激光云高仪观测规范(试行)

附件1

徽光乞鬲似欢测视黑（试火）

中国气象局综合观测司

2013-3

实用文档

韵音

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。

I

实用文档

©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

3.5.22Ik.%、..................................................................................................5

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.............................................6

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................................................7

5.1.2激光功率检验............................................7

5.1.3标准散射体标定..........................................1

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................................................11

it

实用文档

天气现象观测场

自动风速、风向传感密

I--------T---------

新型站

能见度仅I~I主采集器

串口服务/

回

温湿度传感器

方深传!SiS云观则设备

林小雨量计缪I吧□

蒯百信计,"%

闪电定位仪

蒸发传感器回

n一u

"酸雨聚集桶

小型蒸发

ttl®R1

大型蒸发m口新里站地洱分

采隼21

日照计深层地M传感器

草温传感器»±

浅层地温场深乂地温场

―…------------------…性我—一。一9.磬晔。

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lo

表1激光云高仪测量性能指标

云高最小可探测固定目标物距

测量要素测量范围最大允许误差

分辨力云层数离测量误差

<1km,±10%

云（底）高150m〜7500m30m330m

>lkm,±20%

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

2

实用文档

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Q,即可求得云底高度H

H=S*sina

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。

I丸学At件2I

/财删I

的1-----1..ri..

IttH

供电心・.后

•冷・

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。

3

实用文档

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-485o

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

实用文档

(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2500Hzo

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

激光云高仪采月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65cmX宽65cmX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。

5

实用文档

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c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。

6

实用文档

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

7

实用文档

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0

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4O

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

字长

序号参数代码

Byte

1.时、分（北京时）4

2.第一层云族ALOC1

3.第二层云族AL1C1

4.第三层云族AL2C1

8

实用文档

5.全天空总云量AL0B4

6.高云量AL3B4

7.中云量AL2B4

8.低云量AL1B4

9.天顶云高1AL0A5

10.天顶云高2ALIA5

11.天顶云■高3AL2A5

12.天顶云高4AL3A5

13.天顶云高5AL4A5

29（顺序按照数据字典云状编

码，某种云状有为1,无为0）

14.云状ALD按主次依次排列有多少示状输

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ALE6

16.第一层积分云量AI.OAB4

17.第二层积分云量AIJAB4

18.第三层积分云量AL2AB4

19.第四层积分云量AL3AB4

20.第五层积分云量AL4AB4

（每一要素对应一个质控码，

质量控制码19

21.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乐高

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ZDA1

3.蓄电池电压ZD1A1

4.AC-DC电压ZD2A1

5.主采主板电压ZD3A1

6.遮阳板工作电压ZD4A1

7.旋转云台工作电压ZD5A1

8.激光测云仪加热ZD6A1

9.云雷达加热ZD7A1

10.微脉冲激光雷达加热ZD8A1

11.红外测云仪加热ZD9A1

12.可见光测云仪加热ZD10A1

9

实用文档

13.双波段测云仪加热ZD11A1

14.激光测云仪通风ZD12A1

15.云雷达通风ZD13A1

16.微脉冲激光雷达通风ZD14A1

17.红外测云仪通风ZD15A1

18.可见光测云仪通风ZD16A1

19.双波段测云仪通风ZD17A1

20.探测器污染情况ZDB1

21.探测器温度ZDC1

22.发射器能量ZDD1

23.自检测状态ZDE1

24.遮阳板工作状况ZDF1

25.旋转云台工作状况ZDG1

26.回车换行

例如

20120806200000,0,-,1,1,-,一,1,-,-,-,一,-,1,-,1,1,1,0,-,一

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，

旋霰云台工作病况：我看该项。

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：

XIliii_cloud_value_yyyymmdd_xx.txt

XIliii_cloud_state_yyyymmdd_xx.txt

其中，

XIliii——区站号；

cloud一表明此文件为云设备文件；

value一表明是观测要素