透射式氣象光學(xué)視程測量設(shè)備研制前景探討

方海濤+呂剛+竇煒明

摘 要：氣象光學(xué)視程與交通安全緊密相關(guān)，國際民航組織規(guī)定能見度是制訂機(jī)場運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)之一。根據(jù)國務(wù)院辦公廳2016-05發(fā)布的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2020年前后，我國民用航空部門對跑道視程自動(dòng)化觀測設(shè)備及配套質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)體系存在巨大而迫切的跨行業(yè)、跨部門應(yīng)用需求。透射式氣象光學(xué)視程測量儀器研發(fā)的難點(diǎn)包括光源穩(wěn)定技術(shù)、弱光信號(hào)測量、光學(xué)鏡頭污染控制與補(bǔ)償。研制透射式氣象光學(xué)視程觀測設(shè)備，有助于逐步建立我國能見度測量儀器質(zhì)量檢測和計(jì)量檢定體系，從而提升航空氣象服務(wù)保障能力。

關(guān)鍵詞：氣象光學(xué)視程；跑道視程；民航機(jī)場；成果轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)：P427 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.023

1 需求分析

國務(wù)院辦公廳2016-05發(fā)布的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2016〕38號(hào)）指出，到2020年，建成500個(gè)以上通用機(jī)場，基本實(shí)現(xiàn)地級(jí)以上城市擁有通用機(jī)場或兼顧通用航空服務(wù)的運(yùn)輸機(jī)場，覆蓋農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)、主要林區(qū)、50%以上的5A級(jí)旅游景區(qū)。

隨著民用航空技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)場通訊、導(dǎo)航設(shè)備的不斷升級(jí)和更新，國際民航組織要求機(jī)場增加各種助航設(shè)備，以降低機(jī)場最低運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，這對低能見度的觀測精度和標(biāo)準(zhǔn)化提出了更高要求。以往，人工觀測低能見度的方式已不能滿足飛行和航空管制的要求。為了在低能見度天氣條件下為飛行人員和航空管制人員提供客觀的跑道能見度數(shù)據(jù)，航空氣象服務(wù)部門亟待建立高可靠性、高精度能見度自動(dòng)化觀測系統(tǒng)。

國際民航組織（ICAO）規(guī)定能見度是制訂機(jī)場運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)之一。中國民航總局第98號(hào)令第十七條規(guī)定，飛機(jī)起飛最低標(biāo)準(zhǔn)通常只用能見度表示。安裝有氣象自動(dòng)觀測系統(tǒng)的機(jī)場，在制訂機(jī)場起飛降落最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，增加跑道視程（RVR）起飛降落標(biāo)準(zhǔn)。其中，氣象能見度低于800 m的天氣條件均以跑道視程為準(zhǔn)。空管氣象臺(tái)只做主導(dǎo)能見度（VIS）預(yù)報(bào)，不做跑道視程的預(yù)報(bào)。如果機(jī)場有RVR觀測裝置，對于航空公司而言，實(shí)際影響航班運(yùn)行的主要還是RVR示值。

中國民航總局空中交通管理局發(fā)布的《跑道視程使用規(guī)則（試行）》規(guī)定，氣象部門RVR發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)本場主導(dǎo)能見度和/或正在使用的跑道接地地帶RVR顯示值小于1 500 m。RVR探測儀故障期間，任何單位或任何個(gè)人不得以目視能見度代替RVR使用。可以預(yù)見，2020年前后，我國民用航空部門對跑道視程自動(dòng)化觀測設(shè)備及配套質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)體系存在巨大而迫切的跨行業(yè)、跨部門應(yīng)用需求。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

氣象光學(xué)視程與交通安全緊密相關(guān)，國外許多機(jī)構(gòu)都致力于能見度測量儀器的研制工作。幾十年來，歐美發(fā)達(dá)國家在能見度測量理論和儀器上已日臻成熟。隨著光學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展，能見度測量儀器已由上世紀(jì)50年代少量應(yīng)用于機(jī)場擴(kuò)展到大量裝備到各類機(jī)場、港口、橋梁、公路、鐵路、環(huán)保、氣象臺(tái)站、森林及國防部門。

跑道視程是經(jīng)大氣透射儀測量后，考慮大氣消光系數(shù)、視覺閾值和跑道燈光強(qiáng)度而計(jì)算的數(shù)值。跑道視程探測儀自動(dòng)采集的能見度觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)氣象自動(dòng)觀測系統(tǒng)主機(jī)實(shí)時(shí)處理后，形成跑道視程報(bào)告值，并通過網(wǎng)絡(luò)在各使用部門的顯示終端上進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷顯示。

按國際民航組織規(guī)定，能見度的報(bào)告范圍到10 km，跑道視程的報(bào)告范圍只需到2 km。國內(nèi)外實(shí)踐中，跑道視程觀測由透射式氣象光學(xué)視程探測系統(tǒng)完成。

中國民航總局按照國際民用航空公約附件3的要求，制定了跑道視程探測儀的選型、選址、安裝、驗(yàn)收和開放使用等一系列完備的規(guī)章制度，確保探測數(shù)據(jù)的客觀性和準(zhǔn)確性。我國引進(jìn)跑道視程自動(dòng)探測設(shè)備已有超過30年的歷史。截至2007年，我國民航機(jī)場安裝的跑道視程探測儀全部都由國外引進(jìn)。觀測技術(shù)的高可靠性、高精度工程化應(yīng)用是一項(xiàng)長期、系統(tǒng)的工作，需要相關(guān)部門的高度重視，深化聯(lián)系，緊密配合。只有這樣，才能把跑道視程的應(yīng)用真正落到實(shí)處，積極為航班正常、安全運(yùn)行提供有效的氣象保障服務(wù)。

3 測量原理

世界氣象組織（WMO）定義的氣象光學(xué)視程（MOR）是大氣消光系數(shù)的函數(shù)。采用經(jīng)準(zhǔn)直的激光光源，光束經(jīng)一定長度的大氣傳輸而產(chǎn)生衰減，測量大氣消光后的光強(qiáng)，即可計(jì)算出準(zhǔn)確的MOR值。《WMO氣象儀器和觀測方法指南》建議使用透射法和散射法觀測氣象光學(xué)視程。散射法測量小體積空氣樣本對光的散射系數(shù)，進(jìn)而估算能見度。透射法直接測量水平空氣柱的消光系數(shù)。透射法的優(yōu)點(diǎn)在于探測大氣消光系數(shù)時(shí)，不對大氣樣本進(jìn)行任何假設(shè)、采樣體積大，測量精度高；其局限性是當(dāng)大氣能見度較高時(shí)，探測結(jié)果對光源標(biāo)定誤差、透射光取樣誤差和鏡頭污染非常敏感。

從大氣消光系數(shù)的原理性測量入手，研究透射式高精度光學(xué)檢測裝置，有助于逐步建立我國氣象光學(xué)視程觀測設(shè)備的質(zhì)量檢測和計(jì)量檢定體系。能見度測量儀器的核心問題是如何準(zhǔn)確探測大氣的消光系數(shù)。對于散射式儀器而言，測量到的散射系數(shù)通過近似算法過渡到消光系數(shù)，這種數(shù)學(xué)反演模型將會(huì)影響消光系數(shù)測量的準(zhǔn)確性。此外，在不同天氣條件下，某一方向上散射光強(qiáng)所占整個(gè)消光的比例會(huì)有所不同，且不滿足大氣顆粒物散射各向同性的假設(shè)。理論上講，應(yīng)建立針對不同大氣狀況的數(shù)學(xué)模型。國外的一些前向散射儀已加裝了天氣識(shí)別裝置，根據(jù)分辨出的不同天氣應(yīng)用不同的數(shù)學(xué)模型。相比散射法，透射法測量的消光系數(shù)包含吸收系數(shù)和總體散射系數(shù)。透射法是不對大氣作均勻性假設(shè)而直接探測大氣透過率或消光系數(shù)的測量手段。嚴(yán)格意義上講，透射法測量的大氣消光系數(shù)比散射法準(zhǔn)確。

4 設(shè)備研制的難點(diǎn)

透射式氣象光學(xué)視程測量儀器研發(fā)的科學(xué)原創(chuàng)價(jià)值不高，難以吸引國家級(jí)科研單位的注意力。但設(shè)備關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)制造技術(shù)門檻高、研制周期長、資金和人員投入量大、市場容量狹小、商業(yè)價(jià)值不高，只有少量氣象技術(shù)裝備生產(chǎn)單位開始了初期試驗(yàn)性開發(fā)，測量精度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及配套檢測標(biāo)定能力尚不足以滿足應(yīng)用條件。

4.1 光源穩(wěn)定技術(shù)

觀測設(shè)備長期運(yùn)行時(shí)，光源因溫度、電壓、使用壽命等問題造成發(fā)光強(qiáng)度的不穩(wěn)定起伏變化，經(jīng)過光電測量電路放大后，將增加能見度測量誤差。在實(shí)際測量中，一般采用參考光路加測量光路的雙光路測量方案，利用參考光強(qiáng)同步監(jiān)測法減少光源強(qiáng)度變化引起的測量誤差。

4.2 弱光信號(hào)測量技術(shù)

在光信號(hào)微弱變化量檢測技術(shù)上，直接測量法中光源未經(jīng)調(diào)制發(fā)射，信號(hào)光強(qiáng)和背景光信號(hào)及電路噪聲信號(hào)不易區(qū)分，也無法消除光源自身漂移帶來的測量誤差，不適于測量緩慢變化信號(hào)。在高精度光學(xué)測量系統(tǒng)中，采用光脈沖調(diào)制檢波技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高能見度值下光強(qiáng)衰減變化量的精確測量，盡量減小外界環(huán)境的影響。

4.3 光學(xué)鏡頭污染

觀測窗口的污染是透射法回避不了的問題。芬蘭維薩拉公司針對污染問題進(jìn)行了大量工作，主要是針對各種污染進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，在軟件中將實(shí)時(shí)污染誤差修正。維薩拉公司僅就解決污染影響這一問題就擁有二十多項(xiàng)專利。國內(nèi)部分生產(chǎn)單位使用門控機(jī)構(gòu)使鏡頭間歇開閉等，理論上都是很好的措施。

5 成果轉(zhuǎn)化

我國氣象計(jì)量檢定和裝備保障部門目前尚不完全具備對能見度觀測設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測、核查的光學(xué)測量技術(shù)和現(xiàn)場檢測手段。研制透射式能見度檢測系統(tǒng)，探索大氣消光系數(shù)高精度測量方法，可為我國逐步建立能見度測量設(shè)備計(jì)量體系奠定良好的裝備基礎(chǔ)。

設(shè)備研制成果可用于民航機(jī)場跑道視程自動(dòng)化測量，配套實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果可用于籌建跑道視程或能見度測量儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，從而提升我國氣象部門的航空氣象服務(wù)保障能力。

參考文獻(xiàn)

［1］濮江平.能見度自動(dòng)觀測系統(tǒng)性能對比及分析［J］.氣象科學(xué)，2002，22（01）.

［2］陳安軍.利用前向散射方法的跑道能見度激光測量儀［J］.激光與紅外，1999，29（05）.

［3］施德恒，劉新建，黃國慶.一種透射式跑道能見度激光測量儀研究［J］.激光技術(shù)，2003，27（05）.

［4］邢向楠，崔巖梅，張富根.能見度測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢綜述［J］.計(jì)測技術(shù)，2010，30（05）.