数测量技术研究进展及展望

研究员,航空工业集团量子技术首席专家,航空工业自控所副总工程师,南京航空航天大学兼职教授,硕士生导师,教育部“飞行器自主控制技术”工程研究中心技术委员会委员,中国惯性技术学会常务理事,《中国惯性技术学报》编委,《导航与控制》编委,曾担任国家863课题组组长、973课题组组长。主持了包括大型运输机导航系统在内的多项国家重点预研项目、型号的研制工作,牵头开展谐振式光量子陀螺、核磁共振陀螺、冷原子干涉量子陀螺等量子传感器研究、惯性/天文一体化组合导航系统技术、惯性/卫星深组合导航系统技术、分布式导航系统技术等,填补了多项国内空白。荣获国防科技进步一等奖1项、二等奖2项,发明二等奖1项,陕西省科技进步二等奖1项。航空集团科技进步一等奖3项,二等奖3项,三等奖1项。申请发明专利40余项,授权20余项,国内外核心期刊发表学术论文30余篇。

李彬

(通信作者)

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高级工程师,副主任设计师,航空工业机载GNC事业部创新中心首席工程师,中国航空研究院在读博士研究生,2012年毕业于西安电子科技大学光学工程专业,长期从事激光测量、光纤陀螺、光纤器件等技术研究,具有丰富的光电系统及部组件研制经验。曾荣获中国发明专利优秀奖,航空集团科技进步奖,申请专利二十余项。

雷宏杰

(首席专家)

激光大气运动参数测量技术研究进展及展望

研究员,博士生导师,航空工业集团惯性导航技术首席专家,陕西省“三五人才”,军委装发部惯性技术组专家,军委科技委主题专家组专家,现任航空工业机载GNC事业部部长,航空工业自控所所长,飞行器控制一体化技术国防重点实验室第一副主任。长期从事导航、制导与控制技术与人工智能技术的理论研究与工程实践。先后主持并参与了国家多项重点型号的研制,组织研究了挠性捷联惯导技术、激光陀螺惯导技术、高精度惯导系统技术等,并组织拓展了天文导航技术、卫星导航技术、综合导航技术、量子导航技术等新概念导航技术发展。近5年荣获国防科技进步一等奖1项,二等奖2项,三等奖1项,省部级科技进步一等奖1项,二等奖1项,三等奖1项。

科研团队介绍

量子传感与自主导航团队由首席专家雷宏杰研究员领衔,依托飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室、惯性技术航空科技重点实验室,开展热原子传感、冷原子传感、光量子探测和高精度自主导航等基础性、前沿性、探索性创新研究。团队现有成员30余人,其中研究员5人,高级工程师10余人,团队专业覆盖齐全,人才梯度合理,先后承担了973、863、军科委、装发部、工信部、科技部、航空工业集团公司等重大项目,累计申报发明专利40余项,发表论文30余篇,相关研究成果居于国内先进水平。

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