跑道视程(水平,斜视)和云高的激光探测.pdf

敝也 如外 L s ER l NFRR Eo 第 2 3 誊第 6 期 跑道视程(水平、斜视)和云高的激光探测 S I 1 f 1 李树蓬 (中国 民航 华京 管理 局科 教处-上 海2 0 0 3 3 5)_ 摘要本 文介 绍机场用小 型、自动 化、可综合 探测 跑道 视程、斜 视视程和云 高的 教J光雷达的基本工作原理刊出几年问机场实用试验数据。关 键 词擞 苎!里 雷 达 奇 挈 1)辛 i 遁 r 一1 一。一 Li da r f o r Meas u r i n g Bot h Ru nway Vi s u al Range an d Cl ou d He i gh t L S h u p e n g (E a s t C h i n a Ad mi n i s t r a t i o n C AAC S c i e n c e 8 L E d u c a t i o n Di v i s i o n S h a n g h a i-2 0 0 3 5 5)A b s t r a c t Th e p r i n c i p l e s o f t h e mi n o r，a u t o ma t i c a n d c o mp r e h e n s i v e l i d a r f o r me a s u r i n g b o t h r u n wa y v i s u a l r a n g e a n d c l o u d h e i g h t&ir e de s c r i b e d i n t h i s p a p e r Th e r e a l e x p e r i me n t a J d a t a f o r a i r p o r t a p-p l i c a t i o n s i n r e c e n t y e a r s a r e a l s o p r e s e n t e d Key wO r ds l i d a r，a i r p o r t r a d a r 一、引 言 机场跑道视 程水平、斜视)和云高(特 别是 低云)的准确 操渊，对保i 正飞机起降的安 全是 撅为重 要的。目前国 内大多数机场和气象 台站仍 沿用 传统 的 目测法估计云高和水平能 见 度，其误差往往 较大；利 用气球也可测 云高，但 在伴 有降水的气 象条件下，就不能用气球测 云 高了。近年来还有利用激光测距原理来测定 云高，但 对低、薄云则有 困难。另外，在 复杂 气象条件 下，水平能见度与飞机下降时在决 断 高度上的斜视能见度往往有很大的差别。当水 平能见度大 于斜 视能见度时，接收或放行 飞机 就 有可能 给飞行 安全 带来 威胁；当水平能见度 小于 斜视能见度 时，拒绝 接收或放行 飞机又可 能影 响航 班的正常性。以上现象的出现并非航 行、气象 人员之误，而是现 行的气象 保证 没有 对斜 视能 见度作要 求，也没有测试斜视能 见度 的 台适仪 器。26 受 中国 民航总局委托，中科 院大气物理所、华北光电所和中国民航华东管理局一起共同研 制 成功我 国第一 台小型、自动化、可综合探 测 跑道视 程(R VR)、斜视视 程(S VR)和云高的 激光雷达仪器研制成功 后先 后在北京、合肥、屯溪等机场 对 比试验。长期试用证明：系统探 测精度高，工作稳定可靠，已能正常装配使用 二、基本工作 原理 在 大气消光系数 口 水平均 一和 日照天空照 度均匀条件 下，以水平天空为背景 的黑体 目标 物 的能见度 可表示为；V：I I (1)车刊 l 9 9 3 年 8月收判 李 鹊 蓬中 国民 航华东曹 理局 工 程师 1 9 6 4年 毕业 于华 东师大 物理 幕 长期从 事 自动控削 和气象、大气 物理方 面 的科研 和管 理工作。维普资讯 http:/ e 为对 比感 闽。对水平天空 为背景 且具有较大视场 角的 黑 色 目标物，通常取 e O 0 2，即；吉 =羔 詈 斜视能见度可采用如 下经验公式(2)一扣 业+(3)式 中，为观测 时的仰角(即飞机 降落 时的下滑 角)，A T，Ac分别 为 目标和背景的反射事，D 为 气象 常数。对 以跑道 为背景的 白漆梯子步 目标 物(3)式可准 确简化为：y 3 (4)激 光雷达方程可表示 为：P(R)一 c fl(R)B m(5)式 中，C为仪器常数，p(R)，R处的大气后向 散射系数，(5)式表示在距离 R处的激光回波 信号幅度与 R处的 和 的关系，据此可以测 定。通过对激光后向散射信号的探测和取样处 理，可以很方 便地 确定云高。三、试验方法和 结果 1 系统的主要技术 指标 为：A)激光发射 部分：倍频 Nd YAG 激 光 器，工 作 波 长 0 5 3 2 m，输出能量 3 0 5 0 mJ，脉宽 1 0 a s，重 复频率 1 O次 分，发散 角 2 m t a d B)接 收部分：接收 口径 5 0 ram，接 收视场角 3 mr a d c)数据处理部分：瞬时记录仪8 b i t 2 0 MHz 2 试 验 方 法：A)云高云 高的 检测 是用常规的气球 和 飞机实测与激光探测 结果 对 比。B)水平能见度选择 2 3 名有经验的气 象 观测 员 并措 跑道 每间 隔 2 m 设 置 目标 物，将目视实测值与激光探测值对比。c)斜视能见度采用热气球和飞机探测 两 种检测方法 考虑到飞机进入五边在 远台附近 的高度接 近 2 0 0 m，因此热气球(观测员乘坐其中)也升 到 2 0 0 m 左右，如图 l 所 示。一，I 圉 1 热气 球检 舅 示意田 热 气球升 空高度(其数值 由吊篮下 细绳标志)，6 观测 点按热气球的水平距离(IX跑道灯为标志)，热气球的实测斜视 能见度。v，飞机进 入五边后，按正常 下滑角 2。4 0 下降 着陆。当飞机到达远台上空时即按码表计时并 飞行速度，当飞行员发现 跑道 时再 按码表，由 此计算出斜视视程(图 2)。图 2飞机 幢 示 意 蔼 维普资讯 http:/ V一 一(T-T I)以上所 有对 比试验 中，观测 员、飞行 员和 激光 探测问都数据 保密。3 试 验 结 果 A)跑遭视 程 合 同 规 定 技 术 指 标 为；1 0 0 0 m 精度 士2 0 0 m，(2 0 0 0 m精 度为 2 0)1 9 8 3年 3 4月和 1 9 8 7年 l 1月1 9 8 8年 1 月在首都机场与进口的 R VR系统进行了对 比。结果如表 1。袁 1 分类(m)对 比改披 音 格擞 靛 音 格事 1 80 0 9 6 0 9 6 0 共计 1 8 8 9 9 7 1 9 8 5年 1 0 1 2月 和 1 9 8 7年 2月 在合 肥 骆 岗机 场，1 9 8 7 年 3 4月在 北京首都 机场，激 光探测与 目视 实测的对 比结果如表 2。袁 2 舟类(r n)对也戎投 合格农靛 台格事 2 00 0 3 6 9 8 共计 8 0 7 3 B)斜视视 程 合同规 定的 技术指 标与跑 道视 程 的相 同，1 9 8 5年 1 0 1 2月，1 9 8 6年 3月在 台肥骆 岗和 28 屯溪机场激 光探测与热气球实测进行了对 比，结果如表 3。表 3 分类(m)对 比孜致 音格 孜披 旨 格事 2 0 00 81 81 l 00 共计 5 0 8 3 1 9 8 5年 1 0 1 2月，1 9 8 7年 2月在合肥骆 岗机场激光 探测 与飞机实测进行 了对 比，结果 如表 4。袁 4 分类)对出戎靛 音格敬戤 旨格车 ID 00 80 0 0 7 7 8 2 O OO 2 1 2 0 9 5 共计 3 0 2 7 9 0 C)云 高 合同规定的技术指标为：1 5 0 m 以下精度 为士1 5 m，1 5 0 3 0 0 m精度为 士1 0 ，3 0 0 m 以 上精度为 士2 O 。实澍结果完全达到 上述指标 与气球对 比的平 均差为 4 3 ，与飞机对 比的 平均 差为 5 2，且能探 测到 几十米的低云。前面提到 在复杂气象 条件 下，水平 能见 度与飞机下降时在决断高度上的斜视能见度往 往有很大差 别。在现场探测时证实 了这 种情况。例如 1 9 8 6年 3月 1 9日0 8 t 3 1 O 8 t 3 6地 面 水平能 见度为 2 8 0 0 m，而在 4 5 m高度上的斜视 能见度 只有 5 0 0 m；1 9 8 6 年 3月 1 3日 l O t 2 1 1 0 t 2 5地面水平 能见度为 1 5 k in，而在 1 5 0 m 高度上的斜视能 见度 为 5 0 k in。我们用热气球 和激 光探测得到 了一致的结果。维普资讯 http:/