淺談激光云高儀CL31

陳燕珠

摘 要：云是影響航空飛行的重要氣象要素之一，不同的云對飛行的影響是不同的，低于機場起降標準的低云對飛機的起飛和著陸有重要的影響。一些特殊的云，比如濃積云、積雨云等云中存在極強的對流，并伴有雷擊、冰雹和強烈的風切變，造成飛機積冰和強烈的顛簸會引起飛行障礙，甚至會危及飛機的安全。激光云高儀的出現給航空飛行安全提供了重要的可靠的安全保障。

關鍵詞：云；飛行；激光云高儀

一、福州長樂國際機場云的概況

（1）云量

福州機場地處福建沿海，水汽充沛，常年云量較多，累計平均總云量為5.3個量，累年平均低云量為4.1個量。全年出現BKN、OVC兩個量級低云的頻率分別為21%和28%，OVC量級較為常見，兩者低云的頻率和達到49%，說明每年將有一半的時間會出現5個量以上的低云，因此對飛行有一定的影響。

（2）云狀

福州機場一年四季都有強對流云出現，年均出現頻率為3%，出現頻率年變化率大.影響飛行的其他低云主要包括雨層云（碎雨云）、層云（碎層云）淡積云，其主要特點是云底高度低，移速快，可在短時間內覆蓋機場，對飛機起降影響很大。

（3）云高

云高是影響飛行活動的重要因素之一。由于福州機場地處海邊特殊的地理位置，低而多變的低云已成為影響正常飛行的關鍵因素。

由于福州長樂國際機場云的如此多變性，所以云高儀顯得更加重要。目前福州機場共配有兩套CL31云高儀系統，分別位于03跑道頭和21號跑道頭。

二、激光云高儀CL31的測量原理

（1）測量原理

Vaisala 云高儀 CL31 運用脈沖二極管激光 LIDAR 技術（LIDAR = 激光探測和測距），功率強大的短脈沖沿垂直或近乎垂直方向發出。在激光脈沖穿過天空時測量光的反射，由霾、霧、輕霧、雨幡、降水和云層引起的后向散射。CL31存儲和處理產生的后向散射廓線（即信號強度與高度比），并同時探測云底。根據激光脈沖發出和接收到后向散射信號之間的時間差即可計算出云底高度，常規表達公式為 h = ct/2 其中 c 是光速。云高儀 CL31 能夠同時探測三個云層。如果由于降水或接近于地面的霧而導致云底模糊不清，CL31 則會報告垂直能見度。實際測量信號通常，處于任何高度的粒子都會散射光，因此實際返回信號可能與下方的圖 1 中所示類似。

返回信號的瞬時量級提供有關大氣在特定高度的后向散射屬性的信息?？蓮姆祷匦盘柾扑愠鲇嘘P霧、降水以及云層的信息。霧和降水會衰減來自云的返回信號。不過，霧氣和降水的后向散射信號也提供可用于估計此衰減和計算必要補償（最高可達上限）的數據。在其正常的全量程操作范圍內，云高儀每33或67ms 對返回信號以0 到50μs 間隔進行數字采樣，提供從地 面到 7700 米的高空 5 或 10 米的空間分辨率。

（2）硬件模塊

1=內部加熱器CLH311

2=CLO321光學裝置

3=云高儀接收器CLR321

4=接收器環

5=發射器環

6=云高儀發射器CLT321

7=主斷路器F1

吹窗器和內部加熱器斷路器F2

8=云高儀引擎板CLE321

9=同軸電纜226296

10=激光監控器板CLM311

11=電池盒（用于不間斷電池）

12=交流電源CLP311

13=電池開關

14=窗口CLW311

15=測量單元外殼

窗口風機通過J1 接線端子固定到外罩，線電源輸入連接到J2接線端子上。外部接頭J3、J4分別為數據線和維護線。數據線適用于測量數據通信并可通過調制解調器或串行線（RS-232或RS-485）操作。維護線適用于現場維護訪問，且只用作RS-232串行線。從功能上講，兩種線的操作是相同的，即在兩個線中可運行同樣的命令、操作和信息。出廠默認設置是8個數據位、無奇偶性、1 個停止位以及 9600 bps（對于維護線）和 19200 bps（對于數據線）。

三、CL31常見故障及分析檢修

（1）窗口污染警告。在終端表現連續出現，數據時有時無或是數據更新不及時，故障原因通常是降水落在窗口上、鳥糞、樹葉、灰塵等污染了窗口。處理方法：清潔窗口。首先用清水清潔窗口，除去粗糙的顆粒，記住關閉機箱門。再用一塊柔軟的，防靜電無塵手套，玻璃清潔工具2-丙醇擦拭窗口。注意在清潔窗口期間，要檢查窗口風扇的操作，除非吹窗器已在運行，否則它應在您用清潔布擋住激光束5秒內啟動，這將確認吹窗器運行正常。福州長樂處沿海地區一般每周擦試一次，如遇室外天氣條件惡劣，應隨時擦拭。

（2）電池電壓低警告?？赡苁窃撗b置使用備用電池供電的時間太長。此時應連接線電壓或更換電池。若電池充電失敗。檢查電池是否損壞，損壞請更換。若電池狀態良好，請檢查云高儀引擎板 CLE321 的運行情況。

（3）吹窗器故障警告。故障原因：a 吹窗器電纜未連接。檢查吹窗器電纜是否已連接。b 吹窗器斷路器未打開。檢查吹窗器斷路器是否打開。c 線電壓電平不正確。檢查線電壓是否存在并正確。d 吹窗器卡住。檢查是否可見障礙物造成吹窗器運行 故障。e 吹窗器受損。更換吹窗器。

（4）發射器故障警報。原因通常為激光老化或受損。則需更換激光發射器 CLT321。若激光沒有獲得電源。則從狀態信息中檢查線電壓是否標記為 OK（正常）。

（5）接收器故障警報。故障原因有：a 接收器 CLR321 受損，則 更換 CLR321；b 電纜連接松動，請確認接收器 CLR321 和云高儀光學元件 CLO321 的電纜未受損并且連接正確；c接收器測試無法運行，去確認光學元件 CLO321 沒有放錯位置或受損。

四、福州本場出現的復雜故障

2016年10月12日號云高儀出現無數據現象，設備室檢測通信服務器工作正常，赴現場查看設備運行正常，數據正常采集及傳送，兩端數據傳輸模塊工作正常。通過監控終端檢測線路，顯示為Carrier ON and bad signal quality，接收到的數據變碼無法處理造成無數據顯示，可判斷為線路性能差造成。經多次調換通信電纜，性能均無法滿足數據傳輸需求（環阻均在1000歐左右，空載對地電阻在30兆歐—100兆歐之間）。目前本場光纖傳輸也未調通，故只能利用降低傳輸速率的方式來降低通訊信號變碼，最終解決了因信號變碼服務器無法處理的情況。現線路監控軟件顯示該線路傳輸質量正好達到正常傳輸門檻值，可進行有效傳輸。

五、總結

利用云高儀來輔助目測項目中云的觀測，不僅使觀測結果更接近于實際值，提高觀測人員的工作質量，而且能盡量避免在復雜天氣條件下飛機的返航和備降的發生減少資源浪費，為旅客節省時間，為航空公司創收，多方得利。

參考文獻

[1]Vaisala 公司.Vaisala Ceiliometer CL31 USERS GUIDE[M].芬蘭；Vaisala 公司2010.

[2]Vaisala 公司.Vaisala 內部培訓材料[M].芬蘭；Vaisala 公司2011.

[3]福州長樂機場氣候志

[4]Vaisala 公司.MIDAS IV 系統用戶手冊[M].芬蘭；Vaisala 公司2011.

[5]CL31云高儀系統常見故障分析與排除，李欣，辛光宇