激光云高仪观测规范试行.docx
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激光云高仪观测规范试行
附件1
激光云高仪观测规范（试行）
中国气象局综合观测司
2013-3
前言
激光云高仪观测规范分七个部分，包括：
概述、观测场地、工作原理与仪器结构、日常系统安装、仪器校准、日常工作、数据文件等内容。
编写组依据《气象仪器和观测方法指南》、《地面气象观测规范》、《激光云高仪功能规格需求书》等相关技术文件，在总结云观测自动化试点工作经验基础上编写了本规范。
前三部分主要介绍和规定激光云高仪的基本情况和要求，第4、5、6章主要规定云高观测的业务流程和方法。
本规范主要适用于激光云高仪观测业务，今后随着业务的发展将在此基础上修订。
本规范由中国气象局综合观测司组织，中国气象局气象探测中心牵头编写。
参加编写的主要人员：
雷勇、郭伟、陶法、冯冬霞。
目录
1概述1
2观测场地1
2.1选址1
2.2仪器布设1
3工作原理与仪器结构2
3.1技术性能2
3.2工作原理2
3.3仪器结构3
3.4硬件3
3.4.1测量单元3
3.4.2通信单元4
3.4.3加热吹风装置4
3.5软件4
3.5.1采集软件4
3.5.2业务软件4
3.5.3采样和算法5
4系统安装5
4.1传感器的安装5
4.2电缆的安装与连接5
4.3电源、计算机等的安装6
4.4防雷要求6
4.5软件安装6
5仪器校准6
5.1仪器现场校准6
5.1.1噪声校准6
5.1.2激光功率检验7
5.1.3标准散射体标定7
5.1.4校准周期7
5.2实验室校准7
6日常工作7
7数据文件8
7.1输出数据格式8
7.2分钟数据存储文件10
7.2.1文件名命名规则10
7.2.2文件内容10
1.概述
云（底）高定义为云底海拔高度与测站海拔高度差。
天顶云（底）高指所在观测点天顶位置的云底高。
云高自动观测通过激光云高仪实现。
激光云高仪既可以作为独立设备与微机终端连接组成云高自动观测系统，也可以作为云高传感器挂接在其他硬件集成系统上。
激光云高仪输出云量信息不进入业务用数据传输系统，仅做参考。
本规范是对现行《地面气象观测规范》云自动观测部分的补充，修改、解释权为中国气象局综合观测司。
2.观测场地
2.1选址
激光云高仪应安装在坚固底座平台上，并使其上方围绕垂直轴约30°的圆锥型空间内的清晰视野（无遮蔽）。
应尽量避免激光对人眼的直射。
2.2仪器布设
激光云高仪安装在观测场中心位置东北侧，与雪深、温湿度传感器在同一直线上。
具体布点位置见图1。
图1观测场仪器布局
3.工作原理与仪器结构
3.1技术性能
激光云高仪的测量性能指标如下表1。
表1激光云高仪测量性能指标
测量要素
测量范围
最大允许误差
云高最小分辨力
可探测云层数
固定目标物距离测量误差
云（底）高
150m～7500m
≤1km，±10%
＞1km，±20%
30m
3
30m
激光云高仪自动观测采用北京时，以北京时20时为日界。
可以通过软件自动对时，也可通过人工设置对时。
3.2工作原理
激光云高仪工作原理与激光测距仪类似。
激光测距仪向云底发射一束脉冲激光，经过时间t后，接收器接收到云层的激光回波信号，仪器至所测云底间的斜距S可表示为
S=ct/2
式中c为光速。
由激光测云仪的仰角α，即可求得云底高度H
H=S*sinα
激光云高仪获取整个探测路径上的高空间分辨率的激光大气回波廓线，对距离校正过的回波强度廓线特征进行分析，确定观测点上空是否存在云。
若有云，依据不同云的特征确定云底位置进而得到云高；若无云，则输出垂直能见度。
3.3仪器结构
激光云高仪主要由测量单元、供电电源、通信单元、加热吹风装置、外壳（包括底座、支架）等部分组成。
测量单元包括光学系统、发射器、接收器和控制处理器等。
图2激光云高仪原理结构图
3.4硬件
3.4.1测量单元
测量单元包括发射单元、接收单元和控制处理器等。
发射单元主要由发射光学系统和发射器电路组成，通过机械装置固定在发射筒中，仪器工作时发出周期性的红外脉冲激光信号。
接收单元主要由接收光学系统和接收器电路组成，通过机械装置固定在接收筒中，仪器工作时接收大气回波信号。
控制处理器完成对发射器发射信号的监控与接收器接收信号的采集处理。
3.4.2通信单元
通信单元实现采集器与计算机、采集器与地面观测硬件集成控制器的联接设备。
通信接口协议使用RS-232或RS-485。
3.4.3加热吹风装置
机箱内吹风加热主要用于保证低温时发射器稳定工作。
当设备内温度低于某阈值时机箱内部加热并吹风，当温度升高到某阈值后停止加热，延时2分钟后停止吹风。
窗口吹风主要用于清除雪、霜、雨滴等。
窗口污染值大于阈值时窗口内外风扇都吹风，污染值小于阈值时延时2分钟后停止吹风。
3.5软件
3.5.1采集软件
采集软件由厂家提供，写在采集器中。
采集软件负责对传感器按预定的采样频率进行扫描和将获得的电信号转换成微控制器可读信号，得到气象变量测量值序列；负责对气象变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成气象单位量，得到采样瞬时值。
其主要功能有：
（1）接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整（时钟也可在采集器上直接调整，但必须保证采集器和计算机时钟一致）；
（2）定时采集传感器的输出信号，经计算、处理形成云高观测值；
（3）存储和传输云高观测值；
（4）运行状态监控。
3.5.2业务软件
激光云高仪作为独立的云高观测系统时需要提供业务软件，业务软件根据地面气象业务的需要编制。
其功能至少包括：
参数设置、实时数据显示、数据存储、报文生成、数据质量控制。
3.5.3采样和算法
3.5.3.1采样
激光云高仪采样重复频率不低于2500Hz。
3.5.3.2算法
（1）云（底）高确定方法
控制处理器每完成一次采样计算得到一组大气回波强度廓线，根据廓线特征首先判断云是否存在，若存在，则根据大气衰减速度进一步确定云底位置，计算云底高度。
（2）逐分钟云高
每一分钟输出该分钟内平均云高数据。
该数值为一分钟内采样数据的算术平均值。
（3）积分云量
激光云高仪采用时间域滑动积分算法，由云量输出时刻之前30分钟云高观测结果积分计算云量。
4.系统安装
4.1传感器的安装
将预埋件一起浇铸到钢筋混凝土地基（长65cm×宽65cm×深50cm，大风区可适当加大、加深）中，预埋件与接地体连接，基础中预留电源、信号管线，基础表面水平，高出地面3-5cm。
激光云高仪安装在工作地基上，探测云层时竖直摆放，固定地基时必须保证太阳不能直射激光云高仪镜头，以免烧坏设备部件。
随季节变化及时调整摆放方向，以避免太阳垂直照射入透镜。
4.2电缆的安装与连接
为了防雷、防鼠、防水和安装、维修方便，电缆应布设在电缆沟内的金属线槽中。
4.3电源、计算机等的安装
电源与计算机等的安装位置以便于操作为宜，安装参考气象业务相关规范及厂家手册。
4.4防雷要求
具备防雷击电磁脉冲的措施，防雷安全要求和设计应符合行业标准。
4.5软件安装
采集软件在设备出厂前已安装在采集器中。
业务软件安装方法按照软件技术操作手册进行，安装完毕后，应进行初始化和参数设置。
5.仪器校准
一般激光云高仪具备自身发射功率和防范重大计时误差的监控能力。
校准检查通常只限于使用外接高质量频率标准，检测激光云高仪主振动器的频率和稳定性，以及检测发射器的输出功率。
5.1仪器现场校准
现场校准包括噪声校准、激光功率检验和标准散射体标定。
现场校准应选择能见度较好（超过10km）的天气条件，避免在风、雨、雪、雾、霾等影响激光传输的天气条件下开展。
5.1.1噪声校准
关闭仪器激光器发射部分，将接收望远镜用不透光盖子遮挡，若发射与接收共用一套光学系统则应将整个光学系统遮挡，保证激光的散射信号和大气背景光信号无法进入接收系统。
观察激光云高仪接收器部分工作一段时间内输出的回波强度廓线。
回波强度廓线应在不同高度处均值平坦，且标准差（数据离散程度）小于阈值。
5.1.2激光功率检验
在在现场检测时，可借助激光功率计，检测激光器输出功率。
5.1.3标准散射体标定
在激光云高仪上方放置散射体，接收端插入一定衰减片，在云高仪中端检测散射体的散射信号，信号应稳定，信号值与标准值之间的差距应低于阈值。
5.1.4校准周期
激光云高仪首次使用1个月后应进行现场校准；仪器稳定运行后，校准周期可延长为6个月；每次维修仪器之后都应做校准检查。
5.2实验室校准
对激光云高仪的发射器部分、接收器部分等关键部件校准。
发射器部分：
使用波长计检测波长漂移；使用功率计检测发射激光功率；使用光斑分析仪检测发射激光发散角。
接收器部分：
使用微弱电流检测装置进行暗电流检测。
6.日常工作
激光云高仪投入运行以后，应做好日常巡视、维护和现场校准等工作。
守班期间，每日8时、20时检查激光云高仪是否正常工作。
发现仪器异常或接受到业务软件监控报警信息时应及时处理，查明异常原因，开展维护或维修工作。
每日日出后和日落前巡视激光云高仪，发现激光云高仪（尤其是采样区）有蜘蛛网、鸟窝、灰尘、树枝、树叶等影响数据采集的杂物，应及时清理（可在基座、支架管内放置硫磺，预防蜘蛛）。
定期更换冷却风机的空气过滤器。
一般每月定期清洁光学透镜，可根据设备附近环境的情况，延长或缩短擦拭透镜的时间间隔（遇沙尘、降雨（雪）等天气现象时，应及时清洁）。
（1）每月检查供电设施，保证供电安全。
（2）每6个月进行一次现场校验。
（3）每年春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。
定期检查、维护的情况应记入值班日志中。
对云高自动观测数据有影响的还要摘入备注栏。
7.数据文件
7.1输出数据格式
参考《数据对象字典说明》和《数据对象字典编码表》，激光云高仪相关数据传输格式定义如表2至4。
表2激光云高仪代号
设备代号
设备名称
YCCL
激光云高仪
表3云数据文件基本参数格式
序号
参数
代码
字长
Byte
1.
时、分（北京时）
4
2.
第一层云族
AL0C
1
3.
第二层云族
AL1C
1
4.
第三层云族
AL2C
1
5.
全天空总云量
AL0B
4
6.
高云量
AL3B
4
7.
中云量
AL2B
4
8.
低云量
AL1B
4
9.
天顶云高1
AL0A
5
10.
天顶云高2
AL1A
5
11.
天顶云高3
AL2A
5
12.
天顶云高4
AL3A
5
13.
天顶云高5
AL4A
5
14.
云状
ALD
29（顺序按照数据字典云状编码，某种云状有为1，无为0）
按主次依次排列有多少云状输出多少如：
0103表示淡积云为主云状，浓积云为次云状
15.
垂直能见度
ALE
6
16.
第一层积分云量
AL0AB
4
17.
第二层积分云量
AL1AB
4
18.
第三层积分云量
AL2AB
4
19.
第四层积分云量
AL3AB
4
20.
第五层积分云量
AL4AB
4
21.
质量控制码
19（每一要素对应一个质控码，编码参考数据字典）
22.
回车换行
例如
201208062000,1,2,/,0800,0600,0200,////,05000,03000,/////,03000,05000,/////,-----------------------------,------,999999999999999
时间，第一层云族为中云，第二层云族为高云，第三层没有云族，全天空云量为80.0%，高云云量为60.0%，低云云量为无，高云云高为5000米，中云云高为3000米，低云云高为无，天顶云高1为3000米，天顶云高2为5000米，天顶云高3为无，云状缺测，垂直能见度缺测，没有做质量控制。
表4云状态文件基本参数格式
序号
参数
代码
字长（Byte）
1.
时、分（北京时）
4
2.
外接电源
ZDA
1
3.
蓄电池电压
ZD1A
1
4.
AC-DC电压
ZD2A
1
5.
主采主板电压
ZD3A
1
6.
遮阳板工作电压
ZD4A
1
7.
旋转云台工作电压
ZD5A
1
8.
激光测云仪加热
ZD6A
1
9.
云雷达加热
ZD7A
1
10.
微脉冲激光雷达加热
ZD8A
1
11.
红外测云仪加热
ZD9A
1
12.
可见光测云仪加热
ZD10A
1
13.
双波段测云仪加热
ZD11A
1
14.
激光测云仪通风
ZD12A
1
15.
云雷达通风
ZD13A
1
16.
微脉冲激光雷达通风
ZD14A
1
17.
红外测云仪通风
ZD15A
1
18.
可见光测云仪通风
ZD16A
1
19.
双波段测云仪通风
ZD17A
1
20.
探测器污染情况
ZDB
1
21.
探测器温度
ZDC
1
22.
发射器能量
ZDD
1
23.
自检测状态
ZDE
1
24.
遮阳板工作状况
ZDF
1
25.
旋转云台工作状况
ZDG
1
26.
回车换行
例如
20120806200000,0,-,1,1,-,-,1,-,-,-,-,-,1,-,-,-,-,-,1,1,1,0,-,-
时间,外接电源：
交流，蓄电池电压：
没有该项，AC-DC电压：
正常，主采主板电压：
正常，遮阳板工作电压：
没有该项，旋转云台工作电压：
没有该项，激光测云仪加热：
正常，云雷达加热：
没有该项，微脉冲激光雷达加热：
没有该项，红外测云仪加热：
没有该项，可见光测云仪加热：
没有该项，双波段测云仪加热：
没有该项，激光测云仪通风：
正常，云雷达通风：
没有该项，微脉冲激光雷达通风：
没有该项，红外测云仪通风：
没有该项，可见光测云仪通风：
没有该项，双波段测云仪通风：
没有该项，探测器污染情况：
轻度，探测器温度：
正常，发射器能量：
正常，自检测状态：
通过，遮阳板工作状况：
没有该项，旋转云台工作状况：
没有该项。
7.2分钟数据存储文件
无论是单独设置的云高观测站，还是包含云高的多要素观测站，都必须有分钟数据存储文件，以分钟逐条追加的形式记录。
7.2.1文件名命名规则
激光云高仪生成云高数据文件命名遵循如下规则：
XIIiii_cloud_value_yyyymmdd_xx.txt
XIIiii_cloud_state_yyyymmdd_xx.txt
其中，
XIIiii—区站号；
cloud—表明此文件为云设备文件；
value—表明是观测要素文件；
state—表明是设备状态文件；
yyyymmdd—表明是年月日，如（20120805）；
xx—表明数据帧类型，如00代表秒数据，01代表分钟数据，02代表时数据，03代表十分钟数据，04代表15分钟数据。
7.2.2文件内容
观测数据存储遵循以下规则：
（1）每日生成一个文件，从前一日20:
01开始至当日20:
00结束。
每个文件的首行为站点信息，行记录与其余行长度一致，格式如表5。
（2）文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测要素和状态数据文件是否存在，如无该日分钟数据文件，则生成该文件，数据位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
（3）每一次数据为定长记录，用回车换行结束（回车换行不算字节），采用ASCII字符写入，每个要素值高位不足补数字“0”，每个要素之间用英文半角字符“,”分开。
（4）缺测要素值，每一位都用英文半角字符“/”（减号）填充，如果该要素没有观测到“-”字符填充。
（5）当协议中观测要素个数为0时，全部观测要素填为'*'，填充字节数和要素字节数一致。
（6）文件内容按北京时记录。
表5站点信息
序号
参数
字长
Byte
1.
区站号
12
2.
年
4
3.
月
2
4.
日
2
5.
经度
7
6.
纬度
6
7.
观测场拔海高度
5
8.
传感器拔海高度
5
9.
保留
10.
回车换行
2
备注：
保留字节数根据余行长度而定，最后要求首行与余行长度一致！
！
升级会员 