激光云高仪观测规范试行.docx

1、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

2、牵头编写。参加编写的主要人员：雷勇、郭伟、陶法、冯冬霞。1概述 12观测场地 12.1选址 12.2仪器布设 13工作原理与仪器结构 23.1技术性能 23.2工作原理 23.3仪器结构 33.4硬件 33.4.1测量单元 33.4.2通信单元 43.4.3加热吹风装置 43.5软件 43.5.1采集软件 43.5.2业务软件 53.5.3采样和算法 54系统安装 54.1传感器的安装 54.2电缆的安装与连接 64.3电源、计算机等的安装 64.4防雷要求 64.5软件安装 65仪器校准 65.1仪器现场校准 65.1.1噪声校准 65.1.2激光功率检验 75.1.3标准散射体标定 75.

3、1.4校准周期 75.2实验室校准 76日常工作 77数据文件 87.1输出数据格式 87.2分钟数据存储文件 107.2.1文件名命名规则 117.2.2文件内容 111.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

4、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云高最小可探测固定目标物距最大允许误差分辨力云层数离测量误差云（底）高150m 7500m1km ，10%1km ，20%30m330m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

5、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，即可求得云底高度 HH=S*sin 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。

6、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

7、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

8、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

9、，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 65 cm 宽 65 cm 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。

10、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

11、 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

12、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

13、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

14、 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Byte1.时、分（北京时）42.第一层云族AL0C13.第二层云族AL1C14.第三层云族AL2C15.全天空总云量AL0B46.高云量AL3B47.中云量AL2B48.低云量AL1B49.天顶云高 1AL0A510.天顶云高 2AL1A511.天顶云高 3AL2A512.天顶云高 4AL3A513.天顶云高 5AL4A514.云状ALD29 （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ALE616.第一层积分云量AL0AB417.第二层积分云量AL1AB418.第三层积分云量AL2AB419.第四层积分云量AL3AB420.第五层积分云量AL4AB421.质量控制码19（每一要素对应一个