1. 引言
自动气象观测系统(AWOS，以下简称自观系统)是机场必备的运行保障设备，其提供的气象数据是机场运行决策的重要依据。尤其是低能见度情况下，自观系统输出的能见度数据直接关系到飞机能否正常起降。乌鲁木齐地窝堡国际机场的自观系统由芬兰维萨拉公司生产，在2016年进行了升级改造，改造后跑道两头接地端及中间端，三个位置使用的能见度探测设备都为大气透射仪，其中跑道07、25方向两端的设备型号为MITRAS，中间型号为LT31。安装在中间端位置的LT31能见度值通常比安装在跑道两端的MITRAS低，特别是在恶劣天气下，LT31的能见度数据从恶劣天气恢复速度比MITRAS慢得多。本文从设备结构原理对此问题进行分析。
2. 大气透射仪工作原理
大气透射仪主要由发射机、接收机和数据处理单元组成，其工作原理为发射机发射一道光束至接收机中，该光束通过一定距离的大气中会形成衰减，接收机收到光束后对衰减后的光束进行测量和计算，从而得出大气透射率，进而计算出光学能见度值 [1]。其中大气透射仪发射机和接收机窗口距离称之为基线距离。
Figure 1. Structure diagram of atmospheric transmittance instrument
图1. 大气透射仪结构图
如图1所示，发射光强为I0，接收光强为I，基线长度为B，大气透射率
，由朗伯比尔定律可得：
消光系数
。
求出消光系数，即可由阿拉德定律和柯西米德定律计算出光学能见度 [2]。
3. 能见度数据不一致问题
同一条跑道不同位置的能见度数据本应具有较好的一致性，在实际使用中发现，在低能见度向高能见度转换时，LT31数据转好速度要比MITRAS数据缓慢。具体表现为MITRAS数据迅速上升，符合当时天气条件，而LT31数据明显偏低。
以2018年11月11日至13日时段的能见度数据为例，将这一时段数据按天气条件变化划分为5个阶段，选取跑道07方向MITRAS大气透射仪与跑道中间位置LT31大气透射仪能见度数据进行比较分析(图2)。
第一阶段，天气晴好，能见度在5000~10,000米范围，LT31与MITRAS数据表现一致；
第二阶段，天气条件变坏，能见度迅速降至50~500米，所有低能见度值LT31都可以正常报告，LT31与MITRAS数据表现一致性较强；
第三阶段，在天气转好后，能见度在1000米左右，LT31不能完全恢复到正常值，整体数据表现偏低；
第四阶段，天气持续转好，能见度在1000~10,000米范围，这一阶段持续了将近1天时间跨度，包括了白天和黑夜，这个区间能见度波动较大，但仍是晴好天气，LT31能见度数据明显低于实际能见度值；
第五阶段，天气条件持续良好，能见度保持在5000米以上，由于LT31数据输出上限为10,000米，而MITRAS无此限制，在进行数据分析时，能见度超过10,000米时认为数据一致，这一阶段LT31执行了自动校准，数据恢复正常，与实际能见度相符，与MITRAS数据一致。
从数据表现上看，LT31数据异常主要出现在能见度由差转好阶段。本文试图通过从以下两个方面进行分析找出问题所在。
4. 能见度数据异常分析
MITRAS和LT31同为维萨拉公司产品，LT31为MITRAS升级换代产品，也是目前国内民用机场使用最多的大气透射仪 [3]。MITRAS和LT31虽然基本原理相同，但设备光源、镜头窗口形状、基线长度、自动校准方式、内部诊断等方面均不相同。
4.1. 窗口污染补偿功能对比分析
如下图3，MITRAS大气透射仪窗口为倾斜窗口，窗口面积较大，其污染补偿模式为窗口下端污染检测灯，发射检测光，经窗口多次折射后，由位于窗口上光接收器接收污染检测光，从而计算出窗口污染系数。LT31为“V”字型窗口，其窗口面积较小，污染检测灯发射灯光，穿过“V”字型窗口后，由接收器接收。由于结构不同，LT31的窗口更容易受到污染影响。并且MITRAS通常安装基线长度为50米，LT31为30米。MITRAS采样范围更大，受局部干扰影响更小。LT31基线短，受到窗口污染影响更加敏感。
从上面能见度转换的五个阶段来看，在第四阶段，天气条件良好，LT31数据持续比MITRAS低，明显为LT31测量的原始透射率偏低，受窗口污染补偿影响更大。
Figure 3. Comparison of MITRAS and LT31 pollution shots
图3. MITRAS和LT31污染镜头对比
经与维萨拉公司沟通，对LT31大气透射仪固件版本进行更新，主要更新内容涉及窗口污染补偿的两个参数，具体命令如下：
CONF WINDOW.OVERALLWINCORRFACTVARIATION 0.0005。
CONF WINDOW.TEMPWINCORREF 1.0。
在LT31设备固件版本升级后，经过一个冬天的测试，能见度回升速度明显好转。
4.2. 自动校准功能分析
MITRAS和LT31都具备自动校准功能，MITRAS自动校准条件为一分钟内测量的平均透过率超过0.998，自动校准模式开启。LT31使用前散射仪做为外部校准数据源，条件为集成的前散射仪输出的能见度值大于4000米，天气现象代码小于10，并且能见度稳定5分钟。LT31自动识别合适的条件，自动检测校准漂移并相应调节传感器设置 [4]。
从第五个阶段来看，LT31进行自动校准后，系统也可以恢复正常运行。同时经过试验，在数据异常时，人工进行校准，系统也可以恢复正常。可以判断是系统内部的参数经过一段时间产生了漂移，并且未被正常修正。
LT31带有先进的自诊断功能，可以判断所有功能元件的状态信息。此外，自诊断功能还可以帮助确定可能的技术故障。它能记录特殊运行状态、仪器告警的历史，通过DUMP命令即可查看到这些诊断信息(图4)。在每次数据异常时，都对DUMP信息进行收集，对DUMP信息进行分析后，发现了异常参数。基本校准参数BaseCalFact每经过一段时间运行即增加了11%左右，该参数为每一次进行人工校准后，系统会根据基线长度，计算的一个校准参数，存入LT31系统内。同时发现该参数与DUMP信息中对准损失系数具有相同的幅度，推断有LT31具有对准漂移的情况。
再对LT31对准信息进行检查，LT31要求对准信号达到60%以上才能够正常工作。对准信号低于60%，LT31会发出告警信息。LT31具有自动对准功能，经过查看DUMP信息系统仍然可以完成自动对准和并且信号值可以达到70%，满足系统需求。LT31自动对准是通过发射机和接收机内部的步进电机来调节光学镜头的上下和左右角度，来寻找信号最大值，来完成自动对准，其上下调节的角度非常小，且在维萨拉公司建议在安装时，发射机和接收机在一条水平线上。因LT31经过一段时间，对准损失系数会形成固定幅度的变化，怀疑为机械形变引起的对准损失。
在对LT31安装工艺进行检查，发现LT31基础发生沉降，发射机与接收机基础高差为15厘米。与上述判断一致。在对LT31发射机基础调整后，发射机与接收机高度相同，LT31数据恢复正常，并且在2019年、2020年冬季第能见度天气条件下进行多次检验，LT31低能见度数据转换情况正常。本次情况为LT31基础虽然发生沉降，内部参数会随时间漂移，但LT31系统本身并未产生告警，设备维护人员无法直观判断故障点。
5. 结束语
跑道视程(RVR)是机场运行标准的重要指标之一，而能见度值是估算跑道视程的重要参数，能见度是否准确直接影响航班起降正常率。大气透射仪LT31设备本身具有先进的自诊断功能，本文中的LT31大气透射仪能见度异常情况，系统没有任何告警，这就要求设备维护人员熟练掌握设备结构原理及各项参数范围。本文通过对两种大气透射仪窗口污染补偿模式、自动校准模式和诊断信息进行分析，得出LT31大气透射仪由低能见度向高能见度转换缓慢的原因在与窗口污染未被正确校正及基本校准参数的漂移。根据这一结论，升级LT31固件，调整污染补偿参数，及调平大气透射仪发射机和接收机高度，解决了LT31输出能见度异常问题。