透射式气象光学视程测量设备研制前景探讨

方海涛+吕刚+窦炜明

摘 要：气象光学视程与交通安全紧密相关，国际民航组织规定能见度是制订机场运行最低标准的主要依据之一。根据国务院办公厅2016-05发布的《国务院办公厅关于促进通用航空业发展的指导意见》，2020年前后，我国民用航空部门对跑道视程自动化观测设备及配套质量监督检验技术体系存在巨大而迫切的跨行业、跨部门应用需求。透射式气象光学视程测量仪器研发的难点包括光源稳定技术、弱光信号测量、光学镜头污染控制与补偿。研制透射式气象光学视程观测设备，有助于逐步建立我国能见度测量仪器质量检测和计量检定体系，从而提升航空气象服务保障能力。

关键词：气象光学视程；跑道视程；民航机场；成果转化

中图分类号：P427 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.023

1 需求分析

国务院办公厅2016-05发布的《国务院办公厅关于促进通用航空业发展的指导意见》（国办发〔2016〕38号）指出，到2020年，建成500个以上通用机场，基本实现地级以上城市拥有通用机场或兼顾通用航空服务的运输机场，覆盖农产品主产区、主要林区、50%以上的5A级旅游景区。

随着民用航空技术的迅速发展，机场通讯、导航设备的不断升级和更新，国际民航组织要求机场增加各种助航设备，以降低机场最低运行标准，这对低能见度的观测精度和标准化提出了更高要求。以往，人工观测低能见度的方式已不能满足飞行和航空管制的要求。为了在低能见度天气条件下为飞行人员和航空管制人员提供客观的跑道能见度数据，航空气象服务部门亟待建立高可靠性、高精度能见度自动化观测系统。

国际民航组织（ICAO）规定能见度是制订机场运行最低標准的主要依据之一。中国民航总局第98号令第十七条规定，飞机起飞最低标准通常只用能见度表示。安装有气象自动观测系统的机场，在制订机场起飞降落最低标准时，增加跑道视程（RVR）起飞降落标准。其中，气象能见度低于800 m的天气条件均以跑道视程为准。空管气象台只做主导能见度（VIS）预报，不做跑道视程的预报。如果机场有RVR观测装置，对于航空公司而言，实际影响航班运行的主要还是RVR示值。

中国民航总局空中交通管理局发布的《跑道视程使用规则（试行）》规定，气象部门RVR发布标准为：当本场主导能见度和/或正在使用的跑道接地地带RVR显示值小于1 500 m。RVR探测仪故障期间，任何单位或任何个人不得以目视能见度代替RVR使用。可以预见，2020年前后，我国民用航空部门对跑道视程自动化观测设备及配套质量监督检验技术体系存在巨大而迫切的跨行业、跨部门应用需求。

2 技术现状

气象光学视程与交通安全紧密相关，国外许多机构都致力于能见度测量仪器的研制工作。几十年来，欧美发达国家在能见度测量理论和仪器上已日臻成熟。随着光学探测技术的发展，能见度测量仪器已由上世纪50年代少量应用于机场扩展到大量装备到各类机场、港口、桥梁、公路、铁路、环保、气象台站、森林及国防部门。

跑道视程是经大气透射仪测量后，考虑大气消光系数、视觉阈值和跑道灯光强度而计算的数值。跑道视程探测仪自动采集的能见度观测数据，经气象自动观测系统主机实时处理后，形成跑道视程报告值，并通过网络在各使用部门的显示终端上进行实时不间断显示。

按国际民航组织规定，能见度的报告范围到10 km，跑道视程的报告范围只需到2 km。国内外实践中，跑道视程观测由透射式气象光学视程探测系统完成。

中国民航总局按照国际民用航空公约附件3的要求，制定了跑道视程探测仪的选型、选址、安装、验收和开放使用等一系列完备的规章制度，确保探测数据的客观性和准确性。我国引进跑道视程自动探测设备已有超过30年的历史。截至2007年，我国民航机场安装的跑道视程探测仪全部都由国外引进。观测技术的高可靠性、高精度工程化应用是一项长期、系统的工作，需要相关部门的高度重视，深化联系，紧密配合。只有这样，才能把跑道视程的应用真正落到实处，积极为航班正常、安全运行提供有效的气象保障服务。

3 测量原理

世界气象组织（WMO）定义的气象光学视程（MOR）是大气消光系数的函数。采用经准直的激光光源，光束经一定长度的大气传输而产生衰减，测量大气消光后的光强，即可计算出准确的MOR值。《WMO气象仪器和观测方法指南》建议使用透射法和散射法观测气象光学视程。散射法测量小体积空气样本对光的散射系数，进而估算能见度。透射法直接测量水平空气柱的消光系数。透射法的优点在于探测大气消光系数时，不对大气样本进行任何假设、采样体积大，测量精度高；其局限性是当大气能见度较高时，探测结果对光源标定误差、透射光取样误差和镜头污染非常敏感。

从大气消光系数的原理性测量入手，研究透射式高精度光学检测装置，有助于逐步建立我国气象光学视程观测设备的质量检测和计量检定体系。能见度测量仪器的核心问题是如何准确探测大气的消光系数。对于散射式仪器而言，测量到的散射系数通过近似算法过渡到消光系数，这种数学反演模型将会影响消光系数测量的准确性。此外，在不同天气条件下，某一方向上散射光强所占整个消光的比例会有所不同，且不满足大气颗粒物散射各向同性的假设。理论上讲，应建立针对不同大气状况的数学模型。国外的一些前向散射仪已加装了天气识别装置，根据分辨出的不同天气应用不同的数学模型。相比散射法，透射法测量的消光系数包含吸收系数和总体散射系数。透射法是不对大气作均匀性假设而直接探测大气透过率或消光系数的测量手段。严格意义上讲，透射法测量的大气消光系数比散射法准确。

4 设备研制的难点

透射式气象光学视程测量仪器研发的科学原创价值不高，难以吸引国家级科研单位的注意力。但设备关键组件设计制造技术门槛高、研制周期长、资金和人员投入量大、市场容量狭小、商业价值不高，只有少量气象技术装备生产单位开始了初期试验性开发，测量精度、可靠性、环境适应性及配套检测标定能力尚不足以满足应用条件。

4.1 光源稳定技术

观测设备长期运行时，光源因温度、电压、使用寿命等问题造成发光强度的不稳定起伏变化，经过光电测量电路放大后，将增加能见度测量误差。在实际测量中，一般采用参考光路加测量光路的双光路测量方案，利用参考光强同步监测法减少光源强度变化引起的测量误差。

4.2 弱光信号测量技术

在光信号微弱变化量检测技术上，直接测量法中光源未经调制发射，信号光强和背景光信号及电路噪声信号不易区分，也无法消除光源自身漂移带来的测量误差，不适于测量缓慢变化信号。在高精度光学测量系统中，采用光脉冲调制检波技术，可实现高能见度值下光强衰减变化量的精确测量，尽量减小外界环境的影响。

4.3 光学镜头污染

观测窗口的污染是透射法回避不了的问题。芬兰维萨拉公司针对污染问题进行了大量工作，主要是针对各种污染进行连续监测，在软件中将实时污染误差修正。维萨拉公司仅就解决污染影响这一问题就拥有二十多项专利。国内部分生产单位使用门控机构使镜头间歇开闭等，理论上都是很好的措施。

5 成果转化

我国气象计量检定和装备保障部门目前尚不完全具备对能见度观测设备进行实验室检测、核查的光学测量技术和现场检测手段。研制透射式能见度检测系统，探索大气消光系数高精度测量方法，可为我国逐步建立能见度测量设备计量体系奠定良好的装备基础。

设备研制成果可用于民航机场跑道视程自动化测量，配套实验室建设成果可用于筹建跑道视程或能见度测量仪器质量监督检验中心，从而提升我国气象部门的航空气象服务保障能力。

参考文献

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