LT31大氣透射儀在機場能見度測量中的應用研究

范晉軍

摘 要：能見度是保障飛行安全的一項重要指標。在民航氣象觀測中，能見度的測量是最重要的內容之一。LT31大氣透射儀可測量大氣能見度，是自動觀測系統重要組成部分，對于確保飛行安全有著重要意義。該文將結合太原特殊的氣候和天氣特點，闡述LT31大氣透射儀在在太原機場能見度測量中應用。該設備通過結合透射吸收和前散射測量，有效地擴大能見度的測量范圍并且實現了數據的自動校準，極大提高了測量準確度。并在太原機場的能見度測試結果中得到了很好的體現。

關鍵詞：LT31 能見度 大氣透射儀 PWD22 前向散射

中圖分類號：V32 文獻標識碼：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，它是飛行員做出飛行起飛降落標準的重要依據，因此做好能見度的報告對于飛行安全至關重要。

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。當在明亮的背景下觀測時，能夠看到和辨認出位于近地面的一定范圍內的黑色目標物的最大距離。在無光的背景下，能夠看到和辨認出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稱為氣象光學視程：指色溫度為2 700 K時白熾燈發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。這個數值是能見度的物理學的表達式。

如今的機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的測量設備。

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完成對能見度的測量。

大氣投射儀采用測量發射機和接收機之間的水平空氣柱的平均消光（透射）系數而計算出能見度，它直接對兩點之間的空氣的大氣透射率進行測量。發射機提供一個經過調制的定常平均功率的光通量源，接收機主要由一個光檢測器組成。由光檢測器輸出測定透射系數，再據此計算消光系數和氣象光學視程。

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

理論基礎如下。

（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（=a+b）；

a=吸收系數；

b=散射系數；

（2）WMO的MOR定義。

F/F0=5%=0.05

F/F0=e-σx→0.05=e-σx

（3）MOR可由消光系數計算得出：

≈

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。因而通過測定散射系數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從而估算出氣象光學視程的儀器，分為前向散射儀和后向散射儀，目前實際應用較多的是前向散射儀。

前向散射能見度儀，由發射機、接收機與處理器組成。發射機和接收機都向下傾斜，形成一個取樣空間的區域，這個區域就是發射光束與接收機所限定的視角范圍光線椎體的交集。發射光不會直接進入接收機。當能見度很好時，沒有散射光進入接收機，當能見度差時，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入接收機被光電管接收，產生相應的電信號。

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

3.1 量程擴大

LT31使用了最新的信號整形和A/D轉換技術，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

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

3.3 窗口污染測量

在發射機和接收機的V形窗口中配備了獨立的檢測裝置，直接測量發射機和接收機窗口的透明度。這樣就可以在短時間內補償窗口的污染，或檢測可能的阻擋情況。

4 LT31大氣透射儀對于準確觀測能見度的重要應用

4.1 減少環境污染對對設備的影響，提高了報告準確率

以太原機場為例，過去使用的MITRAS大氣投射儀功能單一，由于地處野外，加之太原地區處在黃土高原冬春季節風沙較大，低能見度天氣時有發生，經常風沙過后由于收發鏡頭被塵土污染，造成能見度數據報告的失真，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機在鏡頭前形成氣簾，有效減低降水和風沙的影響；同時鏡頭使用V型窗口也有利于防塵，所以大大降低環境對其的影響，有效提高能見度的準確性。

如下圖1所示以2010年太原機場大氣透射儀全年產生誤差次數為例，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，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行人工校準，費時且費力。LT31大氣透射儀系統每5 s檢測自動校準條件是否滿足；自動校準條件為：前散射能見度>4 000 m系統每5 s鐘檢測自動校準條件是否滿足；自動校準條件為：

（1）前散射能見度>4 000 m；

（2）無降水；

（3）能見度穩定。

自動校準條件滿足時，大氣透射儀使用前散射數據進行自動校準。自動校準可以補償由于污染導致的信號衰弱，避免了由于污染導致的能見度測量誤差。

圖2以太原機場2010年1～5月為例可以看出LT31大氣透射儀進行自動校準的比例超過了80%，這樣在客觀上為準確報告能見度奠定了堅實的基礎。

4.3 PWD22的天氣現象（PW）數據輸出

有效提供了自動校準的條件判斷，同時又可以和FD12P的天氣現象緊密結合，給出當前準確的天氣狀況，增加了能見度觀測的準確性。

圖3所示PWD22所測到的天氣現象反映到能見度的測量上也是非常吻合的。

4.4 將LT31提供的能見度數據進行加權平均，得到有效數據

太原機場沿跑道方向采用了2套LT31大氣透射儀，然后將2套投射儀的數據進行加權平均計算，最終產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確性、科學性。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 結語

通過對太原機場使用LT31大氣透射儀的應用研究，可以得出以下結論。

（1）與傳統大氣透射儀相比，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，自動校準是標準功能。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據進行自動校準。大氣透射儀基于高能見度時前散射數據的校準已被證明是準確的。

（3）自動校準可以補償由于污染導致的信號衰弱，避免了由于污染導致的能見度測量誤差；同時自動校準可以補償由于對準不良導致的信號衰弱，避免了由于對準不良導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備是可靠有效的。

參考文獻

[1] VAISALA.VAISALA Avimet AWOS Training Material CAAC [Z].VAISALA，Finland，2010：21-33.

[2] VAISALA.VAISALA Avimet AWOS Training Material CAAC [Z].VAISALA，Finland，2010：38-43.

[3] VAISALA.VAISALA Avimet AWOS LT31 Guide Menu [Z].VAISALA，Finland，2010：187-196.