新型自動氣象站能見度數據異常分析處理

（新疆石河子烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，石河子市，832000） 王嘯天 樊新艷

自動氣象站作為常規的氣象觀測站,在地面氣象觀測業務系統中得到了廣泛的運用,各類觀測儀器和傳感器更是自動站的核心,為采集數據的準確性、高速性和存儲數據的安全性都提供了堅實的基礎。能見度傳感器在氣象探測中的應用十分重要且極為廣泛，目前國內各氣象站普遍使用的為DNQ1前向散射式能見度儀，尤發射器、接收器、電源、控制器、采集器和機架等部分組成。

1 DNQ1前向散射式能見度儀探測原理

DNQ1前向散射式能見度儀由發射器、接收器、電源／控制器、采集器和機架等部分組成。（探測原理見圖1、圖2）

發射器裝置由紅外線LED、控制和觸發電路、紅外線強度傳感器（光二極管）和反向散射信號強度傳感器（光二極管）組成。變送器裝置以2kHz的頻率使紅外線LED產生脈沖波。光二極管監控發射光強度，測量的變送器強度用于自動使紅外線LED的強度保持為預設值。“LEDI”反饋電壓由CPU監控，以獲取有關紅外線LED的老化情況和可能的缺陷的信息。反饋回路對紅外線LED的溫度和老化效應進行補償。另一方面，主動補償會略微加速紅外線LED老化。因此，初始LED電流設置為一個值，這可確保裝置運行幾年而無需維護。額外的光二極管測量從鏡頭、其他對象或污染物向后散射的光，此信號也由CPU監控。溫度傳感器是固定到橫臂上的Pt100熱敏電阻。使用高精度A/D轉換器，每分鐘測量一次溫度。

光接收器由PIN光二極管、前置放大器、電壓到頻率轉換器、反向散射測量光源LED以及一些控制和定時電子器件組成。接收PIN光二極管檢測從采樣空氣柱內懸浮顆粒散射且被鏡頭聚焦（特定方向的散射光）的光脈沖。信號電壓由與變送器同步的相敏鎖定放大器進行過濾和檢測。高達30kcd/m2的環境光照水平不會影響光二極管的檢測，也不會使前置放大器飽和。

發射器通過紅外發光管，產生紅外光通過鏡頭在大氣中形成接近平行的光柱。接收器將采樣區內大氣的特定方向的前向散射光匯集到光電傳感器的接收面上，并將其轉換為與大氣能見度成反比關系的電信號。此信號經處理后送至控制器的數據采集板，經CPU取樣和計算得到采樣區內大氣的特定方向的前向散射光的強度值，由此估算出總的散射量（與儀器的結構決定的采樣角度有關），從而得到透過量，由此計算得到大氣能見度的值。

圖1 前向散射式能見度儀探測原理圖

圖2 光學測量示意圖

2 故障現象

2018年7月，我市某臺站DZZ4新型自動氣象站在17日14時47分至15時01期間，能見度一起出現故障。起初，觀測值班員在ISOS軟件上發現7月17日能見度傳感器分鐘數據持續缺測，重啟軟件和電腦后仍未能恢復正常。如圖3。

圖3 能見度數據異常圖

3 故障排查

3.1 校準法

校準能見度測量時，能見度應大于500m（可以在小雨天氣下進行校準）。建議不要在大雨或明亮的陽光下執行校準。照射到校準儀板上的明亮陽光將增加散射測量時的噪音，降低CHEC命令輸出的穩定性。

執行校準檢查過程之前，請清潔鏡頭，另請檢查不透明玻璃板的狀況并根據需要進行清潔。首先將能見度傳感器直接與計算機或綜合硬件集成控制器連接，設置通信參數：波特率9 600bps，偶校驗位（E），數據位7，停止位1，按以下步驟進行校準檢查：

（1）阻止光路，請將擋板放在接收器護罩中，然后等待30秒。

（2）發出ZERO命令。DNQ1應做出如下響應：ZERO SIGNAL：OK

（3）移動擋板。

（4）將校準儀板裝到鏡頭護罩中。（見圖4）

（5）將不透明玻璃板固定到護罩上。請注意印在玻璃板上的信號值，因為以下步驟中需要使用該值。

（6）移出光路并等待30S。

（7）發出CHEC命6過程。

（8）如果檢查結果顯示變化小于±5%，建議不要進行重新校準，因為變化屬于校準過程的可重復性范圍內。

（9）按ESC鍵終止CHEC命令

圖4 組裝不透明玻璃板

3.2 清潔法

（1）斷電關閉能見度分采和傳感器，或進入調試模式。

（2）用異丙醇潤濕無絨軟布，然后擦拭鏡頭，注意不要刮傷鏡頭表面。

（3）確保護罩和鏡頭沒有冷凝水、積雪或積冰。

（4）擦去護罩內表面和外表面的灰塵。

（5）清潔完成上電開通能見度分采和傳感器。

（6）輸入以下命令：

OPENCHANNEL1!（打開分采的RS232-1口，進入透傳模式，須等到返回UART1 Channel Open!才算打開）

OPEN（打開能見度儀的調試通道，須等到返回LINE OPENED FOR THE OPERATOR，再輸入其它命令）

STA

根據STA命令返回信息，檢查接收單元（REC.BACKSCATTER）和發射單元（TR.BACKSCATTER）的反向散射CHANGE值是否接近為零，可用CLEAN命令將其設置為零。

CLEAN

CLOSE（關閉能見度儀的調試通道）

CLOSECHANNEL1!（關閉分采的RS232-1口，讓傳感器進入工作模式）。

3.3 替代法

15時02分切換主站和輔站能見度傳感器。11時正點1分鐘平均能見度值、10min平均能見度值由備份站值代替，小時最小能見度值、小時最小能見度出現時間值從小時其他分鐘數據中挑取。12時至15時小時正點1分鐘平均能見度值、10分鐘平均能見度值、小時最小能見度值、小時最小能見度出現時間值等均由備份站值代替。分鐘數據按缺測處理。

數據恢復正常后，打開采集器箱后發現采集器指示燈因故障熄滅，將更換能見度傳感器后，故障排除。換上儀器型號：DNQ1 V35出廠編碼：L4910552制造廠：華云升達（北京）氣象科技有限責任公司。

4 結語

針對一次DZZ4型自動氣象站能見度數據異常故障，根據能見度傳感器的工作原理和測量原理，經過逐級測量和故障排查，快速及時確定了故障點，及時恢復了數據采集和上傳，減少了數據缺失，保證了自動氣象站的正常運行。