LT31大气透射仪在机场能见度测量中的应用研究

范晋军

摘 要：能见度是保障飞行安全的一项重要指标。在民航气象观测中，能见度的测量是最重要的内容之一。LT31大气透射仪可测量大气能见度，是自动观测系统重要组成部分，对于确保飞行安全有着重要意义。该文将结合太原特殊的气候和天气特点，阐述LT31大气透射仪在在太原机场能见度测量中应用。该设备通过结合透射吸收和前散射测量，有效地扩大能见度的测量范围并且实现了数据的自动校准，极大提高了测量准确度。并在太原机场的能见度测试结果中得到了很好的体现。

关键词：LT31 能见度 大气透射仪 PWD22 前向散射

中图分类号：V32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0035-03

在民航气象观测中，能见度是一个反映天气状况重要指标，它是飞行员做出飞行起飞降落标准的重要依据，因此做好能见度的报告对于飞行安全至关重要。

作为气象用语，能见度是指大气的浑浊程度或是大气的透明度。不论是白昼还是夜间，只要大气的浑浊程度相同，能见度就是一样的。由此，可以给气象能见度一个简单的定义：用距离来表示大气浑浊程度的量称为能见度。当在明亮的背景下观测时，能够看到和辨认出位于近地面的一定范围内的黑色目标物的最大距离。在无光的背景下，能够看到和辨认出1 000 cd（1 000坎德拉）左右的灯光的最大距离。在给定的大气消光系数下，两个距离具有不同的值，后者随背景亮度而变化，前者用MOR来表示。

MOR称为气象光学视程：指色温度为2 700 K时白炽灯发出的平行光束被大气吸收和散射后，光束衰减至5%时所通过的距离。这个数值是能见度的物理学的表达式。

如今的机场能见度的测量主要使用大气透射仪和前向散射仪。

笔者将要介绍的LT31正是将以上两类仪器合二为一的目前最先进的测量设备。

1 大气透射仪的测量原理

大家知道由于大气中的各种粒子的存在使得光在其中传播，要受到吸收和散射两种干扰，从而造成能量的衰减和损耗。大气透射仪正是利用这样的事实完成对能见度的测量。

大气投射仪采用测量发射机和接收机之间的水平空气柱的平均消光（透射）系数而计算出能见度，它直接对两点之间的空气的大气透射率进行测量。发射机提供一个经过调制的定常平均功率的光通量源，接收机主要由一个光检测器组成。由光检测器输出测定透射系数，再据此计算消光系数和气象光学视程。

利用平行光束在大气中的散射及吸收的衰减量测量MOR值，从而计算得出能见度值。

理论基础如下。

（1）Bouguer- Lambert定律。

eF=光通量（在距离x处）；

Fo=原始光通量（x=0）；

x=距离；

σ=消光系数（=a+b）；

a=吸收系数；

b=散射系数；

（2）WMO的MOR定义。

F/F0=5%=0.05

F/F0=e-σx→0.05=e-σx

（3）MOR可由消光系数计算得出：

≈

2 前向散射仪的测量原理

大气的消光作用是由于大气分子和气溶胶的散射和吸收。对可见光来说，通常情况是吸收比散射小的多，可忽略不计。因而通过测定散射系数就可以估算出能见度。

散射能见度仪正是通过测量散射系数从而估算出气象光学视程的仪器，分为前向散射仪和后向散射仪，目前实际应用较多的是前向散射仪。

前向散射能见度仪，由发射机、接收机与处理器组成。发射机和接收机都向下倾斜，形成一个取样空间的区域，这个区域就是发射光束与接收机所限定的视角范围光线椎体的交集。发射光不会直接进入接收机。当能见度很好时，没有散射光进入接收机，当能见度差时，空气中水汽或悬浮颗粒增多，被气溶胶散射的前向散射光进入接收机被光电管接收，产生相应的电信号。

LT31上正是附加了这样的前向散射仪PWD22。

3 LT31大气投射仪的主要特点

3.1 量程扩大

LT31使用了最新的信号整形和A/D转换技术，这样，单基线的大气透射仪就可以覆盖RVR量程以及所需的航空能见度范围。

3.2 自动校准

LT31系统中加入了一个前散射传感器。该传感器用于自动校准透光率。如此就可以补偿窗口污染及对准的偏差。

3.3 窗口污染测量

在发射机和接收机的V形窗口中配备了独立的检测装置，直接测量发射机和接收机窗口的透明度。这样就可以在短时间内补偿窗口的污染，或检测可能的阻挡情况。

4 LT31大气透射仪对于准确观测能见度的重要应用

4.1 减少环境污染对对设备的影响，提高了报告准确率

以太原机场为例，过去使用的MITRAS大气投射仪功能单一，由于地处野外，加之太原地区处在黄土高原冬春季节风沙较大，低能见度天气时有发生，经常风沙过后由于收发镜头被尘土污染，造成能见度数据报告的失真，必须及时清洁才能正常工作。采用LT31大气透射仪后由于其自身的鼓风机在镜头前形成气帘，有效减低降水和风沙的影响；同时镜头使用V型窗口也有利于防尘，所以大大降低环境对其的影响，有效提高能见度的准确性。

如下图1所示以2010年太原机场大气透射仪全年产生误差次数为例，明显看出使用LT31后误差有显著下降。

4.2 利用前散射仪自动校准，提高测量精度

旧的MITRAS大气投射仪使用一段时间后，其测量精度会有所下降，此时需要定期对其进行人工校准，费时且费力。LT31大气透射仪系统每5 s检测自动校准条件是否满足；自动校准条件为：前散射能见度>4 000 m系统每5 s钟检测自动校准条件是否满足；自动校准条件为：

（1）前散射能见度>4 000 m；

（2）无降水；

（3）能见度稳定。

自动校准条件满足时，大气透射仪使用前散射数据进行自动校准。自动校准可以补偿由于污染导致的信号衰弱，避免了由于污染导致的能见度测量误差。

图2以太原机场2010年1～5月为例可以看出LT31大气透射仪进行自动校准的比例超过了80%，这样在客观上为准确报告能见度奠定了坚实的基础。

4.3 PWD22的天气现象（PW）数据输出

有效提供了自动校准的条件判断，同时又可以和FD12P的天气现象紧密结合，给出当前准确的天气状况，增加了能见度观测的准确性。

图3所示PWD22所测到的天气现象反映到能见度的测量上也是非常吻合的。

4.4 将LT31提供的能见度数据进行加权平均，得到有效数据

太原机场沿跑道方向采用了2套LT31大气透射仪，然后将2套投射仪的数据进行加权平均计算，最终产生的能见度值比之以往依靠单一FD12P所提供的能见度值更具准确性、科学性。它可以比较客观的反映了整条跑道的能见度状况，为保障飞行安全提供了有力支持。

5 结语

通过对太原机场使用LT31大气透射仪的应用研究，可以得出以下结论。

（1）与传统大气透射仪相比，能见度测量范围显著提高。适用的MOR测量范围10 ～10 000 m。

（2）PWD22前散射仪是大气透射仪LT31的组成部分，自动校准是标准功能。测量前散射得出的能见度被广泛接受。窗口污染对测量精度没有明显影响。LT31在高能见度时使用前散射数据进行自动校准。大气透射仪基于高能见度时前散射数据的校准已被证明是准确的。

（3）自动校准可以补偿由于污染导致的信号衰弱，避免了由于污染导致的能见度测量误差；同时自动校准可以补偿由于对准不良导致的信号衰弱，避免了由于对准不良导致的能见度测量误差。

（4）LT31大气透射仪作为能见度观测的主要设备是可靠有效的。

参考文献

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