民航机场透射式能见度仪误差分析研究

江丹丹

摘要：介绍了民航机场透射式能见度仪的结构和测量原理，分析了透射式能见度仪的测量误差来源、产生原因和误差模型，讨论了改善能见度测量准确度的方法。研究发现，透射式能见度仪测量误差与其安装基线长度和光学透过率测量准确度有关，当安装基线长度一定时，光学透过率测量误差要求越小，能见度测量准确度越高;当光学透过率测量误差一定时，基线越长，能见度测量越准确。因此，实际测量中，一旦透射式能见度仪安装完成，基线和光学透过率确定后，能见度测量误差随能见度测量值增大而指数级增加，只有在1500米以内，能见度测量误差才能控制在5%以内。因此透射式能见度仪更适宜于低能见度条件下进行测量，适合机场起降服务。

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.

关键词：透射式能见度仪;测量误差;机场

Key words： transmissometer;measurement error;airport

中图分类号：TH765                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0217-03

0  引言

能见度是反映大气透明度的一个重要指标，民航领域定义为在跑道中线上，航空器上的飞行员能看到跑道面上的标志或跑道边界灯或中线灯的距离，用跑道视程（Runway Visual Range，简称RVR）表示。为了便于客观测量能见度值，在气象上通常将能见度描述为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大距离，通过测量气象光学视程（Meteorological Optical Range，简称MOR）实现能见度客观测量。能见度和当时的天气情况密切相关，当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，能见度较差，它对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响，持续的低能见度天气造成多起恶性交通事故发生，导致人民生命财产受到重大损失，因此对雾霾天气及能见度的及时、准确的测量与预报，迫切需要[1-2]。

目前，民航机场测量大气能见度的自动化测量仪器主要是透射式能见度仪、前向散射式能见度仪等，这些仪器的使用使机场能见度观测更为客观、定量和规范，对于保障飞行安全和运营秩序具有重要意义。其中，透射式能见度仪由于在测量原理和技术上更加贴近气象光学视程的定义，特别是低能见度时更加准确而广泛应用于民用机场。本文以芬兰VAISALA公司的LT31系列透射式能见度仪为例，介绍了透射式能见度仪的测量原理，推导了误差数学模型，分析了误差来源，提出了提高测量准确度的方法。

1  测量原理

气象能见度或气象光学视程MOR用米或千米表示。测量范围随应用而变化，对天气尺度要求，MOR的尺度从小于100米到大于70千米，而在其他应用时测量范围可有相当的限制。对民用航空来说，上限为10千米。当应用于描述着陆和起飞条件的能见度较小情况下的跑道视程的测量时，这个范围还要进一步縮小。跑道视程仅要求在500米和1500米之间。对于其他应用，诸如陆路或海上交通，按照测量的要求和位置有着不同的限度。

能见度测量的误差与能见度成比例增加，测量标度考虑到了这一点。反映在天气报告使用的电码中通过用三种线性分段逐步降低分辨率，即100米到5000米，步长为100米，6到30千米，步长为1千米，35千米到70千米，步长为5千米。除了能见度低于900米外，这种标度可使报告的能见度值比测量准确度更好。

在气象学上，由白炽灯发出的色温为2700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度被定义为气象光学视程（MOR），白天观测的能见度目测估计值是MOR真值的较好的近似值。基于这一测量原理，透射式能见度仪通过测量一段被测空气柱两端的平均消光系数来测量能见度。因此，透射式能见度仪主要由发射器和接收器组成，发射器提供一个经过调制的恒定光通量源，接收器主要由光電探测器件组成[3-4]，如图1所示。

MOR与代表大气光学状态的许多变量的数学关系可以从朗伯—布格（Lambert-Bouguer）定律推得出。因此，由朗伯—布格定律[5]，平行光在大气中的衰减可用式（1）表示：

2  误差模型分析

透射式能见度仪直接对两点之间的光学透过率进行测量，并由该两点之间的距离和透过率对由大气散射和吸收组成的大气消光系数进行可靠的估算，其测量精度和使能见度降低的大气条件如雾、雨、雪、尘埃等无关。用透射式能见度仪测量能见度时，影响测量精度的因素有透射仪的内在误差、标校误差、大气不均匀引起的误差。对一个设计良好、维护得当的透射式能见度仪的内在误差可以控制在较小的范围内，大气不均匀引起的误差在能见度标校时可以采取一定的试验方法以尽可能的减小。根据透射式能见度仪测量原理，对其误差模型进行分析，对式（7）求V对于T的微分，得到式（8）如下：

以基线x控制在30米、50米和75米这三个距离为例，根据LT31透射仪的技术指标，其对应光学透过率测量准确度控制在0.01～100%、0.02～100%和0.02～100%范围内，理想情况下，取光学透过率0.1%、0.2%和0.2%分别计算对应能见度测量误差，具体见表1。

从表1可见，当安装基线确定为30米时，通过光学对准技术，理想情况下透射式能见度仪的光学透过率测量提高到0.1%，在4000米能见度范围以内，能见度测量误差可以控制在5%以内;然而，当安装基线确定为50米时，由于基线距离增加，光学透过率测量误差理想情况下提高到0.2%，只能在3000米能见度范围内，将能见度测量误差控制在5%以内;当透射式能见度仪安装基线距离增加到75米时，按照误差分析模型，基线增加，能见度测量准确度应有所提高，考虑理想情况下光学透过率测量误差仍控制在0.2%，在5000米能见度范围以内，能见度测量误差可以控制在5%以内。对于30米，50米和75米这三种安装基线情况，随着能见度测量值增加，其测量误差呈指数增加，尤其是在1500米能见度值以上，这与透射式能见度仪测量原理有关。

实际测量中，透射式能见度仪安装完成后，其基线即确定了，不同的基线条件下，光学透过率测量准确度略有差别，当基线距离较远时，由于光学功率和对准技术受限，其光学透过率测量误差会适度增大，根据误差分析模型，对于30米，50米和75米这三种安装基线情况，对应取光学透过率0.3%、0.5%和0.7%分别计算对应能见度测量误差，结果如图2所示，在这三种情况下，透射式能见度仪测量误差基本一致，这正好说明了安装基线越长，对光学透过率测量误差要求会适度降低的结论。

从图2可见，在30米，50米和75米安装基线情况下，光学透过率对应取0.3%、0.5%和0.7%时，能见度测量误差要控制在5%以内，能见度测量值上限只能到1500米，更加说明了透射式能见度仪适用于低能见度条件测量下的结论。因此，在实际测量中，只有通过适当增加安装基线，严格光学对准，加强光学镜头维护等方式，提高透射式能见度仪测量准确度。

3  结论

本文介绍了民航机场透射式能见度仪的结构和测量原理，分析了透射式能见度仪的测量误差模型，研究发现，透射式能见度仪测量误差与其安装基线长度和光学透过率测量准确度有关，当安装基线长度一定时，光学透过率测量误差要求越小，能见度测量准确度越高;当光学透过率测量误差一定时，基线越长，能见度测量越准确。因此，实际测量中，一旦透射式能见度仪安装完成，基线和光学透过率确定后，能见度测量误差随能见度测量值增大而指数级增加，只有在1500米以内，能见度测量误差才能控制在5%以内。针对误差来源，可以通过适当增加安装基线，严格光学对准，加强光学镜头维护等方式，提高透射式能见度仪测量准确度。

参考文献：

[1]王京丽，刘旭林，雷鸣，等.新型能见度自动观测系统研究[J].电子测量与仪器学报，2013，27（7）：596-603.

[2]王京丽，雷鸣，阮顺贤，等.雾霾及能见度自动观测系统问世[J].世界环境，2013（3）：58-59.

[3]WMO. Guide Meteorological Instruments and Methods of Observation[M]. 2014 edition. Geneva： WMO， 1996.

[4]黄成栋，李玮，刘瑞良，等.透射式能见度仪校准方法研究[J].气象水文海洋仪器，2018（1）：17-19.

[5]Tai H D， Zhuang Z B， Dong S 2017 Development and accuracy of a multipoint method for measuring visibility Applied optics 56 7952-7959.