民航機(jī)場透射式能見度儀誤差分析研究

江丹丹

摘要：介紹了民航機(jī)場透射式能見度儀的結(jié)構(gòu)和測量原理，分析了透射式能見度儀的測量誤差來源、產(chǎn)生原因和誤差模型，討論了改善能見度測量準(zhǔn)確度的方法。研究發(fā)現(xiàn)，透射式能見度儀測量誤差與其安裝基線長度和光學(xué)透過率測量準(zhǔn)確度有關(guān)，當(dāng)安裝基線長度一定時，光學(xué)透過率測量誤差要求越小，能見度測量準(zhǔn)確度越高;當(dāng)光學(xué)透過率測量誤差一定時，基線越長，能見度測量越準(zhǔn)確。因此，實際測量中，一旦透射式能見度儀安裝完成，基線和光學(xué)透過率確定后，能見度測量誤差隨能見度測量值增大而指數(shù)級增加，只有在1500米以內(nèi)，能見度測量誤差才能控制在5%以內(nèi)。因此透射式能見度儀更適宜于低能見度條件下進(jìn)行測量，適合機(jī)場起降服務(wù)。

Abstract： The structure and measuring principle of the transmissometer in civil aviation airport are introduced in this paper， the measuring error source， cause and error model of the transmissometer are analyzed， and the method for improving the measuring accuracy of the transmissometer is discussed. It is found that the measurement error of transmissometer is related to the baseline length and optical transmissibility accuracy. When the baseline length is fixed， the smaller the optical transmissibility measurement error is， the higher the visibility measurement accuracy will be; When the optical transmittance measurement error is fixed， the longer the baseline is， the more accurate the visibility measurement will be. Therefore， once the transmissometer is installed operationally， the baseline and optical transmittance is determined， the visibility measurement error will increase exponentially with the visibility， only within 1500m， the visibility measurement error can be controlled within 5%. Consequently， it is more suitable to use transmissometer in low visibility conditions， which is suitable for airport services.

關(guān)鍵詞：透射式能見度儀;測量誤差;機(jī)場

Key words： transmissometer;measurement error;airport

中圖分類號：TH765? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0217-03

0? 引言

能見度是反映大氣透明度的一個重要指標(biāo)，民航領(lǐng)域定義為在跑道中線上，航空器上的飛行員能看到跑道面上的標(biāo)志或跑道邊界燈或中線燈的距離，用跑道視程（Runway Visual Range，簡稱RVR）表示。為了便于客觀測量能見度值，在氣象上通常將能見度描述為具有正常視力的人在當(dāng)時的天氣條件下還能夠看清楚目標(biāo)輪廓的最大距離，通過測量氣象光學(xué)視程（Meteorological Optical Range，簡稱MOR）實現(xiàn)能見度客觀測量。能見度和當(dāng)時的天氣情況密切相關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時，大氣透明度較低，能見度較差，它對航空、航海、陸上交通以及軍事活動等都有重要影響，持續(xù)的低能見度天氣造成多起惡性交通事故發(fā)生，導(dǎo)致人民生命財產(chǎn)受到重大損失，因此對霧霾天氣及能見度的及時、準(zhǔn)確的測量與預(yù)報，迫切需要[1-2]。

目前，民航機(jī)場測量大氣能見度的自動化測量儀器主要是透射式能見度儀、前向散射式能見度儀等，這些儀器的使用使機(jī)場能見度觀測更為客觀、定量和規(guī)范，對于保障飛行安全和運(yùn)營秩序具有重要意義。其中，透射式能見度儀由于在測量原理和技術(shù)上更加貼近氣象光學(xué)視程的定義，特別是低能見度時更加準(zhǔn)確而廣泛應(yīng)用于民用機(jī)場。本文以芬蘭VAISALA公司的LT31系列透射式能見度儀為例，介紹了透射式能見度儀的測量原理，推導(dǎo)了誤差數(shù)學(xué)模型，分析了誤差來源，提出了提高測量準(zhǔn)確度的方法。

1? 測量原理

氣象能見度或氣象光學(xué)視程MOR用米或千米表示。測量范圍隨應(yīng)用而變化，對天氣尺度要求，MOR的尺度從小于100米到大于70千米，而在其他應(yīng)用時測量范圍可有相當(dāng)?shù)南拗?。對民用航空來說，上限為10千米。當(dāng)應(yīng)用于描述著陸和起飛條件的能見度較小情況下的跑道視程的測量時，這個范圍還要進(jìn)一步縮小。跑道視程僅要求在500米和1500米之間。對于其他應(yīng)用，諸如陸路或海上交通，按照測量的要求和位置有著不同的限度。

能見度測量的誤差與能見度成比例增加，測量標(biāo)度考慮到了這一點(diǎn)。反映在天氣報告使用的電碼中通過用三種線性分段逐步降低分辨率，即100米到5000米，步長為100米，6到30千米，步長為1千米，35千米到70千米，步長為5千米。除了能見度低于900米外，這種標(biāo)度可使報告的能見度值比測量準(zhǔn)確度更好。

在氣象學(xué)上，由白熾燈發(fā)出的色溫為2700K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度被定義為氣象光學(xué)視程（MOR），白天觀測的能見度目測估計值是MOR真值的較好的近似值?；谶@一測量原理，透射式能見度儀通過測量一段被測空氣柱兩端的平均消光系數(shù)來測量能見度。因此，透射式能見度儀主要由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器提供一個經(jīng)過調(diào)制的恒定光通量源，接收器主要由光電探測器件組成[3-4]，如圖1所示。

MOR與代表大氣光學(xué)狀態(tài)的許多變量的數(shù)學(xué)關(guān)系可以從朗伯—布格（Lambert-Bouguer）定律推得出。因此，由朗伯—布格定律[5]，平行光在大氣中的衰減可用式（1）表示：

2? 誤差模型分析

透射式能見度儀直接對兩點(diǎn)之間的光學(xué)透過率進(jìn)行測量，并由該兩點(diǎn)之間的距離和透過率對由大氣散射和吸收組成的大氣消光系數(shù)進(jìn)行可靠的估算，其測量精度和使能見度降低的大氣條件如霧、雨、雪、塵埃等無關(guān)。用透射式能見度儀測量能見度時，影響測量精度的因素有透射儀的內(nèi)在誤差、標(biāo)校誤差、大氣不均勻引起的誤差。對一個設(shè)計良好、維護(hù)得當(dāng)?shù)耐干涫侥芤姸葍x的內(nèi)在誤差可以控制在較小的范圍內(nèi)，大氣不均勻引起的誤差在能見度標(biāo)校時可以采取一定的試驗方法以盡可能的減小。根據(jù)透射式能見度儀測量原理，對其誤差模型進(jìn)行分析，對式（7）求V對于T的微分，得到式（8）如下：

以基線x控制在30米、50米和75米這三個距離為例，根據(jù)LT31透射儀的技術(shù)指標(biāo)，其對應(yīng)光學(xué)透過率測量準(zhǔn)確度控制在0.01～100%、0.02～100%和0.02～100%范圍內(nèi)，理想情況下，取光學(xué)透過率0.1%、0.2%和0.2%分別計算對應(yīng)能見度測量誤差，具體見表1。

從表1可見，當(dāng)安裝基線確定為30米時，通過光學(xué)對準(zhǔn)技術(shù)，理想情況下透射式能見度儀的光學(xué)透過率測量提高到0.1%，在4000米能見度范圍以內(nèi)，能見度測量誤差可以控制在5%以內(nèi);然而，當(dāng)安裝基線確定為50米時，由于基線距離增加，光學(xué)透過率測量誤差理想情況下提高到0.2%，只能在3000米能見度范圍內(nèi)，將能見度測量誤差控制在5%以內(nèi);當(dāng)透射式能見度儀安裝基線距離增加到75米時，按照誤差分析模型，基線增加，能見度測量準(zhǔn)確度應(yīng)有所提高，考慮理想情況下光學(xué)透過率測量誤差仍控制在0.2%，在5000米能見度范圍以內(nèi)，能見度測量誤差可以控制在5%以內(nèi)。對于30米，50米和75米這三種安裝基線情況，隨著能見度測量值增加，其測量誤差呈指數(shù)增加，尤其是在1500米能見度值以上，這與透射式能見度儀測量原理有關(guān)。

實際測量中，透射式能見度儀安裝完成后，其基線即確定了，不同的基線條件下，光學(xué)透過率測量準(zhǔn)確度略有差別，當(dāng)基線距離較遠(yuǎn)時，由于光學(xué)功率和對準(zhǔn)技術(shù)受限，其光學(xué)透過率測量誤差會適度增大，根據(jù)誤差分析模型，對于30米，50米和75米這三種安裝基線情況，對應(yīng)取光學(xué)透過率0.3%、0.5%和0.7%分別計算對應(yīng)能見度測量誤差，結(jié)果如圖2所示，在這三種情況下，透射式能見度儀測量誤差基本一致，這正好說明了安裝基線越長，對光學(xué)透過率測量誤差要求會適度降低的結(jié)論。

從圖2可見，在30米，50米和75米安裝基線情況下，光學(xué)透過率對應(yīng)取0.3%、0.5%和0.7%時，能見度測量誤差要控制在5%以內(nèi)，能見度測量值上限只能到1500米，更加說明了透射式能見度儀適用于低能見度條件測量下的結(jié)論。因此，在實際測量中，只有通過適當(dāng)增加安裝基線，嚴(yán)格光學(xué)對準(zhǔn)，加強(qiáng)光學(xué)鏡頭維護(hù)等方式，提高透射式能見度儀測量準(zhǔn)確度。

3? 結(jié)論

本文介紹了民航機(jī)場透射式能見度儀的結(jié)構(gòu)和測量原理，分析了透射式能見度儀的測量誤差模型，研究發(fā)現(xiàn)，透射式能見度儀測量誤差與其安裝基線長度和光學(xué)透過率測量準(zhǔn)確度有關(guān)，當(dāng)安裝基線長度一定時，光學(xué)透過率測量誤差要求越小，能見度測量準(zhǔn)確度越高;當(dāng)光學(xué)透過率測量誤差一定時，基線越長，能見度測量越準(zhǔn)確。因此，實際測量中，一旦透射式能見度儀安裝完成，基線和光學(xué)透過率確定后，能見度測量誤差隨能見度測量值增大而指數(shù)級增加，只有在1500米以內(nèi)，能見度測量誤差才能控制在5%以內(nèi)。針對誤差來源，可以通過適當(dāng)增加安裝基線，嚴(yán)格光學(xué)對準(zhǔn)，加強(qiáng)光學(xué)鏡頭維護(hù)等方式，提高透射式能見度儀測量準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

[1]王京麗，劉旭林，雷鳴，等.新型能見度自動觀測系統(tǒng)研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2013，27（7）：596-603.

[2]王京麗，雷鳴，阮順賢，等.霧霾及能見度自動觀測系統(tǒng)問世[J].世界環(huán)境，2013（3）：58-59.

[3]WMO. Guide Meteorological Instruments and Methods of Observation[M]. 2014 edition. Geneva： WMO， 1996.

[4]黃成棟，李瑋，劉瑞良，等.透射式能見度儀校準(zhǔn)方法研究[J].氣象水文海洋儀器，2018（1）：17-19.

[5]Tai H D， Zhuang Z B， Dong S 2017 Development and accuracy of a multipoint method for measuring visibility Applied optics 56 7952-7959.