民航機(jī)場(chǎng)透射式能見(jiàn)度儀誤差分析研究

江丹丹

摘要：介紹了民航機(jī)場(chǎng)透射式能見(jiàn)度儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，分析了透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量誤差來(lái)源、產(chǎn)生原因和誤差模型，討論了改善能見(jiàn)度測(cè)量準(zhǔn)確度的方法。研究發(fā)現(xiàn)，透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量誤差與其安裝基線(xiàn)長(zhǎng)度和光學(xué)透過(guò)率測(cè)量準(zhǔn)確度有關(guān)，當(dāng)安裝基線(xiàn)長(zhǎng)度一定時(shí)，光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差要求越小，能見(jiàn)度測(cè)量準(zhǔn)確度越高;當(dāng)光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差一定時(shí)，基線(xiàn)越長(zhǎng)，能見(jiàn)度測(cè)量越準(zhǔn)確。因此，實(shí)際測(cè)量中，一旦透射式能見(jiàn)度儀安裝完成，基線(xiàn)和光學(xué)透過(guò)率確定后，能見(jiàn)度測(cè)量誤差隨能見(jiàn)度測(cè)量值增大而指數(shù)級(jí)增加，只有在1500米以?xún)?nèi)，能見(jiàn)度測(cè)量誤差才能控制在5%以?xún)?nèi)。因此透射式能見(jiàn)度儀更適宜于低能見(jiàn)度條件下進(jìn)行測(cè)量，適合機(jī)場(chǎng)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(jiàn)度儀;測(cè)量誤差;機(jī)場(chǎng)

Key words： transmissometer;measurement error;airport

中圖分類(lèi)號(hào)：TH765? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0217-03

0? 引言

能見(jiàn)度是反映大氣透明度的一個(gè)重要指標(biāo)，民航領(lǐng)域定義為在跑道中線(xiàn)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(xiàn)燈的距離，用跑道視程（Runway Visual Range，簡(jiǎn)稱(chēng)RVR）表示。為了便于客觀測(cè)量能見(jiàn)度值，在氣象上通常將能見(jiàn)度描述為具有正常視力的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下還能夠看清楚目標(biāo)輪廓的最大距離，通過(guò)測(cè)量氣象光學(xué)視程（Meteorological Optical Range，簡(jiǎn)稱(chēng)MOR）實(shí)現(xiàn)能見(jiàn)度客觀測(cè)量。能見(jiàn)度和當(dāng)時(shí)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(guò)程時(shí)，大氣透明度較低，能見(jiàn)度較差，它對(duì)航空、航海、陸上交通以及軍事活動(dòng)等都有重要影響，持續(xù)的低能見(jiàn)度天氣造成多起惡性交通事故發(fā)生，導(dǎo)致人民生命財(cái)產(chǎn)受到重大損失，因此對(duì)霧霾天氣及能見(jiàn)度的及時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量與預(yù)報(bào)，迫切需要[1-2]。

目前，民航機(jī)場(chǎng)測(cè)量大氣能見(jiàn)度的自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器主要是透射式能見(jiàn)度儀、前向散射式能見(jiàn)度儀等，這些儀器的使用使機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度觀測(cè)更為客觀、定量和規(guī)范，對(duì)于保障飛行安全和運(yùn)營(yíng)秩序具有重要意義。其中，透射式能見(jiàn)度儀由于在測(cè)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(jiàn)度時(shí)更加準(zhǔn)確而廣泛應(yīng)用于民用機(jī)場(chǎng)。本文以芬蘭VAISALA公司的LT31系列透射式能見(jiàn)度儀為例，介紹了透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量原理，推導(dǎo)了誤差數(shù)學(xué)模型，分析了誤差來(lái)源，提出了提高測(cè)量準(zhǔn)確度的方法。

1? 測(cè)量原理

氣象能見(jiàn)度或氣象光學(xué)視程MOR用米或千米表示。測(cè)量范圍隨應(yīng)用而變化，對(duì)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(shí)測(cè)量范圍可有相當(dāng)?shù)南拗啤?duì)民用航空來(lái)說(shuō)，上限為10千米。當(dāng)應(yīng)用于描述著陸和起飛條件的能見(jiàn)度較小情況下的跑道視程的測(cè)量時(shí)，這個(gè)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(duì)于其他應(yīng)用，諸如陸路或海上交通，按照測(cè)量的要求和位置有著不同的限度。

能見(jiàn)度測(cè)量的誤差與能見(jiàn)度成比例增加，測(cè)量標(biāo)度考慮到了這一點(diǎn)。反映在天氣報(bào)告使用的電碼中通過(guò)用三種線(xiàn)性分段逐步降低分辨率，即100米到5000米，步長(zhǎng)為100米，6到30千米，步長(zhǎng)為1千米，35千米到70千米，步長(zhǎng)為5千米。除了能見(jiàn)度低于900米外，這種標(biāo)度可使報(bào)告的能見(jiàn)度值比測(cè)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(guò)的路徑長(zhǎng)度被定義為氣象光學(xué)視程（MOR），白天觀測(cè)的能見(jiàn)度目測(cè)估計(jì)值是MOR真值的較好的近似值。基于這一測(cè)量原理，透射式能見(jiàn)度儀通過(guò)測(cè)量一段被測(cè)空氣柱兩端的平均消光系數(shù)來(lái)測(cè)量能見(jiàn)度。因此，透射式能見(jiàn)度儀主要由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器提供一個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的恒定光通量源，接收器主要由光電探測(cè)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(jiàn)度儀直接對(duì)兩點(diǎn)之間的光學(xué)透過(guò)率進(jìn)行測(cè)量，并由該兩點(diǎn)之間的距離和透過(guò)率對(duì)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(cè)量精度和使能見(jiàn)度降低的大氣條件如霧、雨、雪、塵埃等無(wú)關(guān)。用透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量能見(jiàn)度時(shí)，影響測(cè)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(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)良好、維護(hù)得當(dāng)?shù)耐干涫侥芤?jiàn)度儀的內(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(jiàn)度標(biāo)校時(shí)可以采取一定的試驗(yàn)方法以盡可能的減小。根據(jù)透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量原理，對(duì)其誤差模型進(jìn)行分析，對(duì)式（7）求V對(duì)于T的微分，得到式（8）如下：

以基線(xiàn)x控制在30米、50米和75米這三個(gè)距離為例，根據(jù)LT31透射儀的技術(shù)指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)光學(xué)透過(guò)率測(cè)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(guò)率0.1%、0.2%和0.2%分別計(jì)算對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度測(cè)量誤差，具體見(jiàn)表1。

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

實(shí)際測(cè)量中，透射式能見(jiàn)度儀安裝完成后，其基線(xiàn)即確定了，不同的基線(xiàn)條件下，光學(xué)透過(guò)率測(cè)量準(zhǔn)確度略有差別，當(dāng)基線(xiàn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于光學(xué)功率和對(duì)準(zhǔn)技術(shù)受限，其光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差會(huì)適度增大，根據(jù)誤差分析模型，對(duì)于30米，50米和75米這三種安裝基線(xiàn)情況，對(duì)應(yīng)取光學(xué)透過(guò)率0.3%、0.5%和0.7%分別計(jì)算對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度測(cè)量誤差，結(jié)果如圖2所示，在這三種情況下，透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量誤差基本一致，這正好說(shuō)明了安裝基線(xiàn)越長(zhǎng)，對(duì)光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差要求會(huì)適度降低的結(jié)論。

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

3? 結(jié)論

本文介紹了民航機(jī)場(chǎng)透射式能見(jiàn)度儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，分析了透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量誤差模型，研究發(fā)現(xiàn)，透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量誤差與其安裝基線(xiàn)長(zhǎng)度和光學(xué)透過(guò)率測(cè)量準(zhǔn)確度有關(guān)，當(dāng)安裝基線(xiàn)長(zhǎng)度一定時(shí)，光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差要求越小，能見(jiàn)度測(cè)量準(zhǔn)確度越高;當(dāng)光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差一定時(shí)，基線(xiàn)越長(zhǎng)，能見(jiàn)度測(cè)量越準(zhǔn)確。因此，實(shí)際測(cè)量中，一旦透射式能見(jiàn)度儀安裝完成，基線(xiàn)和光學(xué)透過(guò)率確定后，能見(jiàn)度測(cè)量誤差隨能見(jiàn)度測(cè)量值增大而指數(shù)級(jí)增加，只有在1500米以?xún)?nèi)，能見(jiàn)度測(cè)量誤差才能控制在5%以?xún)?nèi)。針對(duì)誤差來(lái)源，可以通過(guò)適當(dāng)增加安裝基線(xiàn)，嚴(yán)格光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，加強(qiáng)光學(xué)鏡頭維護(hù)等方式，提高透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量準(zhǔn)確度。

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