0 引　言

舰载直升机在舰船上实现安全起降，是形成航空作战能力的前提条件。受舰船运动复杂、起降平台小、净空条件差等环境影响，舰载直升机的起降难度远高于陆基起降的直升机。舰船航行过程中，由于舰体自身结构、海面大气风场的运动、舰体自身的运动等多因素复合作用，舰体后方会形成一个紊乱的气流场，统称为“舰船尾流场”。舰船尾流场是直接影响舰载直升机安全起降的关键环境条件。1999年1月和8月，美国V-22鱼鹰式倾转旋翼机机动时由于处在复杂的舰面空气流场环境中而出现滚转失控的现象（V-22 Roll on Deck Event）^[1]；2002年7月，在美国“库欣”号驱逐舰上，由于舰船尾流场影响，SH3“海王”直升机在降落时发生坠毁事故，损坏了导弹发射器并造成甲板火灾；2012年中俄海上联合军演中，直升机操纵性能严重受到尾流场影响，我国某型舰载直升机近3 h、多次尝试都未能成功着舰，直到来流风速降低才顺利降落^[2]。正是由于舰船尾流场对舰载直升机安全起降的重要影响，长期以来针对舰船尾流场的研究一直受到国内外的普遍关注。

从20世纪70年代起，美国、英国、加拿大、荷兰、澳大利亚等国家综合考虑舰船结构设计、舰载机起降位置以及安全风限图的制定等多方面^{[3 − 7]}影响因素，通过数值仿真、风洞试验以及实船测量等手段对舰船尾流场环境开展研究。数值仿真、风洞试验和实船测量3种方法各有优缺点，互为补充，相互促进。其中，数值模拟简化了物理模型及限制条件，可对一系列复杂流动进行既快又省的计算和研究，为探究流体运动规律提供依据。风洞试验可验证CFD计算结果的精度，并在目前CFD无法实现的某些边界条件的应用中起到了重要的作用。但实践证明，数值模拟和风洞试验与实际驱护舰流场数据相差较大，目前尚不能全面获取各种复杂海况下舰船的尾流场模型，而实船测量仍然是探究舰船尾流场分布规律的有效手段。

1 舰船尾流场实船测量研究现状

舰船尾流场主要包括稳态的舰船尾流扰动分量、随机自由大气紊流分量、舰船运行引起的周期性扰动分量以及随机的舰船尾流扰动分量。不同类型的舰船和舰船所处的不同环境，其尾流场也是不同的。舰船尾流场属于不定常流场，通过实船测量实时掌握舰尾流场的准确情况，才能更好地帮助飞行员规避风险，确保起降作业的安全开展，舰船尾流场数据对于舰船设计、舰载直升机设计及部队作战训练都具有重要作用。

国外早在20世纪70年代就开始对舰船尾流场开展研究，美国海空作战中心的Polsky等^{[8 − 10]}在2000年通过CFD数值模拟、风洞实验和实船测量等方法对美海军两栖攻击舰进行了综合研究，通过实船测量的数据验证数值模拟结果的可靠性，又依据实船数据不断优化CFD模型，提高了数值模拟结果的准确性。从20世纪90年代起，国内相继展开对舰船尾流场环境的研究，对舰船模型进行风洞试验及仿真，探究舰船尾流场环境，给出了流场的基本分布规律^{[11 − 14]}；2015年，我国利用七孔探针技术对舰尾流场进行了实地测量，研究了直升机起降过程与特定风向角下舰尾流场情况，摆脱了实验室和计算机的桎梏，相较于风洞试验和数值模拟更真实直观。

经过长期探索与实践，目前国内外典型的舰船尾流场测量技术主要有拉烟形态显示、方向动压探针阵列测量、超声波测风、激光测风雷达、量子测风雷达等5种。

2 舰船尾流场实船测量技术 2.1 拉烟形态显示技术

拉烟形态显示技术（见图1）是根据舰船气流场测量的需要，在舰船以一定航速、航向稳定航行且无舰载机起降作业时，通过烟雾对舰尾后方气流场进行形态显示。实现该技术的设施称之为拉烟形态显示系统，由以下分系统组成：

1）拉烟试验气象、导航、来流信息采集分系统；

2）舰尾多联发烟阵列分系统；

3）数据采集记录分系统；

4）图像处理分析分系统。

拉烟形态显示系统通过拉烟试验气象、导航、来流信息采集系统得到的数据计算试验所需航向，然后利用舰尾多联发烟阵列分系统产生气流场测试所需的彩色烟雾。通过数据采集记录系统拍摄试验产生的烟雾，通过照相机、摄影机配套的图像处理主机进行数据转换后，汇总到图像处理终端进行统一处理。

在实船测量中由于甲板风一般相对较小，拉烟形态显示系统较难显示流场中涡流的分布细节，但可以显示涡流区范围。美国海军学院在尾部流场测试项目中采用了拉烟形态显示技术。目前在实船测量中拉烟形态显示技术被用用最多，其操作简单，但由于实验粒子的扩散速度比较快，可以显示的流场状态范围较小，并且风速也会影响实验结果，而且使用明火装置的烟流发生装置会存在一定的危险性。

2.2 方向动压探针阵列测量技术

方向动压探针阵列测量技术是一种基于接触式外场区域测量技术，一般包括五孔探针和七孔探针（见图2）2种，通过在测量区域布置方向动压探针，同时测量探针区域附近流场速度的大小和方向、总压和静压等流场参数。实现该技术的设施称之为方向动压探针阵列测量系统，由以下分系统组成：

1）探针试验气象、导航、来流信息采集分系统；

2）外场测量分系统；

3）主控数据处理分系统。

方向动压探针阵列测量系统通过外场测量系统的测试单元得到所需的流场信息，各孔感受的压力值会在气流流过探针时随气流方向和速度的改变而改变。由内建局域网完成设备连接和数据传输，通过数据接收机传输到主控数据处理系统相应处理主机中。可以实现甲板上多个独立点位的风速测量，并根据测量结果与CFD进行修正，从而可以反演出部分舰尾流信息。

顾蕴松等^[15]在真实流场中采用七孔的方向动压探针对舰船的尾流进行了实船测量，发现驱护舰后体方形机库和舰船前体高层建筑物是造成驱护舰尾流场品质恶劣的主要原因，为尾流场的数值计算提供了试验验证，并对直升机的安全操作做出了初步规范。该技术测量成本低，但测量过程相对繁琐，并且需要船保持特定的甲板风条件，受环境影响大，实测数据精度不高。此外，方向动压探针阵列测量技术在应用时需要与舰船驾驶员协调配合，提前预测相关风向，容易影响舰船的航行安全。

2.3 超声波测风技术

超声波测风技术可以测量风速大小，它利用了风对超声波信号传播速度的影响，根据测量原理的不同可将超声波测量风速风向的方法划分为涡衔法、多普勒法、相关法、波速偏移法和时差法^[17]，其中时差法应用最为广泛。实现该技术的设施称之为超声波测风系统，如图3所示，由传感器分系统、主控分系统、超声波收发分系统、数据处理分析分系统组成。

主控模块发送开始信号，计时器开始计时的同时发送超声波，超声波模块再次收到超声波时停止计时。数据处理单元收到传输的时间后对数据进行处理，并将得到的风速风向数据传到电脑终端^[18]。

在美国海军空战中心发起的舰载直升机上舰评估项目中，海军使用4个超声波风速仪对USS Peleliu航母进行了流场测量。与传统的机械式风速仪相比，超声波测风系统不需要依靠机械材质的转动，避免了测量器件磨损和惯性的影响，测量出的测风场信息更加准确。但测量仪器安装在舰船上必定会对尾部流场产生干扰，而且无法同时对整个流场环境进行完整的测量。

2.4 激光测风雷达技术

激光测风雷达技术是一种基于非接触式外区域测量技术，利用激光多普勒效应，进行舰尾后方着舰通道局部区域气流场量化测量。实现该技术的设施称之为激光测风雷达系统，由雷达机头、电源及显示装置三部分组成。其中，雷达机头包括激光发射、激光接收、信息处理和扫描4个单元。用于对舰船尾部后方流场进行扫描测量。

在机头处，激光雷达以某一位置发射激光脉冲，发射光学系统将其投射向大气中的目标空间，并将大气中悬浮粒子的散射回波信号进行收集，本振光与收集到的回波信号在回波光电探测器的光敏面产生混频效应，并输出差频信号，该信号在被传输到信息处理单元前，先经过滤波和放大，以此来计算风速的径向运动速度；通过发射和回波信号之间的时间差激光雷达可以计算目标距离。在探测范围内，对不同距离上的风速进行测量来获得不同距离的径向风速^[19]。

激光雷达利用激光光束和大气的相互作用，实现对舰尾流信息的实时测量，测量同时不影响直升机的起飞。测量数据样本多，测量精度高。结合CFD的边界输入条件并进行仿真，可以满足高空间分辨、高准确度的实时全尺度舰尾流数据的输出。但激光雷达进行舰尾流场实测时存在盲区，探测的距离有限。得益于光纤通信的发展，全光纤结构的多普勒测风激光雷达发展迅速，己经有成熟的商用化产品。激光雷达常规径向距离分辨率为30 m，2018年，NASA基于相干探测实现了径向距离分辨率15 m的风场探测。但如何进一步提高测风激光雷达的距离分辨率仍然是激光雷达领域的巨大挑战。

2.5 量子雷达技术

量子雷达的系统结构如图4所示，硬件部分主要包括激光发射器、望远镜模块、量子探测及处理等三部分；软件部分主要包括CFD数据库、CFD数据匹配搜索算法、瞬态流场计算算法等。量子雷达利用窄线宽的激光器作为光源，通过高频脉冲编码序列进行编码来调制窄线宽激光器，使得其最小的脉冲宽度单元不大于20 ns，调制后的脉冲激光器经过望远镜进行扩束准直输出，信号光进入大气。大气中的背向散射信号光子经收发一体望远镜接收后，回波信号进入量子探测系统进行频率鉴别和强度探测，最后经过数据处理模块对信号进行高频脉冲互补编码序列解密和反演得到大气的风场信息。

量子雷达的研究历史最早发现于20世纪60年代。Bakut^[20]在1966年分析了量子信号在雷达系统中使用的可能性。Helstrom^[21]在1976年发表了《Quantum Detection and Estimation Theory》，这一经典著作标志着量子检测与估计理论的诞生，这是量子雷达的重要理论基础。与激光雷达相比，量子信息技术中信号的产生、调制和接收、检测的都是单个量子，灵敏度非常高，量子接收系统的噪声基底与雷达的接收机相比非常小，能减小数个数量级。忽略杂波、工作频段和动态范围等实现因素，雷达作用距离可以提升到几倍甚至几十倍^[22]。径向距离分辨率可达3 m，远超激光雷达指标性能。

在舰船上，利用量子探测雷达系统可以实现对尾流场信息的径向速度测量和高空风廓线数据测量，该数据结合舰船三维模型等多参数信息，通过CFD仿真即可实现舰艇周围，包括舰尾流在内的三维流场信息的输出，提供舰载平台周围的大气风场分布，预警低空风切变，提高舰机适配安全性，帮助舰载机飞行员掌握不稳定气流、低能见度、大侧风等条件下的偏差修正动作要领，增强自信心，降低起降事故。近年来，量子技术的飞速发展迎来了新的研究高潮，我国量子探测雷达技术走在世界前列，在未使用最先进大功率激光器条件下，已经实现脉冲重频3.2 MHz、时间分辨率2 s、径向距离分辨率6 m、径向风场探测距离超过500 m。若使用更大功率的激光器时，可以实现更远距离和更高精度的风场探测，径向分辨率具备达到3 m的技术可行性。2018年8月，在安庆国家基本气象站完成了量子激光雷达与气象站放飞气球的标准测量数据比对，相关性极强，验证了量子激光雷达数据的可靠性和准确性。

3 对比分析

5种测量技术主要性能指标对比如表1所示。

拉烟形态显示技术可以实现对舰尾附近区域的尾流模拟，需要每次释放烟雾进行测量，测量距离有限；方向动压探针阵列测量技术和超声波测风技术在系统安置后，不需要重启可长期工作，可同时测量平面空间内几十个点的风速风向信息。这3种传统的测量技术成本较低，操作相对简单，但在进行舰船尾流场实测时舰载直升机无法进行正常的起降作业，且测量数据比较单一，数据误差较大，反演结果不一定准确。

激光测风雷达技术可以实现对尾流场信息的径向速度测量，但测量存在盲区，无法测量近距离流场，同时径向探测距离分辨率低，无法反映舰尾涡流特征。与激光测风雷达技术相比，量子测风雷达技术可以实现高空风廓线数据的测量，不存在测量盲区，径向探测距离分辨率高。这2种采用非接触式的雷达系统可以在不影响起降的情况下，测量大尺度区域内的径向风场速度和高空的风廓线数据，数据样本多，结合CFD的边界输入条件并进行仿真，可以满足高空间分辨、高准确度的实时全尺度舰尾流数据的输出。

4 结　语

舰船尾流场是直接影响舰载直升机安全起降的关键环境条件，开展尾流场研究对降低舰载直升机起降风险有重大的现实意义。目前，国内外主要有拉烟形态显示、方向动压探针阵列测量、超声波测风、激光测风雷达、量子测风雷达等5种典型的舰船尾流场实船测量技术。尾流场实船测量是验证数值模拟模型、风洞实验结果的最终手段，通过实船测量得到的数据可以有效提高数值模拟和风洞实验的准确性，进而摸清舰船尾流场的基本分布规律。

作为一种非接触式测量技术，量子雷达技术在探测距离、测量精度、径向分辨率、安全性和适应性等方面具有明显优势，将成为未来舰船尾流场实船测量技术的重点发展方向。相信随着量子技术的快速发展和量子雷达技术应用的逐步深入，在不久的将来可以实现实船搭载量子雷达系统开展相关测量工作。