PAGEPAGE11附件1激光云高儀觀測規(guī)范（試行）中國氣象局綜合觀測司2013-3前言激光云高儀觀測規(guī)范分七個部分，包括：概述、觀測場地、工作原理與儀器結(jié)構(gòu)、日常系統(tǒng)安裝、儀器校準(zhǔn)、日常工作、數(shù)據(jù)文件等內(nèi)容。編寫組依據(jù)《氣象儀器和觀測方法指南》、《地面氣象觀測規(guī)范》、《激光云高儀功能規(guī)格需求書》等相關(guān)技術(shù)文件，在總結(jié)云觀測自動化試點(diǎn)工作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上編寫了本規(guī)范。前三部分主要介紹和規(guī)定激光云高儀的基本情況和要求，第4、5、6章主要規(guī)定云高觀測的業(yè)務(wù)流程和方法。本規(guī)范主要適用于激光云高儀觀測業(yè)務(wù)，今后隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展將在此基礎(chǔ)上修訂。本規(guī)范由中國氣象局綜合觀測司組織，中國氣象局氣象探測中心牽頭編寫。參加編寫的主要人員：雷勇、郭偉、陶法、馮冬霞。

目錄1概述 12觀測場地 12.1選址 12.2儀器布設(shè) 13工作原理與儀器結(jié)構(gòu) 23.1技術(shù)性能 23.2工作原理 23.3儀器結(jié)構(gòu) 33.4硬件 33.4.1測量單元 33.4.2通信單元 43.4.3加熱吹風(fēng)裝置 43.5軟件 43.5.1采集軟件 43.5.2業(yè)務(wù)軟件 43.5.3采樣和算法 54系統(tǒng)安裝 54.1傳感器的安裝 54.2電纜的安裝與連接 54.3電源、計(jì)算機(jī)等的安裝 64.4防雷要求 64.5軟件安裝 65儀器校準(zhǔn) 65.1儀器現(xiàn)場校準(zhǔn) 65.1.1噪聲校準(zhǔn) 65.1.2激光功率檢驗(yàn) 75.1.3標(biāo)準(zhǔn)散射體標(biāo)定 75.1.4校準(zhǔn)周期 75.2實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn) 76日常工作 77數(shù)據(jù)文件 87.1輸出數(shù)據(jù)格式 87.2分鐘數(shù)據(jù)存儲文件 107.2.1文件名命名規(guī)則 107.2.2文件內(nèi)容 101.概述云（底）高定義為云底海拔高度與測站海拔高度差。天頂云(底)高指所在觀測點(diǎn)天頂位置的云底高。云高自動觀測通過激光云高儀實(shí)現(xiàn)。激光云高儀既可以作為獨(dú)立設(shè)備與微機(jī)終端連接組成云高自動觀測系統(tǒng)，也可以作為云高傳感器掛接在其他硬件集成系統(tǒng)上。激光云高儀輸出云量信息不進(jìn)入業(yè)務(wù)用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，僅做參考。本規(guī)范是對現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》云自動觀測部分的補(bǔ)充，修改、解釋權(quán)為中國氣象局綜合觀測司。2.觀測場地2.1選址激光云高儀應(yīng)安裝在堅(jiān)固底座平臺上，并使其上方圍繞垂直軸約30°的圓錐型空間內(nèi)的清晰視野（無遮蔽）。應(yīng)盡量避免激光對人眼的直射。2.2儀器布設(shè)激光云高儀安裝在觀測場中心位置東北側(cè)，與雪深、溫濕度傳感器在同一直線上。具體布點(diǎn)位置見圖1。圖1觀測場儀器布局3.工作原理與儀器結(jié)構(gòu)3.1技術(shù)性能激光云高儀的測量性能指標(biāo)如下表1。表1激光云高儀測量性能指標(biāo)測量要素測量范圍最大允許誤差云高最小分辨力可探測云層數(shù)固定目標(biāo)物距離測量誤差云(底)高150m～7500m≤1km，±10%＞1km，±20%30m330m激光云高儀自動觀測采用北京時，以北京時20時為日界?？梢酝ㄟ^軟件自動對時，也可通過人工設(shè)置對時。3.2工作原理激光云高儀工作原理與激光測距儀類似。激光測距儀向云底發(fā)射一束脈沖激光，經(jīng)過時間t后，接收器接收到云層的激光回波信號，儀器至所測云底間的斜距S可表示為S=ct/2式中c為光速。由激光測云儀的仰角α，即可求得云底高度HH=S*sinα激光云高儀獲取整個探測路徑上的高空間分辨率的激光大氣回波廓線，對距離校正過的回波強(qiáng)度廓線特征進(jìn)行分析，確定觀測點(diǎn)上空是否存在云。若有云，依據(jù)不同云的特征確定云底位置進(jìn)而得到云高；若無云，則輸出垂直能見度。3.3儀器結(jié)構(gòu)激光云高儀主要由測量單元、供電電源、通信單元、加熱吹風(fēng)裝置、外殼（包括底座、支架）等部分組成。測量單元包括光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)射器、接收器和控制處理器等。圖2激光云高儀原理結(jié)構(gòu)圖3.4硬件3.4.1測量單元測量單元包括發(fā)射單元、接收單元和控制處理器等。發(fā)射單元主要由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和發(fā)射器電路組成，通過機(jī)械裝置固定在發(fā)射筒中，儀器工作時發(fā)出周期性的紅外脈沖激光信號。接收單元主要由接收光學(xué)系統(tǒng)和接收器電路組成，通過機(jī)械裝置固定在接收筒中，儀器工作時接收大氣回波信號?？刂铺幚砥魍瓿蓪Πl(fā)射器發(fā)射信號的監(jiān)控與接收器接收信號的采集處理。3.4.2通信單元通信單元實(shí)現(xiàn)采集器與計(jì)算機(jī)、采集器與地面觀測硬件集成控制器的聯(lián)接設(shè)備。通信接口協(xié)議使用RS-232或RS-485。3.4.3加熱吹風(fēng)裝置機(jī)箱內(nèi)吹風(fēng)加熱主要用于保證低溫時發(fā)射器穩(wěn)定工作。當(dāng)設(shè)備內(nèi)溫度低于某閾值時機(jī)箱內(nèi)部加熱并吹風(fēng)，當(dāng)溫度升高到某閾值后停止加熱，延時2分鐘后停止吹風(fēng)。窗口吹風(fēng)主要用于清除雪、霜、雨滴等。窗口污染值大于閾值時窗口內(nèi)外風(fēng)扇都吹風(fēng)，污染值小于閾值時延時2分鐘后停止吹風(fēng)。3.5軟件3.5.1采集軟件采集軟件由廠家提供，寫在采集器中。采集軟件負(fù)責(zé)對傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描和將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列；負(fù)責(zé)對氣象變量測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時值。其主要功能有：(1)接受和響應(yīng)業(yè)務(wù)軟件對參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)時鐘的調(diào)整（時鐘也可在采集器上直接調(diào)整，但必須保證采集器和計(jì)算機(jī)時鐘一致）；(2)定時采集傳感器的輸出信號，經(jīng)計(jì)算、處理形成云高觀測值；(3)存儲和傳輸云高觀測值；(4)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。3.5.2業(yè)務(wù)軟件激光云高儀作為獨(dú)立的云高觀測系統(tǒng)時需要提供業(yè)務(wù)軟件，業(yè)務(wù)軟件根據(jù)地面氣象業(yè)務(wù)的需要編制。其功能至少包括：參數(shù)設(shè)置、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、報(bào)文生成、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。3.5.3采樣和算法3.5.3.1采樣激光云高儀采樣重復(fù)頻率不低于2500Hz。3.5.3.2算法(1)云（底）高確定方法控制處理器每完成一次采樣計(jì)算得到一組大氣回波強(qiáng)度廓線，根據(jù)廓線特征首先判斷云是否存在，若存在，則根據(jù)大氣衰減速度進(jìn)一步確定云底位置，計(jì)算云底高度。(2)逐分鐘云高每一分鐘輸出該分鐘內(nèi)平均云高數(shù)據(jù)。該數(shù)值為一分鐘內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。(3)積分云量激光云高儀采用時間域滑動積分算法，由云量輸出時刻之前30分鐘云高觀測結(jié)果積分計(jì)算云量。4.系統(tǒng)安裝4.1傳感器的安裝將預(yù)埋件一起澆鑄到鋼筋混凝土地基（長65cm×寬65cm×深50cm，大風(fēng)區(qū)可適當(dāng)加大、加深）激光云高儀安裝在工作地基上，探測云層時豎直擺放，固定地基時必須保證太陽不能直射激光云高儀鏡頭，以免燒壞設(shè)備部件。隨季節(jié)變化及時調(diào)整擺放方向，以避免太陽垂直照射入透鏡。4.2電纜的安裝與連接為了防雷、防鼠、防水和安裝、維修方便，電纜應(yīng)布設(shè)在電纜溝內(nèi)的金屬線槽中。4.3電源、計(jì)算機(jī)等的安裝電源與計(jì)算機(jī)等的安裝位置以便于操作為宜，安裝參考?xì)庀髽I(yè)務(wù)相關(guān)規(guī)范及廠家手冊。4.4防雷要求具備防雷擊電磁脈沖的措施，防雷安全要求和設(shè)計(jì)應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。4.5軟件安裝采集軟件在設(shè)備出廠前已安裝在采集器中。業(yè)務(wù)軟件安裝方法按照軟件技術(shù)操作手冊進(jìn)行，安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置。5.儀器校準(zhǔn)一般激光云高儀具備自身發(fā)射功率和防范重大計(jì)時誤差的監(jiān)控能力。校準(zhǔn)檢查通常只限于使用外接高質(zhì)量頻率標(biāo)準(zhǔn)，檢測激光云高儀主振動器的頻率和穩(wěn)定性，以及檢測發(fā)射器的輸出功率。5.1儀器現(xiàn)場校準(zhǔn)現(xiàn)場校準(zhǔn)包括噪聲校準(zhǔn)、激光功率檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)散射體標(biāo)定?，F(xiàn)場校準(zhǔn)應(yīng)選擇能見度較好（超過10km）的天氣條件，避免在風(fēng)、雨、雪、霧、霾等影響激光傳輸?shù)奶鞖鈼l件下開展。5.1.1噪聲校準(zhǔn)關(guān)閉儀器激光器發(fā)射部分，將接收望遠(yuǎn)鏡用不透光蓋子遮擋，若發(fā)射與接收共用一套光學(xué)系統(tǒng)則應(yīng)將整個光學(xué)系統(tǒng)遮擋，保證激光的散射信號和大氣背景光信號無法進(jìn)入接收系統(tǒng)。觀察激光云高儀接收器部分工作一段時間內(nèi)輸出的回波強(qiáng)度廓線?；夭◤?qiáng)度廓線應(yīng)在不同高度處均值平坦，且標(biāo)準(zhǔn)差（數(shù)據(jù)離散程度）小于閾值。5.1.2激光功率檢驗(yàn)在在現(xiàn)場檢測時，可借助激光功率計(jì)，檢測激光器輸出功率。5.1.3標(biāo)準(zhǔn)散射體標(biāo)定在激光云高儀上方放置散射體，接收端插入一定衰減片，在云高儀中端檢測散射體的散射信號，信號應(yīng)穩(wěn)定，信號值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差距應(yīng)低于閾值。5.1.4校準(zhǔn)周期激光云高儀首次使用1個月后應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)；儀器穩(wěn)定運(yùn)行后，校準(zhǔn)周期可延長為6個月；每次維修儀器之后都應(yīng)做校準(zhǔn)檢查。5.2實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)對激光云高儀的發(fā)射器部分、接收器部分等關(guān)鍵部件校準(zhǔn)。發(fā)射器部分：使用波長計(jì)檢測波長漂移；使用功率計(jì)檢測發(fā)射激光功率；使用光斑分析儀檢測發(fā)射激光發(fā)散角。接收器部分：使用微弱電流檢測裝置進(jìn)行暗電流檢測。6.日常工作激光云高儀投入運(yùn)行以后，應(yīng)做好日常巡視、維護(hù)和現(xiàn)場校準(zhǔn)等工作。守班期間，每日8時、20時檢查激光云高儀是否正常工作。發(fā)現(xiàn)儀器異?；蚪邮艿綐I(yè)務(wù)軟件監(jiān)控報(bào)警信息時應(yīng)及時處理，查明異常原因，開展維護(hù)或維修工作。每日日出后和日落前巡視激光云高儀，發(fā)現(xiàn)激光云高儀（尤其是采樣區(qū)）有蜘蛛網(wǎng)、鳥窩、灰塵、樹枝、樹葉等影響數(shù)據(jù)采集的雜物，應(yīng)及時清理（可在基座、支架管內(nèi)放置硫磺，預(yù)防蜘蛛）。定期更換冷卻風(fēng)機(jī)的空氣過濾器。一般每月定期清潔光學(xué)透鏡，可根據(jù)設(shè)備附近環(huán)境的情況，延長或縮短擦拭透鏡的時間間隔（遇沙塵、降雨(雪)等天氣現(xiàn)象時，應(yīng)及時清潔）。（1）每月檢查供電設(shè)施，保證供電安全。（2）每6個月進(jìn)行一次現(xiàn)場校驗(yàn)。（3）每年春季對防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，復(fù)測接地電阻。定期檢查、維護(hù)的情況應(yīng)記入值班日志中。對云高自動觀測數(shù)據(jù)有影響的還要摘入備注欄。7.數(shù)據(jù)文件7.1輸出數(shù)據(jù)格式參考《數(shù)據(jù)對象字典說明》和《數(shù)據(jù)對象字典編碼表》，激光云高儀相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸格式定義如表2至4。表2激光云高儀代號設(shè)備代號設(shè)備名稱YCCL激光云高儀表3云數(shù)據(jù)文件基本參數(shù)格式序號參數(shù)代碼字長Byte時、分（北京時）4第一層云族AL0C1第二層云族AL1C1第三層云族AL2C1全天空總云量AL0B4高云量AL3B4中云量AL2B48.低云量AL1B49.天頂云高1AL0A510.天頂云高2AL1A511.天頂云高3AL2A512.天頂云高4AL3A513.天頂云高5AL4A514.云狀A(yù)LD29（順序按照數(shù)據(jù)字典云狀編碼，某種云狀有為1，無為0）按主次依次排列有多少云狀輸出多少如：0103表示淡積云為主云狀，濃積云為次云狀15.垂直能見度ALE616.第一層積分云量AL0AB417.第二層積分云量AL1AB418.第三層積分云量AL2AB419.第四層積分云量AL3AB420.第五層積分云量AL4AB421.質(zhì)量控制碼19（每一要素對應(yīng)一個質(zhì)控碼，編碼參考數(shù)據(jù)字典）22.回車換行例如201208062000,1,2,/,0800,0600,0200,////,05000,03000,/////,03000,05000,/////,,,999999999999999時間，第一層云族為中云，第二層云族為高云，第三層沒有云族，全天空云量為80.0%，高云云量為60.0%，低云云量為無，高云云高為5000米，中云云高為3000米，低云云高為無，天頂云高1為3000米，天頂云高2為5000米，天頂云高3為無，云狀缺測，垂直能見度缺測，沒有做質(zhì)量控制。表4云狀態(tài)文件基本參數(shù)格式序號參數(shù)代碼字長（Byte）1.時、分（北京時）42.外接電源ZDA13.蓄電池電壓ZD1A14.AC-DC電壓ZD2A15.主采主板電壓ZD3A16.遮陽板工作電壓ZD4A17.旋轉(zhuǎn)云臺工作電壓ZD5A18.激光測云儀加熱ZD6A19.云雷達(dá)加熱ZD7A110.微脈沖激光雷達(dá)加熱ZD8A111.紅外測云儀加熱ZD9A112.可見光測云儀加熱ZD10A113.雙波段測云儀加熱ZD11A114.激光測云儀通風(fēng)ZD12A115.云雷達(dá)通風(fēng)ZD13A116.微脈沖激光雷達(dá)通風(fēng)ZD14A117.紅外測云儀通風(fēng)ZD15A118.可見光測云儀通風(fēng)ZD16A119.雙波段測云儀通風(fēng)ZD17A120.探測器污染情況ZDB121.探測器溫度ZDC122.發(fā)射器能量ZDD123.自檢測狀態(tài)ZDE124.遮陽板工作狀況ZDF125.旋轉(zhuǎn)云臺工作狀況ZDG126.回車換行例如20120806200000,0,-,1,1,-,-,1,-,-,-,-,-,1,-,-,-,-,-,1,1,1,0,-,-時間,外接電源：交流，蓄電池電壓：沒有該項(xiàng)，AC-DC電壓：正常，主采主板電壓：正常，遮陽板工作電壓：沒有該項(xiàng)，旋轉(zhuǎn)云臺工作電壓：沒有該項(xiàng)，激光測云儀加熱：正常，云雷達(dá)加熱：沒有該項(xiàng)，微脈沖激光雷達(dá)加熱：沒有該項(xiàng)，紅外測云儀加熱：沒有該項(xiàng)，可見光測云儀加熱：沒有該項(xiàng)，雙波段測云儀加熱：沒有該項(xiàng)，激光測云儀通風(fēng)：正常，云雷達(dá)通風(fēng)：沒有該項(xiàng)，微脈沖激光雷達(dá)通風(fēng)：沒有該項(xiàng)，紅外測云儀通風(fēng)：沒有該項(xiàng)，可見光測云儀通風(fēng)：沒有該項(xiàng)，雙波段測云儀通風(fēng)：沒有該項(xiàng)，探測器污染情況：輕度，探測器溫度：正常，發(fā)射器能量：正常，自檢測狀態(tài)：通過，遮陽板工作狀況：沒有該項(xiàng)，旋轉(zhuǎn)云臺工作狀況：沒有該項(xiàng)。7.2分鐘數(shù)據(jù)存儲文件無論是單獨(dú)設(shè)置的云高觀測站，還是包含云高的多要素觀測站，都必須有分鐘數(shù)據(jù)存儲文件，以分鐘逐條追加的形式記錄。7.2.1文件名命名規(guī)則激光云高儀生成云高數(shù)據(jù)文件命名遵循如下規(guī)則：XIIiii_cloud_value_yyyymmdd_xx.txtXIIiii_cloud_state_yy