用于气象观测的光纤结冰探测仪

　　0 引言

　　飞机结冰是指飞机在飞行过程中表面某些部分聚集冰层的现象[1]，它被航空界认定为严重威胁飞机飞行安全的六大杀手之一。飞机结冰会对其飞行产生不利影响，结冰严重时会破坏飞机的安全性，导致飞机失控，甚至发生机毁人亡的重大灾难事故。影响飞机结冰的四大因素是飞行高度、环境温度、空中液态含水量( LWC) 和水滴粒径( MVD[2]，飞机结冰冰型主要有明冰、混合冰和淞冰。鉴于结冰发生在机体表面，直接探测相对困难; 而且低成本、小型飞行器未安装结冰探测器，因此，一般通过探测引起结冰的气象条件来间接判断潜在结冰区[2]。

　　目前，国内外已经有多种先进的技术方法和探测设备来进行气象结冰条件的观测和研究，例如无线电探空仪、天气雷达、机载探测技术和卫星技术等。国内无线电探空仪每天两次提供高度达到或超过30 km 范围内的温度、湿度、压力和风的数据，但是未能直接提供结冰相关信息。系留探空仪也曾利用专门传感器研究飞机在云中结冰条件[3]，但是设备复杂，且测量高度受到限制。下面介绍一种新型的光纤结冰探测仪，它具有成本低、质量轻、功耗低、抗干扰等诸多优势，并借助目前广泛使用的无线电探空仪作为升空手段，可行性强，从而大大提高了探空仪的高空观测能力，为飞机飞行安全提供重要的气象结冰信息依据。

　　1 气象结冰探测方案

　　GTSl 型数字探空仪是中国气象局招标的21 世纪高空探测更新换代产品。它是一次性使用的高空气象探测仪器，由氢气球带往高空，该过程中将探空气球视为随空气流动的质点，由 L波段二次测风雷达追踪其实时位置，进行从地面至高空垂直30km、水平斜距200 km 范围内不同高度的大气温度、相对湿度、气压和风向、风速的探测[4]。GTS1 型数字探空仪主要由电池、传感器、智能转换器和发射机组成，智能转换器将各类传感器的物理量按一定格式转换成二进制代码，并通过发射机向地面接收机传输数据。以GTS1 型探空仪为升空手段的气象结冰探测方案如图1所示。光纤结冰探测仪主要由结冰传感器和解调器组成，其中结冰传感器采用具有不同性能优点、便于进行数据融合的3 种光纤结冰传感器构成，解调器采用以数字取样积分为核心的微弱信号检测技术。光纤结冰探测仪由探空仪的电池为之供电，其输出信号则和探空仪的温度、压力、湿度等传感器的输出信号一起送智能转换板转换为相应的二进制代码，并由发射机向地面接收机传送。

　　由于探空仪为一次性消耗品，且氢气球所携带设备质量有限，因此，必须要求光纤结冰探测仪具有体积小、质量轻、成本低、功耗低等特点，否则结冰探测器无法得到广泛应用。上述特点是用于气象观测的光纤结冰探测仪与安装于飞机机身的结冰探测器的不同之处。