激光云高儀氣象裝備保障技術培訓系統設計

竇苗苗 吳曉娜 劉慧潔

摘要：對云層信息的觀測是世界氣象組織規定的需要測定的氣象要素之一。激光云高儀已在部分國家實現業務化觀測。近年來，中國氣象局正在推進激光云高儀的設備考核實驗并發布了相關的規范性技術文件。為加強氣象觀測人員裝備保障技術能力，本文提出激光云高儀培訓系統設計方案，教學內容包括激光發射功率、光束發散角、接收器信號噪聲等光學性能測試技術和觀測數據樣本選取及準確性分析方法。

關鍵詞：氣象;激光云高儀;裝備保障;技術培訓;數據分析

中圖分類號：TN06;TH765 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0171-02

1 激光云高儀國內外應用現狀

云是發生在高空的水汽凝結現象，由懸浮在大氣中的微小水滴、冰晶微粒或二者混合的可見聚合物組成，對地球的輻射收支產生較大影響，也是影響飛機起飛、著陸和飛行安全最重要的氣象要素之一。因此，云在天氣系統發展、降水形成和大氣輻射傳輸等物理過程以及國民經濟的許多領域中都扮演著極其重要的角色。對云層信息的觀測是世界氣象組織規定的需要測定的氣象因素之一。目前，我國氣象部門對云高的觀測主要還是依靠人工目測。近十年來，由于激光技術和光信號檢測技術的快速提高，激光云高儀已發展成為和氣溶膠激光雷達具有相近測量能力的光學遙感設備。例如，微脈沖激光云高儀采用低能量激光脈沖高頻次發射技術，具有體積小、重量輕、分辨率高、探測距離遠、實時在線和全天候監測等優點，最大可同時測量三至四層云，是較為理想的云層信息探測方法。芬蘭Vaisala公司研制的CL31型、CL51型激光測云儀采用數字信號處理技術，具有高分辨率數據采集、實時和動態范圍大等特點，已在多國氣象、民航和科研等部門大范圍應用。

2011年12月至2012年5月和2014年6月至2014年10月，中國氣象局氣象探測中心組織的云自動化觀測設備考核數據，對激光云高儀觀測數據進行質量控制研究。結果表明激光云高儀對稀疏、單薄的高云觀測的準確性還有待提高。特殊天氣現象下，如降水、霧霾天氣等，激光云高儀觀測的漏判、誤判情況嚴重，建議云觀測結合天氣現象在特殊天氣情況下，對激光云高儀的數據采取質量控制，將其置為可疑或缺測。

2012年和2013年，中國氣象局綜合觀測司先后發布《激光云高儀功能規格需求書（試行版）》和《激光云高儀觀測規范（試行）》，啟動了我國氣象部門云高自動化觀測的進程。截至2015年，中國氣象局已在9個地面氣象觀測自動化改革試點觀測站安裝不同型號的激光云高儀開展試運行工作。目前，我國氣象部門還未建立起配套設施和測試功能較為齊全，可供長期使用并具備數據評估能力的激光云高儀裝備保障技術培訓系統。

2 激光云高儀觀測原理和測量指標

激光云高儀基本組成包括高功率低發散角激光光源、光學發射與接收單元、光電探測組件、信號放大和電信號檢測、機械調節單元、數據采集和控制器及算法軟件等。通常，還配有吹風機和加熱器等輔助設備以保證在惡劣天氣條件下的正常工作。激光器發出高頻窄帶光脈沖，通過發射光學系統準直后垂直穿過大氣，光學天線接收后向散射回波信號，經光電轉換、前置放大和模數轉換后，依據激光雷達方程，計算大氣后向散射垂直廓線，通過云層識別算法，得到云底云高信息。激光云高儀系統主要組成部分結構如圖1所示。

中國氣象局《激光云高儀功能規格需求書》（試行版）的主要技術要求，云高測量范圍 150～7500m，云高最小分辨力30m，固定目標物距離測量誤差30m，可探測云層數≥3層。在水平能見度≥2km的條件下，云高<1km時，準確度為±200m，云高≥1km時，準確度為±20%。

3 激光云高儀技術培訓系統的組成部分

培訓系統包括可提供至少6臺激光云高儀長期連續安全運行的觀測實驗場地、云量觀測裝置、光學性能檢測裝置。激光云高儀光學性能檢測技術培訓內容包括量程、可探測云層數、光束發散角、激光輸出功率檢測、接收單元信號噪聲檢測、固定目標物距離測量誤差檢測和數據準確性分析。

3.1 激光云高儀觀測實驗場地

依據《激光云高儀觀測規范》（試行）相關要求，需要建設可同時保障6臺的云高自動化觀測系統運行的基礎設施，包括混凝土基座、配電箱及電纜輻射屏蔽管道。混凝土基座為100cm×100cm×70cm（長寬深）。配電箱內含220V供電接口、多路直流供電單元、等電位接地端子、防雷模塊及控制保護開關等，確保實驗設備能長期連續不間斷工作。

3.2 云量觀測裝置

可由2～3套全天空成像儀組成，觀測可見光波段云圖和云量信息，輔助判斷激光云高儀漏報、誤報情況。在不遮擋太陽光直射的情況下，自動記錄完整的全天空云圖，計算云量分布數據。測量地平線坐標，設定天頂角范圍、地物屏蔽區域，避免觀測實驗場地周圍固有遮蔽物對觀測結果的影響。預留數據擴展接口，當云量雙基點聯合觀測時，具備云高計算功能。

3.3 光學性能檢測裝置

按照《激光云高儀功能規格需求書》（試行版）和《激光云高儀觀測規范》（試行）要求，實地教授基本光學特性參數檢測技術，包括激光發射功率、光束發散角、接收器信號噪聲、固定目標物距離測量誤差。教學設備包括可升降式光學靶標、漫反射成像體、光束轉向器、激光功率測量單元、紅外成像儀、光斑分析器等。主要檢測方法如下所述。

3.3.1 測量范圍檢測

激光云高儀的量程的業務要求為最大值7500米，最小值150米。通過觀測最大值判斷上限量程，通過固定目標物檢測下限量程。

3.3.2 激光發散角檢測

若光學發射單元平行度降低，將使得信號光束能量密度過快減小，降低云高最大探測高度。使用散射體像屏和紅外成像儀，幾何邊緣檢測和圓周檢測算法，計算光斑尺寸，測量光束發散角。

3.3.3 接收單元信號噪聲檢測

檢測分為兩步。先中止儀器激光器發射部分工作，將接收望遠鏡用不透光蓋子蓋住，若發射與接收共用一套光學系統則蓋住整個光學系統，保證激光的散射信號和大氣背景光信號無法進入接收系統。觀察激光云高儀接收器部分工作一段時間內輸出的回波強度廓線。回波強度廓線應在不同高度處均值平坦，且標準差（數據離散程度）小于閾值。再分別在激光光源開啟和關閉時，使用微弱電流檢測裝置進行暗電流檢測。利用八位半高精度數字多用表，檢測光電流噪聲。

3.3.4 固定目標物距離測量誤差檢測

檢測激光云高儀的測量精確度和距離分辨力。設立150米和300米兩處靶點，配套激光云高儀升降載臺和光學合作靶標。光學合作靶標為反射強度可調的角反射器和散射屏，高度可調，距離待檢測設備水平直線距離200米-300米處，位置點需精確測量。

4 數據分析算法

有研究資料指出，降水或陰天天氣時，云的高度一般很低;云都有日變化，高云族變化較小，低云族變化較大。培訓細可綜合設備狀態信息、云圖和其他氣象要素數據，對云高觀測結果進行分類。云高觀測數據可信、疑誤、缺測類別分析方法包括以下方面。

（1）讀取設備自身提供的狀態信息，如光源強度、鏡頭污染程度、接收器信號強度等，對照技術參數，判斷設備工作狀態是否正常。

（2）采集全天空成像儀云量信息，判斷待測設備觀測結果是否為疑誤或缺測。

（3）天氣現象儀、能見度儀、雨量傳感器的觀測數據進行數據集成，建立判斷模型。

4.1 云高標準值確定方法

云量觀測對天頂有無云進行判定;若有云，參照云高參考標準器觀測結果，確定標準云高。氣溶膠激光雷達作為參考標準器，其他兩臺不同型號的激光云高儀作為參考設備。若兩類設備觀測差值在合理范圍內，以氣溶膠激光雷達十分鐘平均值為標準云高;若差異較大，觀測數據不作為有效分析樣本。

4.2 樣本選取方法

有云樣本判定方法：若云量觀測與云高標準器同時觀測到天頂有云，且標準器觀測云高不高于7500m則判定該時刻為天頂有云有效樣本，該時刻標準器觀測云高為該樣本標準云高。無云樣本判定方法：若云量觀測與云高標準器同時觀測到天頂無云，判定該時刻為天頂無云有效樣本。云高樣本選取方法：選取觀測時刻前后共十分鐘儀器觀測數據為一個樣本，十分鐘云高數據相加求均值作為該云高儀此時刻樣本云高。若該時段有大于5次缺測，判該樣本無效;若十分鐘內有部分記錄為天頂無云，則計算均值時應剔除無云數據;若整時間段內均為天頂無云記錄則判定該樣本云高儀觀測結果為無云。

4.3 數據準確性分析

云高準確性通過漏判率、誤判率與樣本合格率三方面綜合評判。漏判是指若被評估儀器將有云樣本判為無云，則判該儀器漏判，否則為合格無云樣本。漏判率=漏判次數/有云樣本數。誤判是指若被評估儀器將無云樣本判為有云，則判該儀器誤判。誤判率=誤判次數/無云樣本數。對標準器觀測7500m以下有云的樣本與無云樣本進行云高樣本合格率評估。在標準器觀測7500m以下有云的樣本中，若儀器輸出云高誤差（或云高相對誤差）符合功能規格書規定，則該樣本為有云合格樣本。

5 結語

近年來，中國氣象局氣象干部培訓學院安徽分院每年均開展氣象探測裝備保障技術培訓，逐步建立了基層綜合氣象觀測培訓云平臺、綜合氣象業務情景模擬培訓系統。本培訓系統設計方案可補充完善現有教學資源在氣象裝備保障技術方面的教學內容和培訓手段。建設激光云高儀基本檢測環境，保障多臺云高儀同時運行并具備基本光學性能檢測和觀測數據分析功能的培訓系統有助于氣象觀測技術人員熟悉新型大氣探測設備并提高運行維護質量。

參考文獻

[1] 中國氣象局綜合觀測司，《激光云高儀觀測規范（試行）》[EB/OL].北京：2012.

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