激光云高儀氣象裝備保障技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guī)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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化觀測。近年來，中國氣象局正在推進(jìn)激光云高儀的設(shè)備考核實(shí)驗(yàn)并發(fā)布了相關(guān)的規(guī)范性技術(shù)文件。為加強(qiáng)氣象觀測人員裝備保障技術(shù)能力，本文提出激光云高儀培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，教學(xué)內(nèi)容包括激光發(fā)射功率、光束發(fā)散角、接收器信號噪聲等光學(xué)性能測試技術(shù)和觀測數(shù)據(jù)樣本選取及準(zhǔn)確性分析方法。

關(guān)鍵詞：氣象;激光云高儀;裝備保障;技術(shù)培訓(xùn);數(shù)據(jù)分析

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

1 激光云高儀國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

云是發(fā)生在高空的水汽凝結(jié)現(xiàn)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(chǎn)生較大影響，也是影響飛機(jī)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(tǒng)發(fā)展、降水形成和大氣輻射傳輸?shù)任锢磉^程以及國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)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(guī)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(shù)和光信號檢測技術(shù)的快速提高，激光云高儀已發(fā)展成為和氣溶膠激光雷達(dá)具有相近測量能力的光學(xué)遙感設(shè)備。例如，微脈沖激光云高儀采用低能量激光脈沖高頻次發(fā)射技術(shù)，具有體積小、重量輕、分辨率高、探測距離遠(yuǎn)、實(shí)時在線和全天候監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)字信號處理技術(shù)，具有高分辨率數(shù)據(jù)采集、實(shí)時和動態(tài)范圍大等特點(diǎn)，已在多國氣象、民航和科研等部門大范圍應(yīng)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(shè)備考核數(shù)據(jù)，對激光云高儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制研究。結(jié)果表明激光云高儀對稀疏、單薄的高云觀測的準(zhǔn)確性還有待提高。特殊天氣現(xiàn)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(yán)重，建議云觀測結(jié)合天氣現(xiàn)象在特殊天氣情況下，對激光云高儀的數(shù)據(jù)采取質(zhì)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(fā)布《激光云高儀功能規(guī)格需求書（試行版）》和《激光云高儀觀測規(guī)范（試行）》，啟動了我國氣象部門云高自動化觀測的進(jìn)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(diǎn)觀測站安裝不同型號的激光云高儀開展試運(yùn)行工作。目前，我國氣象部門還未建立起配套設(shè)施和測試功能較為齊全，可供長期使用并具備數(shù)據(jù)評估能力的激光云高儀裝備保障技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 激光云高儀觀測原理和測量指標(biāo)

激光云高儀基本組成包括高功率低發(fā)散角激光光源、光學(xué)發(fā)射與接收單元、光電探測組件、信號放大和電信號檢測、機(jī)械調(diào)節(jié)單元、數(shù)據(jù)采集和控制器及算法軟件等。通常，還配有吹風(fēng)機(jī)和加熱器等輔助設(shè)備以保證在惡劣天氣條件下的正常工作。激光器發(fā)出高頻窄帶光脈沖，通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后垂直穿過大氣，光學(xué)天線接收后向散射回波信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，依據(jù)激光雷達(dá)方程，計(jì)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(tǒng)主要組成部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

3 激光云高儀技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的組成部分

培訓(xùn)系統(tǒng)包括可提供至少6臺激光云高儀長期連續(xù)安全運(yùn)行的觀測實(shí)驗(yàn)場地、云量觀測裝置、光學(xué)性能檢測裝置。激光云高儀光學(xué)性能檢測技術(shù)培訓(xùn)內(nèi)容包括量程、可探測云層數(shù)、光束發(fā)散角、激光輸出功率檢測、接收單元信號噪聲檢測、固定目標(biāo)物距離測量誤差檢測和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析。

3.1 激光云高儀觀測實(shí)驗(yàn)場地

依據(jù)《激光云高儀觀測規(guī)范》（試行）相關(guān)要求，需要建設(shè)可同時保障6臺的云高自動化觀測系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)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(nèi)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(hù)開關(guān)等，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備能長期連續(xù)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(jì)算云量分布數(shù)據(jù)。測量地平線坐標(biāo)，設(shè)定天頂角范圍、地物屏蔽區(qū)域，避免觀測實(shí)驗(yàn)場地周圍固有遮蔽物對觀測結(jié)果的影響。預(yù)留數(shù)據(jù)擴(kuò)展接口，當(dāng)云量雙基點(diǎn)聯(lián)合觀測時，具備云高計(jì)算功能。

3.3 光學(xué)性能檢測裝置

按照《激光云高儀功能規(guī)格需求書》（試行版）和《激光云高儀觀測規(guī)范》（試行）要求，實(shí)地教授基本光學(xué)特性參數(shù)檢測技術(shù)，包括激光發(fā)射功率、光束發(fā)散角、接收器信號噪聲、固定目標(biāo)物距離測量誤差。教學(xué)設(shè)備包括可升降式光學(xué)靶標(biāo)、漫反射成像體、光束轉(zhuǎn)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(yè)務(wù)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(biāo)物檢測下限量程。

3.3.2 激光發(fā)散角檢測

若光學(xué)發(fā)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(jì)算光斑尺寸，測量光束發(fā)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(fā)射部分工作，將接收望遠(yuǎn)鏡用不透光蓋子蓋住，若發(fā)射與接收共用一套光學(xué)系統(tǒng)則蓋住整個光學(xué)系統(tǒng)，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。再分別在激光光源開啟和關(guān)閉時，使用微弱電流檢測裝置進(jìn)行暗電流檢測。利用八位半高精度數(shù)字多用表，檢測光電流噪聲。

3.3.4 固定目標(biāo)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(shè)立150米和300米兩處靶點(diǎn)，配套激光云高儀升降載臺和光學(xué)合作靶標(biāo)。光學(xué)合作靶標(biāo)為反射強(qiáng)度可調(diào)的角反射器和散射屏，高度可調(diào)，距離待檢測設(shè)備水平直線距離200米-300米處，位置點(diǎn)需精確測量。

4 數(shù)據(jù)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(xùn)細(xì)可綜合設(shè)備狀態(tài)信息、云圖和其他氣象要素數(shù)據(jù)，對云高觀測結(jié)果進(jìn)行分類。云高觀測數(shù)據(jù)可信、疑誤、缺測類別分析方法包括以下方面。

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

（2）采集全天空成像儀云量信息，判斷待測設(shè)備觀測結(jié)果是否為疑誤或缺測。

（3）天氣現(xiàn)象儀、能見度儀、雨量傳感器的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，建立判斷模型。

4.1 云高標(biāo)準(zhǔn)值確定方法

云量觀測對天頂有無云進(jìn)行判定;若有云，參照云高參考標(biāo)準(zhǔn)器觀測結(jié)果，確定標(biāo)準(zhǔn)云高。氣溶膠激光雷達(dá)作為參考標(biāo)準(zhǔn)器，其他兩臺不同型號的激光云高儀作為參考設(shè)備。若兩類設(shè)備觀測差值在合理范圍內(nèi)，以氣溶膠激光雷達(dá)十分鐘平均值為標(biāo)準(zhǔn)云高;若差異較大，觀測數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)器同時觀測到天頂有云，且標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)器觀測云高為該樣本標(biāo)準(zhǔn)云高。無云樣本判定方法：若云量觀測與云高標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)為一個樣本，十分鐘云高數(shù)據(jù)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(nèi)有部分記錄為天頂無云，則計(jì)算均值時應(yīng)剔除無云數(shù)據(jù);若整時間段內(nèi)均為天頂無云記錄則判定該樣本云高儀觀測結(jié)果為無云。

4.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析

云高準(zhǔn)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(shù)/有云樣本數(shù)。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(shù)/無云樣本數(shù)。對標(biāo)準(zhǔn)器觀測7500m以下有云的樣本與無云樣本進(jìn)行云高樣本合格率評估。在標(biāo)準(zhǔn)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(guī)格書規(guī)定，則該樣本為有云合格樣本。

5 結(jié)語

近年來，中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院每年均開展氣象探測裝備保障技術(shù)培訓(xùn)，逐步建立了基層綜合氣象觀測培訓(xùn)云平臺、綜合氣象業(yè)務(wù)情景模擬培訓(xùn)系統(tǒng)。本培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可補(bǔ)充完善現(xiàn)有教學(xué)資源在氣象裝備保障技術(shù)方面的教學(xué)內(nèi)容和培訓(xùn)手段。建設(shè)激光云高儀基本檢測環(huán)境，保障多臺云高儀同時運(yùn)行并具備基本光學(xué)性能檢測和觀測數(shù)據(jù)分析功能的培訓(xùn)系統(tǒng)有助于氣象觀測技術(shù)人員熟悉新型大氣探測設(shè)備并提高運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 中國氣象局綜合觀測司，《激光云高儀功能規(guī)格需求書（試行版）》[EB/OL].北京：2013.

[3] 中國氣象局氣象探測中心，《云高儀外場檢驗(yàn)評估方案》[EB/OL].北京：2014.

[4] 李肖霞，王柏林，郭偉等.激光云高儀試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析[J].氣象，2016，42（6）：764-769.

[5] 王青梅，張以謨，劉鐵根，等.一種便攜式激光測云儀的云底高度反演方法[J].強(qiáng)激光與離子束，2005，17（9）：1312-1316.