飛機探測

飛機探測是利用飛行工具針對人類不能涉足的區域進行科學探測的形式。一般情況下是利用專用科學探測飛機攜帶探測設備進行高空對地面的探測，主要以地理位置及海拔高度探測、礦產資源探測、水文信息探測、重災區探測、化學探測等方面。

以飛行器、專用科考飛機等搭載科學儀器對高危、高海拔、人類難以涉及的區域進行探測及信息獲取的方式。通暢套用於核輻射區域及高危險度區域的高空探測形式。

中文名稱	飛機探測
英文名稱	aircraft sounding
定　　義	用飛機攜帶儀器對自由大氣各要素進行的觀測。
套用學科	大氣科學（一級學科），大氣探測（二級學科）

基本介紹

• 中文名：飛機探測
• 外文名：aircraft sounding

定義

飛機探測是指用飛機攜載氣象儀器對大氣進行探測的技術。

飛機是很有效的大氣探測儀器運載工具，它既能夠作實時、實地的細緻觀測，又能夠在短時間內飛行很大的距離，獲取要素空間結構的資料。因而特別適用於中尺度的觀測和雲物理學研究。氣象飛機大多由轟炸機、偵察機或運輸機改裝而成。有些航線探測數據可以通過飛機一衛星中繼系統實時地發到使用單位，這種系統對補充海洋、沙漠等高空站稀少地區的氣象資料有重要作用。

內容

氣象飛機探測的內容相當廣泛，主要有溫度、濕度、氣壓、風等常規氣象要素；雲、霧和降水的微物理參數（雲雨滴譜、含水量等）；用機載天氣雷達和氣象都卜勒雷達探測周圍數百千米範圍內的雲雨、風、湍流；用紅外輻射儀探測地面、海溫和雲體溫度；用微波輻射儀觀測飛機上空累計含水量；用相機拍攝航線周圍的天氣實況；從飛機上下投探空儀探測飛行高度以下的氣溫、濕度、風的鉛直分布；下投水溫廓線儀測定數百米深的海水溫度等。

飛機的飛行速度快，巡航速度一般是200一300千米/小時，因此，對飛機探測裝備的儀器設計及測量技術有特殊的要求，如儀器的滯後效應低，靈敏度高，測量精度高，自動化水平高等。

由於飛機高速飛行，迎面來的空氣在探頭前部被壓縮絕熱增溫，在流經探頭表面時又有摩擦增溫，從而測量氣溫的儀器示度值比實際值偏高，這叫動力增溫。測量氣溫的儀器不僅要滯後效應小，靈敏度高，而且要求動力增溫小。因此近年來，多採用羅西門特（Rosement）溫度表或返流式溫度表。返流式溫度表採用球狀熱敏電阻為感應元件，電阻值大，電阻的溫度係數大，靈敏度高，感應元件安裝在外罩中，經風洞試驗，動力增溫係數約3.2X10^-4度●秒²/米^-2，且和相對空速無關。

測量濕度，多數國家採用露點儀。露點儀有一塊受冷熱源控制的光潔金屬面，使其在露點附近變動，當樣品空氣流經金屬表面在金屬面上凝結水滴時，測量元件所指示的溫度即為露點。露點儀要求金屬面光潔度高，控溫系統精度高，光學測量系統靈敏度高。用露點儀測量濕度是比較新穎的技術。儘管如此，它還有一定的滯後效應，為此，提出了光學測量法，氫原子光譜中有一條拉曼一阿爾法（Lyman一α）線，水汽對這條譜線強烈吸收，當光源通過樣品空氣吸收後檢測輸出電壓，就可測定水汽密度。這種儀器沒有滯後現象，靈敏度高。

用慣性導航儀在飛機上測量水平風速的垂直氣流是一種先進的儀器。這種儀器裝有三個互相垂直的迴轉支架，由陀螺儀保持其空間取向不變，支架上裝有加速度儀。由空間三個方向的加速度和飛機空中姿態，通過計算機求出水平風速和垂直氣流速度。這種儀器水平風速測量精度可達1米/秒，垂直氣流速度精度可達10厘米/秒。飛機上探測雲微物理參數，20世紀60年代多用慣性沉降法，20世80年代以來，多數國家採用光學粒子測量系統(PMS）。光學粒子測量系統的優點是不擾動空氣的樣品，運用先進的電子計算機技術，從取樣到計測全部自動化，大大簡化了資料處理工作。粒子測量系統的探頭有散射儀器和光陣儀器兩類。散射儀器是測定質點經過光路的散射光，質點愈大，散射光愈強，根據散射光強弱來定質點大小。光陣儀器採用高靈敏度光敏二極體緊密排列成陣，質點通過光路時遮擋若干根光敏二極體，測得質點的大小。經電子計算機處理，可測定雲滴濃度、雲滴譜、雲含水量等參數。記錄可用磁帶記錄、圖形顯示、數字列印。

發展目標

飛機探測發展目標

2010年前，完善商用飛機觀測資料收集、處理業務系統，將更多的商用飛機探測資料用於數值預報，並提高套用水平．開展裝備專用氣象探測飛機的前期工作；發展人工影響天氣、突發事件、颱風等災害天氣監測、生態遙感、環境遙感等無人駕駛飛機探測的業務。

在2020年前，形成商用飛機、無人駕駛飛機和有人駕駛飛機探測相結合的飛機探測業務體系。

建立專用氣象探測飛機業務體系，開展人工影響天氣、環境探測業務，在西部建立無人駕駛飛機探空站，延長微型無人駕駛飛機的續航時間，提高升限，形成系列化無人駕駛飛機探測業務。

飛機分類

現今還沒有單為大氣探測需要而專門設計製造的飛機。一般根據探測要求，現有飛機的性能以及使用者購置飛機的可能條件來選擇合適的機種，加以改裝使用。

專用飛機探測

專用氣象探測飛機採用大中機型，最大飛行高度5000一15000米，續航時間大於5小時。探測儀器包括：大氣溫度、濕度、氣壓探測儀器，風向和風速探測儀器，輻射探測儀器，雲微物理探測儀器，大氣氣溶膠粒子譜監測儀器，多波段紅外和微波掃描輻射計，雙波束機載都卜勒氣象雷達，多波長雷射雷達，大氣電場儀，大氣透過率儀，大氣化學探測儀和下投探空儀系統等。專用氣象探測飛機主要承擔載荷較重的綜合探測任務，要求在較好的氣象條件下進行，承擔無人駕駛飛機因缺乏探測儀器不能探測的項目。專用氣象探測飛機以主動機載遙感探測為發展方向。

無人駕駛飛機探測

無人駕駛飛機氣象探測系統由無人駕駛飛機、機載控制系統、探測任務載荷和地面接收控制處理系統組成。無人駕駛飛機採用GPS導航或者其他導航系統，具有自動導航、自動駕駛功能它能在機載自動控制系統控制下完成預定航線的飛行，並實時地將飛機的空中位置、飛行軌跡和探測數據傳送到地面。地面接收控制處理系統顯示飛機所在位置的經緯度、高度和探測資料，並可發出控制指令。無人駕駛飛機氣象探測系統實際是一種可控的空中探測儀器。

為了滿足不同需求，無人駕駛飛機有多種類型和不同系列。無人駕駛飛機起飛重量可以從一千克左右到幾千千克，續航時間從幾十分鐘到幾十小時，升限從幾百米到兩萬五千米。無人駕駛飛機可在較複雜的天氣條件下飛行。

根據各級不同的業務需要，可以配備不同的無人駕駛飛機氣象探測系統。在國家級業務科研單位配備起飛重量大、飛行高度高、續航時間長、探測功能強的大型無人駕駛飛機探測系統。建立無人駕駛飛機試驗基地，沿海、西部和其他重點地區根據需要裝備相應的無人駕駛飛機探測系統。

在人工影響天氣或遙感業務隊伍基礎上，建設無人駕駛飛機探測隊伍，不斷開發新的探測儀器，特別是雲物理探測儀器，提高無人駕駛飛機的探測能力。

穿雲觀測飛機

用於穿雲觀測的飛機大致需符合如下幾種指標：

（1）升高上限不小於6公里；

（2）巡航速度200一300公里/小時；

（3）續航能力4一6小時；

（4）機載重量視具體要求而定；

（5）承受過載荷強積雨云為±7.59克，一般積雲±1一2克；

（6）安全設施一般應有供氧、供電。防止飛機結凍的設施。

按課題需要尚可列出其它特殊的性能要求。例如作邊界層地―氣系統通量交換測量，要求飛機有良好的低空、低速飛行性能、長續航能力、穩定高度和穩速飛行能力以及能在特殊地形條件下起飛和降落等等。

影響因素

飛機探測有許多地面探測所不及的優點，實時實地的探側無疑是大大擴展了人們探索

自然的能力。但是它也同樣地帶來許多特有的困難和問題。有的是裝備本身存在的，有的是雲霧環境所造成的，有的則是由於飛機高速運動所造成的。

（一）儀器裝備本身的問題

為了實現自動測量，飛機探測一般都採用電測儀器。通過探頭將感應的大氣信息轉換為電參數。經電子系統將電信號放大、整形、取樣、編碼等處理後變為適於記錄的電信號，而後在數據記錄系統中記錄下來。這樣記錄的信息必須通過標定才能表示所測環境參量的真值。另外如用撞擊法取滴譜樣本時，在氧化鎂片上或在鋁箔上留下的斑痕也需要事先通過檢定訂出實際雲滴大小和斑痕大小的轉換關係。這種標定工作需要在能夠模擬飛行時的環境條件的檢定設備。標定設備的條件以及標定過程的工作質量常常是誤差的主要來源。

許多大氣參數在作測量的轉換時是非線性的。例如用露點法測濕，露點和濕度之間的關係是非線性的。即使對示度作了標定，由於在測量範圍中露點溫度測量是等精度的，那么濕度測量在不同區間就有不同的精度。

在感應元件和感測器中，膜盒元件和磁性元件都有滯回效應。當大氣參數由低變到高，又沿原路徑返回時，使用上述元件的儀器示度所示的兩條曲線將不重合。這一點在飛機垂直爬升和下降過程中將尤為顯著。其實當儀器有較大的慣性時，在飛機急速上升下降時，也會出現類似的滯回效應。儀器的零點和靈敏度都有可能發生漂移。在電子系統部分這種漂移尤為嚴重。探頭和感測器也有漂移問題，如皮托管壓力感測器，在溫度變化時就有“零點”漂移。

（二）飛行條件問題

在實驗室中測量條件變化相對緩慢，感應器和環境可以達到平衡，飛機測量時，飛行速度和儀器的回響速度發生矛盾。儀器有大的滯後時間，測量時相當於對要素作時間或距離的平均，從而影響了測量代表性。前已述及在爬升和下降過程中會因滯後而呈現滯回效應。又如飛機以360公里/小時穿一塊直徑1公里的積雲只需十秒鐘。儀器滯後如為幾秒量級，那只能測得平均值，而不能得到雲中的要素變化和結構。飛機上帶有大量的通訊、導航、雷達等電子設備，還有馬達，發動機等點火裝置和電接點，這些都是電子噪聲的來源。飛機還有激烈的機械振動也對測量精度有很大影響。飛機上天以後，機身就是儀器的接“地”端，它不能如實驗室那樣有效禁止外來電訊號和大氣電的干擾。飛機入雲觀測所造成儀器沾濕、漏電、凍結、堵塞等都會造成測量的誤差和錯測。預防和消除干擾的影響是飛機探測必須重視的問題。

（三）飛行的空氣動力學特性對測量的影響

飛機在飛行中和大氣相對運動，它的空氣動力學特徵對測量有影響。

運用

通過收集大量歷史和現今的飛機探測雲物理資料，對所獲取的資料進行必要的質量控制和檢驗，並進行統一整理、加工、規範和信息化處理，形成了具有規範格式和詳細說明文檔的"飛機探測雲物理數據集"產品。該數據集產品具有分類查詢、數據導出、格式說明等功能.可以按照時間屬性、地理空間屬性、數據種類等不同屬性對該數據集中的各類數據進行多元化使用。藉助於"氣象科研數據共享平台"，"飛機探測雲物理數據集"產品已在一定範圍內得到廣泛套用。