透射式氣象光學視程測量設(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)定能見度是制訂機場運行最低標準的主要依據(jù)之一。根據(jù)國務院辦公廳2016-05發(fā)布的《國務院辦公廳關(guān)于促進通用航空業(yè)發(fā)展的指導意見》，2020年前后，我國民用航空部門對跑道視程自動化觀測設(shè)備及配套質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)體系存在巨大而迫切的跨行業(yè)、跨部門應用需求。透射式氣象光學視程測量儀器研發(fā)的難點包括光源穩(wěn)定技術(shù)、弱光信號測量、光學鏡頭污染控制與補償。研制透射式氣象光學視程觀測設(shè)備，有助于逐步建立我國能見度測量儀器質(zhì)量檢測和計量檢定體系，從而提升航空氣象服務保障能力。

關(guān)鍵詞：氣象光學視程；跑道視程；民航機場；成果轉(zhuǎn)化

中圖分類號：P427 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.023

1 需求分析

國務院辦公廳2016-05發(fā)布的《國務院辦公廳關(guān)于促進通用航空業(yè)發(fā)展的指導意見》（國辦發(fā)〔2016〕38號）指出，到2020年，建成500個以上通用機場，基本實現(xiàn)地級以上城市擁有通用機場或兼顧通用航空服務的運輸機場，覆蓋農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)、主要林區(qū)、50%以上的5A級旅游景區(qū)。

隨著民用航空技術(shù)的迅速發(fā)展，機場通訊、導航設(shè)備的不斷升級和更新，國際民航組織要求機場增加各種助航設(shè)備，以降低機場最低運行標準，這對低能見度的觀測精度和標準化提出了更高要求。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)，航空氣象服務部門亟待建立高可靠性、高精度能見度自動化觀測系統(tǒng)。

國際民航組織（ICAO）規(guī)定能見度是制訂機場運行最低標準的主要依據(jù)之一。中國民航總局第98號令第十七條規(guī)定，飛機起飛最低標準通常只用能見度表示。安裝有氣象自動觀測系統(tǒng)的機場，在制訂機場起飛降落最低標準時，增加跑道視程（RVR）起飛降落標準。其中，氣象能見度低于800 m的天氣條件均以跑道視程為準?？展軞庀笈_只做主導能見度（VIS）預報，不做跑道視程的預報。如果機場有RVR觀測裝置，對于航空公司而言，實際影響航班運行的主要還是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)布標準為：當本場主導能見度和/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，任何單位或任何個人不得以目視能見度代替RVR使用?？梢灶A見，2020年前后，我國民用航空部門對跑道視程自動化觀測設(shè)備及配套質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)體系存在巨大而迫切的跨行業(yè)、跨部門應用需求。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

氣象光學視程與交通安全緊密相關(guān)，國外許多機構(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)達國家在能見度測量理論和儀器上已日臻成熟。隨著光學探測技術(shù)的發(fā)展，能見度測量儀器已由上世紀50年代少量應用于機場擴展到大量裝備到各類機場、港口、橋梁、公路、鐵路、環(huán)保、氣象臺站、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度而計算的數(shù)值。跑道視程探測儀自動采集的能見度觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)氣象自動觀測系統(tǒng)主機實時處理后，形成跑道視程報告值，并通過網(wǎng)絡在各使用部門的顯示終端上進行實時不間斷顯示。

按國際民航組織規(guī)定，能見度的報告范圍到10 km，跑道視程的報告范圍只需到2 km。國內(nèi)外實踐中，跑道視程觀測由透射式氣象光學視程探測系統(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)的客觀性和準確性。我國引進跑道視程自動探測設(shè)備已有超過30年的歷史。截至2007年，我國民航機場安裝的跑道視程探測儀全部都由國外引進。觀測技術(shù)的高可靠性、高精度工程化應用是一項長期、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用真正落到實處，積極為航班正常、安全運行提供有效的氣象保障服務。

3 測量原理

世界氣象組織（WMO）定義的氣象光學視程（MOR）是大氣消光系數(shù)的函數(shù)。采用經(jīng)準直的激光光源，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，即可計算出準確的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視程。散射法測量小體積空氣樣本對光的散射系數(shù)，進而估算能見度。透射法直接測量水平空氣柱的消光系數(shù)。透射法的優(yōu)點在于探測大氣消光系數(shù)時，不對大氣樣本進行任何假設(shè)、采樣體積大，測量精度高；其局限性是當大氣能見度較高時，探測結(jié)果對光源標定誤差、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檢測裝置，有助于逐步建立我國氣象光學視程觀測設(shè)備的質(zhì)量檢測和計量檢定體系。能見度測量儀器的核心問題是如何準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)學反演模型將會影響消光系數(shù)測量的準確性。此外，在不同天氣條件下，某一方向上散射光強所占整個消光的比例會有所不同，且不滿足大氣顆粒物散射各向同性的假設(shè)。理論上講，應建立針對不同大氣狀況的數(shù)學模型。國外的一些前向散射儀已加裝了天氣識別裝置，根據(jù)分辨出的不同天氣應用不同的數(shù)學模型。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。嚴格意義上講，透射法測量的大氣消光系數(shù)比散射法準確。

4 設(shè)備研制的難點

透射式氣象光學視程測量儀器研發(fā)的科學原創(chuàng)價值不高，難以吸引國家級科研單位的注意力。但設(shè)備關(guān)鍵組件設(shè)計制造技術(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性開發(fā)，測量精度、可靠性、環(huán)境適應性及配套檢測標定能力尚不足以滿足應用條件。

4.1 光源穩(wěn)定技術(shù)

觀測設(shè)備長期運行時，光源因溫度、電壓、使用壽命等問題造成發(fā)光強度的不穩(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，利用參考光強同步監(jiān)測法減少光源強度變化引起的測量誤差。

4.2 弱光信號測量技術(shù)

在光信號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，信號光強和背景光信號及電路噪聲信號不易區(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。在高精度光學測量系統(tǒng)中，采用光脈沖調(diào)制檢波技術(shù)，可實現(xiàn)高能見度值下光強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行了大量工作，主要是針對各種污染進行連續(xù)監(jiān)測，在軟件中將實時污染誤差修正。維薩拉公司僅就解決污染影響這一問題就擁有二十多項專利。國內(nèi)部分生產(chǎn)單位使用門控機構(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)備進行實驗室檢測、核查的光學測量技術(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場跑道視程自動化測量，配套實驗室建設(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)督檢驗中心，從而提升我國氣象部門的航空氣象服務保障能力。

參考文獻

［1］濮江平.能見度自動觀測系統(tǒng)性能對比及分析［J］.氣象科學，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］.計測技術(shù)，2010，30（05）.