利用前向散射方法的跑道能见度激光测量仪

　　1　引　言

　　飞机因跑道视程估测不准而容易引发飞行事故。故跑道视程的准确探测对保障飞行安全极为重要。

　　文献[3]介绍的一种便携式大气能见度、目标距离综合测试仪,利用波长为1.06μm的激光测得了能见度;文献[4]介绍的一种跑道能见度测量仪,通过测量激光在大气中的透射率,计算出了跑道的瞬间能见度。但在低能见度的测量中存在着一定的困难(主要是信号较弱);文献[5,6]介绍的跑道能见度测量仪,通过激光束在大气中的后向散射能,计算出了大气的消光系数,进而反演出了跑道的能见度,这种测量方法,克服了低能见度的困难,但以上系统的免维护周期短,且受光源稳定性的影响;本文综合运用散射式及透射计式能见度测量仪的优点,利用交叉型双光路前向散射方法,测量0.81μm的激光束在前向30°方向的散射能及在直射方向上的透射能来计算大气的散射系数,从而给出跑道的能见度。是又一种测量能见度的系统。

　　2　原　理

　　2.1　能见度公式

　　能见度的测量是以大气散射具有各向同性且吸收为零为其前提条件的。在此假设下,散射系数与能见度之间的关系由下式给出[3,7]

　　对以水平天空为背景且有较大视场角的黑色目标物,按照国际气象学会的规定[3],可取ε=0.02,结合(2)式,可将(1)式改写成

　　因此,只要测得波长为λ的激光在大气中的散射系数,即可据(3)式求出跑道的能见度。

　　2.2　散射系数β的测量

　　半导体激光器与探测器的相对位置见图1。若半导体激光器1、2交替发射脉冲激光,则

　　2.2.1　仅当半导体激光器1发射脉冲激光束时

　　按图1(a),由激光大气传输方程很容易导出探测器2接收到的直射脉冲激光的功率[7]

　　显然,探测器1此时只能接收到前向散射激光,这一前向散射光是由激光器1发射的脉冲激光向前传播到图1(a)中的△V区域,并在图示方向上散射,再透射到探测器1时产生的。据此并结合文[3]给出的标准能见度的定义可以导出

　　式中的第一部分表示激光器,发射的光传播到△V区域后的功率;而第二部分则表示△V区域内的激光在探测器1方向的散射透射到探测器1时的强度因子,整理(5)式后有

　　2.2.2　仅当半导体激光器2发射脉冲激光束时

　　按图1(b),用上述相同的方法可以导出

　　2.2.3　散射系数β的表达式

　　显然,半导体激光器1、2只需交替发光一次,即可由(9)式求出散射系数β。