浅谈激光云高仪CL31

陈燕珠

摘 要：云是影响航空飞行的重要气象要素之一，不同的云对飞行的影响是不同的，低于机场起降标准的低云对飞机的起飞和着陆有重要的影响。一些特殊的云，比如浓积云、积雨云等云中存在极强的对流，并伴有雷击、冰雹和强烈的风切变，造成飞机积冰和强烈的颠簸会引起飞行障碍，甚至会危及飞机的安全。激光云高仪的出现给航空飞行安全提供了重要的可靠的安全保障。

关键词：云；飞行；激光云高仪

一、福州长乐国际机场云的概况

（1）云量

福州机场地处福建沿海，水汽充沛，常年云量较多，累计平均总云量为5.3个量，累年平均低云量为4.1个量。全年出现BKN、OVC两个量级低云的频率分别为21%和28%，OVC量级较为常见，两者低云的频率和达到49%，说明每年将有一半的时间会出现5个量以上的低云，因此对飞行有一定的影响。

（2）云状

福州机场一年四季都有强对流云出现，年均出现频率为3%，出现频率年变化率大.影响飞行的其他低云主要包括雨层云（碎雨云）、层云（碎层云）淡积云，其主要特点是云底高度低，移速快，可在短时间内覆盖机场，对飞机起降影响很大。

（3）云高

云高是影响飞行活动的重要因素之一。由于福州机场地处海边特殊的地理位置，低而多变的低云已成为影响正常飞行的关键因素。

由于福州长乐国际机场云的如此多变性，所以云高仪显得更加重要。目前福州机场共配有两套CL31云高仪系统，分别位于03跑道头和21号跑道头。

二、激光云高仪CL31的测量原理

（1）测量原理

Vaisala 云高仪 CL31 运用脉冲二极管激光 LIDAR 技术（LIDAR = 激光探测和测距），功率强大的短脉冲沿垂直或近乎垂直方向发出。在激光脉冲穿过天空时测量光的反射，由霾、雾、轻雾、雨幡、降水和云层引起的后向散射。CL31存储和处理产生的后向散射廓线（即信号强度与高度比），并同时探测云底。根据激光脉冲发出和接收到后向散射信号之间的时间差即可计算出云底高度，常规表达公式为 h = ct/2 其中 c 是光速。云高仪 CL31 能够同时探测三个云层。如果由于降水或接近于地面的雾而导致云底模糊不清，CL31 则会报告垂直能见度。实际测量信号通常，处于任何高度的粒子都会散射光，因此实际返回信号可能与下方的图 1 中所示类似。

返回信号的瞬时量级提供有关大气在特定高度的后向散射属性的信息。可从返回信号推算出有关雾、降水以及云层的信息。雾和降水会衰减来自云的返回信号。不过，雾气和降水的后向散射信号也提供可用于估计此衰减和计算必要补偿（最高可达上限）的数据。在其正常的全量程操作范围内，云高仪每33或67ms 对返回信号以0 到50μs 间隔进行数字采样，提供从地 面到 7700 米的高空 5 或 10 米的空间分辨率。

（2）硬件模块

1=内部加热器CLH311

2=CLO321光学装置

3=云高仪接收器CLR321

4=接收器环

5=发射器环

6=云高仪发射器CLT321

7=主断路器F1

吹窗器和内部加热器断路器F2

8=云高仪引擎板CLE321

9=同轴电缆226296

10=激光监控器板CLM311

11=电池盒（用于不间断电池）

12=交流电源CLP311

13=电池开关

14=窗口CLW311

15=测量单元外壳

窗口风机通过J1 接线端子固定到外罩，线电源输入连接到J2接线端子上。外部接头J3、J4分别为数据线和维护线。数据线适用于测量数据通信并可通过调制解调器或串行线（RS-232或RS-485）操作。维护线适用于现场维护访问，且只用作RS-232串行线。从功能上讲，两种线的操作是相同的，即在两个线中可运行同样的命令、操作和信息。出厂默认设置是8个数据位、无奇偶性、1 个停止位以及 9600 bps（对于维护线）和 19200 bps（对于数据线）。

三、CL31常见故障及分析检修

（1）窗口污染警告。在终端表现連续出现，数据时有时无或是数据更新不及时，故障原因通常是降水落在窗口上、鸟粪、树叶、灰尘等污染了窗口。处理方法：清洁窗口。首先用清水清洁窗口，除去粗糙的颗粒，记住关闭机箱门。再用一块柔软的，防静电无尘手套，玻璃清洁工具2-丙醇擦拭窗口。注意在清洁窗口期间，要检查窗口风扇的操作，除非吹窗器已在运行，否则它应在您用清洁布挡住激光束5秒内启动，这将确认吹窗器运行正常。福州长乐处沿海地区一般每周擦试一次，如遇室外天气条件恶劣，应随时擦拭。

（2）电池电压低警告。可能是该装置使用备用电池供电的时间太长。此时应连接线电压或更换电池。若电池充电失败。检查电池是否损坏，损坏请更换。若电池状态良好，请检查云高仪引擎板 CLE321 的运行情况。

（3）吹窗器故障警告。故障原因：a 吹窗器电缆未连接。检查吹窗器电缆是否已连接。b 吹窗器断路器未打开。检查吹窗器断路器是否打开。c 线电压电平不正确。检查线电压是否存在并正确。d 吹窗器卡住。检查是否可见障碍物造成吹窗器运行 故障。e 吹窗器受损。更换吹窗器。

（4）发射器故障警报。原因通常为激光老化或受损。则需更换激光发射器 CLT321。若激光没有获得电源。则从状态信息中检查线电压是否标记为 OK（正常）。

（5）接收器故障警报。故障原因有：a 接收器 CLR321 受损，则 更换 CLR321；b 电缆连接松动，请确认接收器 CLR321 和云高仪光学元件 CLO321 的电缆未受损并且连接正确；c接收器测试无法运行，去确认光学元件 CLO321 没有放错位置或受损。

四、福州本场出现的复杂故障

2016年10月12日号云高仪出现无数据现象，设备室检测通信服务器工作正常，赴现场查看设备运行正常，数据正常采集及传送，两端数据传输模块工作正常。通过监控终端检测线路，显示为Carrier ON and bad signal quality，接收到的数据变码无法处理造成无数据显示，可判断为线路性能差造成。经多次调换通信电缆，性能均无法满足数据传输需求（环阻均在1000欧左右，空载对地电阻在30兆欧—100兆欧之间）。目前本场光纤传输也未调通，故只能利用降低传输速率的方式来降低通讯信号变码，最终解决了因信号变码服务器无法处理的情况。现线路监控软件显示该线路传输质量正好达到正常传输门槛值，可进行有效传输。

五、总结

利用云高仪来辅助目测项目中云的观测，不仅使观测结果更接近于实际值，提高观测人员的工作质量，而且能尽量避免在复杂天气条件下飞机的返航和备降的发生减少资源浪费，为旅客节省时间，为航空公司创收，多方得利。

参考文献

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

[2]Vaisala 公司.Vaisala 内部培训材料[M].芬兰；Vaisala 公司2011.

[3]福州长乐机场气候志

[4]Vaisala 公司.MIDAS IV 系统用户手册[M].芬兰；Vaisala 公司2011.

[5]CL31云高仪系统常见故障分析与排除，李欣，辛光宇