LT31大氣透射儀在機(jī)場能見度測量中的應(yīng)用研究

范晉軍

摘 要：能見度是保障飛行安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在民航氣象觀測中，能見度的測量是最重要的內(nèi)容之一。LT31大氣透射儀可測量大氣能見度，是自動觀測系統(tǒng)重要組成部分，對于確保飛行安全有著重要意義。該文將結(jié)合太原特殊的氣候和天氣特點(diǎn)，闡述LT31大氣透射儀在在太原機(jī)場能見度測量中應(yīng)用。該設(shè)備通過結(jié)合透射吸收和前散射測量，有效地?cái)U(kuò)大能見度的測量范圍并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動校準(zhǔn)，極大提高了測量準(zhǔn)確度。并在太原機(jī)場的能見度測試結(jié)果中得到了很好的體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：LT31 能見度 大氣透射儀 PWD22 前向散射

中圖分類號：V32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0035-03

在民航氣象觀測中，能見度是一個反映天氣狀況重要指標(biāo)，它是飛行員做出飛行起飛降落標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，因此做好能見度的報(bào)告對于飛行安全至關(guān)重要。

作為氣象用語，能見度是指大氣的渾濁程度或是大氣的透明度。不論是白晝還是夜間，只要大氣的渾濁程度相同，能見度就是一樣的。由此，可以給氣象能見度一個簡單的定義：用距離來表示大氣渾濁程度的量稱為能見度。當(dāng)在明亮的背景下觀測時，能夠看到和辨認(rèn)出位于近地面的一定范圍內(nèi)的黑色目標(biāo)物的最大距離。在無光的背景下，能夠看到和辨認(rèn)出1 000 cd（1 000坎德拉）左右的燈光的最大距離。在給定的大氣消光系數(shù)下，兩個距離具有不同的值，后者隨背景亮度而變化，前者用MOR來表示。

MOR稱為氣象光學(xué)視程：指色溫度為2 700 K時白熾燈發(fā)出的平行光束被大氣吸收和散射后，光束衰減至5%時所通過的距離。這個數(shù)值是能見度的物理學(xué)的表達(dá)式。

如今的機(jī)場能見度的測量主要使用大氣透射儀和前向散射儀。

筆者將要介紹的LT31正是將以上兩類儀器合二為一的目前最先進(jìn)的測量設(shè)備。

1 大氣透射儀的測量原理

大家知道由于大氣中的各種粒子的存在使得光在其中傳播，要受到吸收和散射兩種干擾，從而造成能量的衰減和損耗。大氣透射儀正是利用這樣的事實(shí)完成對能見度的測量。

大氣投射儀采用測量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的水平空氣柱的平均消光（透射）系數(shù)而計(jì)算出能見度，它直接對兩點(diǎn)之間的空氣的大氣透射率進(jìn)行測量。發(fā)射機(jī)提供一個經(jīng)過調(diào)制的定常平均功率的光通量源，接收機(jī)主要由一個光檢測器組成。由光檢測器輸出測定透射系數(shù)，再據(jù)此計(jì)算消光系數(shù)和氣象光學(xué)視程。

利用平行光束在大氣中的散射及吸收的衰減量測量MOR值，從而計(jì)算得出能見度值。

理論基礎(chǔ)如下。

（1）Bouguer- Lambert定律。

eF=光通量（在距離x處）；

Fo=原始光通量（x=0）；

x=距離；

σ=消光系數(shù)（=a+b）；

a=吸收系數(shù)；

b=散射系數(shù)；

（2）WMO的MOR定義。

F/F0=5%=0.05

F/F0=e-σx→0.05=e-σx

（3）MOR可由消光系數(shù)計(jì)算得出：

≈

2 前向散射儀的測量原理

大氣的消光作用是由于大氣分子和氣溶膠的散射和吸收。對可見光來說，通常情況是吸收比散射小的多，可忽略不計(jì)。因而通過測定散射系數(shù)就可以估算出能見度。

散射能見度儀正是通過測量散射系數(shù)從而估算出氣象光學(xué)視程的儀器，分為前向散射儀和后向散射儀，目前實(shí)際應(yīng)用較多的是前向散射儀。

前向散射能見度儀，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與處理器組成。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都向下傾斜，形成一個取樣空間的區(qū)域，這個區(qū)域就是發(fā)射光束與接收機(jī)所限定的視角范圍光線椎體的交集。發(fā)射光不會直接進(jìn)入接收機(jī)。當(dāng)能見度很好時，沒有散射光進(jìn)入接收機(jī)，當(dāng)能見度差時，空氣中水汽或懸浮顆粒增多，被氣溶膠散射的前向散射光進(jìn)入接收機(jī)被光電管接收，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。

LT31上正是附加了這樣的前向散射儀PWD22。

3 LT31大氣投射儀的主要特點(diǎn)

3.1 量程擴(kuò)大

LT31使用了最新的信號整形和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，這樣，單基線的大氣透射儀就可以覆蓋RVR量程以及所需的航空能見度范圍。

3.2 自動校準(zhǔn)

LT31系統(tǒng)中加入了一個前散射傳感器。該傳感器用于自動校準(zhǔn)透光率。如此就可以補(bǔ)償窗口污染及對準(zhǔn)的偏差。

3.3 窗口污染測量

在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的V形窗口中配備了獨(dú)立的檢測裝置，直接測量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)窗口的透明度。這樣就可以在短時間內(nèi)補(bǔ)償窗口的污染，或檢測可能的阻擋情況。

4 LT31大氣透射儀對于準(zhǔn)確觀測能見度的重要應(yīng)用

4.1 減少環(huán)境污染對對設(shè)備的影響，提高了報(bào)告準(zhǔn)確率

以太原機(jī)場為例，過去使用的MITRAS大氣投射儀功能單一，由于地處野外，加之太原地區(qū)處在黃土高原冬春季節(jié)風(fēng)沙較大，低能見度天氣時有發(fā)生，經(jīng)常風(fēng)沙過后由于收發(fā)鏡頭被塵土污染，造成能見度數(shù)據(jù)報(bào)告的失真，必須及時清潔才能正常工作。采用LT31大氣透射儀后由于其自身的鼓風(fēng)機(jī)在鏡頭前形成氣簾，有效減低降水和風(fēng)沙的影響；同時鏡頭使用V型窗口也有利于防塵，所以大大降低環(huán)境對其的影響，有效提高能見度的準(zhǔn)確性。

如下圖1所示以2010年太原機(jī)場大氣透射儀全年產(chǎn)生誤差次數(shù)為例，明顯看出使用LT31后誤差有顯著下降。

4.2 利用前散射儀自動校準(zhǔn)，提高測量精度

舊的MITRAS大氣投射儀使用一段時間后，其測量精度會有所下降，此時需要定期對其進(jìn)行人工校準(zhǔn)，費(fèi)時且費(fèi)力。LT31大氣透射儀系統(tǒng)每5 s檢測自動校準(zhǔn)條件是否滿足；自動校準(zhǔn)條件為：前散射能見度>4 000 m系統(tǒng)每5 s鐘檢測自動校準(zhǔn)條件是否滿足；自動校準(zhǔn)條件為：

（1）前散射能見度>4 000 m；

（2）無降水；

（3）能見度穩(wěn)定。

自動校準(zhǔn)條件滿足時，大氣透射儀使用前散射數(shù)據(jù)進(jìn)行自動校準(zhǔn)。自動校準(zhǔn)可以補(bǔ)償由于污染導(dǎo)致的信號衰弱，避免了由于污染導(dǎo)致的能見度測量誤差。

圖2以太原機(jī)場2010年1～5月為例可以看出LT31大氣透射儀進(jìn)行自動校準(zhǔn)的比例超過了80%，這樣在客觀上為準(zhǔn)確報(bào)告能見度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.3 PWD22的天氣現(xiàn)象（PW）數(shù)據(jù)輸出

有效提供了自動校準(zhǔn)的條件判斷，同時又可以和FD12P的天氣現(xiàn)象緊密結(jié)合，給出當(dāng)前準(zhǔn)確的天氣狀況，增加了能見度觀測的準(zhǔn)確性。

圖3所示PWD22所測到的天氣現(xiàn)象反映到能見度的測量上也是非常吻合的。

4.4 將LT31提供的能見度數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到有效數(shù)據(jù)

太原機(jī)場沿跑道方向采用了2套LT31大氣透射儀，然后將2套投射儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，最終產(chǎn)生的能見度值比之以往依靠單一FD12P所提供的能見度值更具準(zhǔn)確性、科學(xué)性。它可以比較客觀的反映了整條跑道的能見度狀況，為保障飛行安全提供了有力支持。

5 結(jié)語

通過對太原機(jī)場使用LT31大氣透射儀的應(yīng)用研究，可以得出以下結(jié)論。

（1）與傳統(tǒng)大氣透射儀相比，能見度測量范圍顯著提高。適用的MOR測量范圍10 ～10 000 m。

（2）PWD22前散射儀是大氣透射儀LT31的組成部分，自動校準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)功能。測量前散射得出的能見度被廣泛接受。窗口污染對測量精度沒有明顯影響。LT31在高能見度時使用前散射數(shù)據(jù)進(jìn)行自動校準(zhǔn)。大氣透射儀基于高能見度時前散射數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)已被證明是準(zhǔn)確的。

（3）自動校準(zhǔn)可以補(bǔ)償由于污染導(dǎo)致的信號衰弱，避免了由于污染導(dǎo)致的能見度測量誤差；同時自動校準(zhǔn)可以補(bǔ)償由于對準(zhǔn)不良導(dǎo)致的信號衰弱，避免了由于對準(zhǔn)不良導(dǎo)致的能見度測量誤差。

（4）LT31大氣透射儀作為能見度觀測的主要設(shè)備是可靠有效的。

參考文獻(xiàn)

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