DNQ1型能見度儀校準(zhǔn)方法研究

李國華 李中華 金健強(qiáng)

(1.黃岡市氣象局 黃岡 438000;2.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心 武漢 430074)

隨著地面氣象觀測自動(dòng)化業(yè)務(wù)的不斷推進(jìn)，能見度觀測從人工觀測全面轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化觀測，可自動(dòng)判別如輕霧、霧、霾等視程障礙天氣現(xiàn)象[1]，減輕了觀測員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了人工因素引起的誤差[2]。為保證能見度自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，夏冬等分析了人工觀測與自動(dòng)觀測的能見度資料的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差等，并對(duì)自動(dòng)觀測資料進(jìn)行了訂正[3]。朱樂坤等分析了前向散射能見度儀的測量誤差來源、產(chǎn)生測量誤差原因及誤差模型，歸納了前向散射能見度儀出廠標(biāo)定方法、標(biāo)定參數(shù)及標(biāo)定參數(shù)修正方法，提出了前向散射能見度儀的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定條件和方法，梳理了前向散射能見度儀現(xiàn)場光學(xué)裝置校準(zhǔn)、校準(zhǔn)板校準(zhǔn)及人工校準(zhǔn)方法[4]。王敏等進(jìn)行了前向散射式能見度儀示值對(duì)比及標(biāo)定方法研究，對(duì)3個(gè)國產(chǎn)廠家的前向散射式能見度儀進(jìn)行檢測，對(duì)比了能見度儀示值的一致程度，分析了影響示值偏差的原因。提出了標(biāo)定廠家系統(tǒng)常數(shù)以減少測量誤差的方法[5]。王緬等提出了一種利用標(biāo)準(zhǔn)漫透射板校準(zhǔn)系統(tǒng)傳遞系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)[6]。張健等建立了定標(biāo)系統(tǒng)裝調(diào)光學(xué)模型，并提出由拋物面反射鏡與全景成像能量檢測系統(tǒng)相對(duì)位置裝調(diào)以及拋物面反射鏡與低反射率球形屏幕系統(tǒng)相對(duì)位置裝調(diào)組成的定標(biāo)系統(tǒng)裝調(diào)方案[7]。王韜等研究了前散射能見度儀標(biāo)定原理及方法，分析了標(biāo)定誤差生產(chǎn)原因，說明了標(biāo)定測試時(shí)需注意的問題[8-9]。

2015年底，黃岡市所轄10個(gè)國家地面觀測站全部升級(jí)為以新型自動(dòng)氣象站及能見度、天氣現(xiàn)象儀、日照、輻射等觀測設(shè)備為核心的自動(dòng)化觀測系統(tǒng)和綜合集成硬件控制器組成的地面氣象觀測自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)[10]。其中自動(dòng)能見度型號(hào)均為DNQ1型前向散射能見度儀，新型自動(dòng)氣象站有DZZ4與DZZ5兩種型號(hào)，能見度儀接入地面氣象觀測自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)的方式有兩種：一種是直接接入新型自動(dòng)站主采集器，其中1站接入HY3000主采集器，2站接入WUSH-BH主采集器，傳感器及加熱裝置的供電由主采集箱提供，備有蓄電池，在交流電中斷時(shí)可延時(shí)供電；另一種是為獨(dú)立能見度度采集系統(tǒng)(有7站)，通過能見度分采集器處理，傳感器及加熱裝置的供電由能見度供電電源提供。為了保證地面氣象臺(tái)站能見度自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的可比較性和準(zhǔn)確性，本文對(duì)不同型號(hào)新型自動(dòng)站掛接同一型號(hào)能見度儀和同一型號(hào)能見度儀在新型自動(dòng)站不同掛接方式的校準(zhǔn)方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，提出校準(zhǔn)步驟和方法，指導(dǎo)臺(tái)站定期維護(hù)和校準(zhǔn)能見度儀設(shè)備。為能見度預(yù)報(bào)，提供及時(shí)、準(zhǔn)確的氣象能見度觀測數(shù)據(jù)。

1 DNQ1型能見度儀結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 DNQ1型能見度儀結(jié)構(gòu)

DNQ1型能見度儀傳感器是基于大氣中的顆粒物的前向散射原理而設(shè)計(jì)的[11]，是繼透射式能見度儀后發(fā)展起來的新一代氣象能見度監(jiān)測設(shè)備，其特點(diǎn)：精確測量、集成度高、易于安裝維護(hù)。DNQ1前向散射式能見度儀由發(fā)射器、接收器、電源/控制器、采集器和機(jī)架等部分組成。其中發(fā)射器和接收器兩部分，是能見度儀的核心部分(圖1)。

圖1 DNQ1前向散射式能見度儀注：①變送器/發(fā)射器，②控制器/接收器，③空白面板，④管中的Pt100溫度傳感器，⑤安裝座，⑥護(hù)罩式加熱器(可選)，⑦亮度傳感器PWL111(可選)的位置

1.2 DNQ1型能見度儀測量原理

前向散射式能見度儀是一種光學(xué)傳感器，用于測量能見度(氣象光學(xué)距離/MOR)。該儀器使用前向散射測量原理測量能見度，直徑處于光波長數(shù)量級(jí)的顆粒會(huì)散射光，散射量與光束的稀薄程度成正比。較大顆粒的行為與反射器和折射器相同，但其對(duì)MOR的影響必須單獨(dú)處理。通常這些顆粒是降水水滴。能見度儀可以根據(jù)光學(xué)信號(hào)檢測和測量降水水滴，并使用該信息進(jìn)行處理，得出散射測量的結(jié)果，通過轉(zhuǎn)換函數(shù)可將散射結(jié)果轉(zhuǎn)換成能見度。

發(fā)射器通過紅外發(fā)光管，產(chǎn)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(qū)內(nèi)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(zhuǎn)換為與大氣能見度成反比關(guān)系的電信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)處理后送至控制器的數(shù)據(jù)采集板，經(jīng)CPU取樣和計(jì)算得到采樣區(qū)內(nèi)大氣的特定方向的前向散射光的強(qiáng)度值，由此估算出總的散射量(與儀器的結(jié)構(gòu)決定的采樣角度有關(guān))，從而得到透過量，由此計(jì)算得到大氣能見度的值。探測原理[12](圖2)。

圖2 前向散射式能見度儀探測原理圖

1.3 DNQ1型能見度儀技術(shù)指標(biāo)

2 能見度儀校準(zhǔn)

DNQ1型能見度儀在出廠時(shí)已進(jìn)行了校準(zhǔn)，對(duì)DNQ1型能見度儀進(jìn)行周期校準(zhǔn)，是為了確保能見度儀在長期使用過程中觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

目前臺(tái)站常用的校準(zhǔn)方法是校準(zhǔn)板校準(zhǔn)[12]。使用PWA12校準(zhǔn)板對(duì)能見度傳感器進(jìn)行定期校準(zhǔn)，校準(zhǔn)板是兩塊經(jīng)過打磨的毛玻璃，具有已知的散射系數(shù)，安裝在前向散射能見度儀的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間。發(fā)射機(jī)發(fā)出的紅外光輻射，通過校準(zhǔn)板的散射到達(dá)接收機(jī)。由于其散射系數(shù)是已知的，通過接收機(jī)的接收和電路轉(zhuǎn)換，就可以轉(zhuǎn)換成能見距離。

2.1 校準(zhǔn)前準(zhǔn)備工作

為了不受大氣中自然散射粒子的影響，通常選擇天氣條件好，能見度大于10 km環(huán)境條件。前向散射能見度儀探測部分不應(yīng)有陽光照射，以免受背景噪聲的影響使輸出信號(hào)不穩(wěn)定；不應(yīng)在雨天進(jìn)行校準(zhǔn)，以免雨滴濺落在校準(zhǔn)板上產(chǎn)生校準(zhǔn)誤差。

使用專業(yè)工具清潔前向散射能見度儀鏡頭，并檢查遮光板、散光板和衰減器，確定沒有破損、磨損等情況，并確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行正常后，開始現(xiàn)場檢測校準(zhǔn)工作。

2.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)

2.2.1 硬件連接方法

無論能見度儀是通過主采集器接入還是獨(dú)立接入，校準(zhǔn)均可采用輸出接口Rx-232方式來實(shí)現(xiàn)。校準(zhǔn)前場外接線工作是將能見度傳感器串口輸出Tx(綠)、Rx(黃)和地線(灰)與筆記本電腦串口連接(沒有串口的電腦可用USB轉(zhuǎn)串口的連接線)。接線方法：黃色至DB9/3：TxD RS-232；綠色至DB9/2 RxD RS-232；灰色至PC5/9：GND(圖3)。

圖3 現(xiàn)場能見度傳感器與電腦直連接線圖

2.2.2 校準(zhǔn)流程及步驟

能見度儀校準(zhǔn)要在整點(diǎn)以后5 min開始，以避免能見度小時(shí)數(shù)據(jù)的缺測。整點(diǎn)5 min后在地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件(ISOS)中選擇“設(shè)備管理”-“設(shè)備標(biāo)定”-選擇能見度傳感器-“開始標(biāo)定”，標(biāo)定結(jié)束后“結(jié)束標(biāo)定”，記住開始標(biāo)定和結(jié)束標(biāo)定時(shí)間，并填寫觀測站能見度儀現(xiàn)場核查記錄表。

(1)獨(dú)立能見度校準(zhǔn)流程：獨(dú)立能見度采集系統(tǒng)，測量結(jié)果通過能見度分采集器處理，再通過串口服務(wù)器接入電腦(圖4)，校準(zhǔn)方法比較簡潔。

圖4 獨(dú)立能見度接線圖

①接線及串口通信參數(shù)設(shè)置：先將能見度分采斷電，將能見度傳感器串口輸出線從能見度機(jī)箱接線排取下，按照圖3的接線方式接好。確認(rèn)硬件連接正確后設(shè)置串口通信參數(shù)，便可通過串口調(diào)試助手或超級(jí)終端進(jìn)行校準(zhǔn)。本文是通過超級(jí)終端進(jìn)行校準(zhǔn)。

設(shè)置串口通信參數(shù)：

-9600波特

-偶校驗(yàn)(E)

-7個(gè)數(shù)據(jù)位

-1個(gè)停止位

②校準(zhǔn)步驟：接通能見度分采供電電源，打開超級(jí)終端，超級(jí)終端顯示能見度儀型號(hào)、版本號(hào)、日期、序列號(hào)(例如：VAISALA PWD50 V 2.05 2021-03-27 SN:L2750397)；

輸入open命令，打開通信，將PWA12校準(zhǔn)板提供的黑色阻塞片放置在接收機(jī)護(hù)罩內(nèi)，擋住光路，等待30秒，返回信號(hào)值35000(設(shè)備上限值)，表示光路已經(jīng)被全部阻止(若返回值小于35000，則視為設(shè)備異常，需更換設(shè)備，終止操作)；

輸入命令：ZERO，返回值為ZERO SIGNAL：OK，表示己把35000設(shè)為ZERO值，將黑色阻塞片從光學(xué)通道移開；

安裝不透明標(biāo)準(zhǔn)玻璃片，將RECEIVER和TRANSMITTER分別固定在傳感器的接收和發(fā)射兩端的護(hù)罩上(圖5)，切不可安裝反了，確保收發(fā)光路上沒有任何的障礙物，同時(shí)記錄下玻璃片上印著的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值(例如496)，安裝完成等30 s，輸入CHEC，等返回值穩(wěn)定后讀取返回的信號(hào)值。返回的信號(hào)值必須與標(biāo)準(zhǔn)片上的值接近，誤差小于或等于10%為合格，否則需用CAL命令進(jìn)行標(biāo)定。按ESC鍵終止CHEC命令。

圖5 不透明玻璃片安裝圖

誤差計(jì)算公式為：(輸出值-標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值×100%。

若誤差的絕對(duì)值大于10.0%，則用CAL命令進(jìn)行校準(zhǔn)(校準(zhǔn)后誤差仍然大于10%的，則應(yīng)進(jìn)行維修)，輸入CAL ***，***是指不透明標(biāo)準(zhǔn)玻璃片上印著的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值，例如校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值為496，則輸入CAL 496進(jìn)行校準(zhǔn)，再檢查CHEC后面的數(shù)據(jù)返回值，直到滿足要求。

校準(zhǔn)完畢后輸入CLOSE命令關(guān)閉通信恢復(fù)觀測。如果檢查過程等候時(shí)間過長，出現(xiàn)通道關(guān)閉LINE CLOSED提示，可用OPEN打開通道。

(2)接入HY3000主采集器能見度儀的校準(zhǔn)方法

能見度儀直接接入HY3000主采集器，該能見度儀有獨(dú)立的供電系統(tǒng)，通過接線排接入HY3000主采集器RS232-4端口(圖6)。

圖6 HY3000主采集器接線圖

校準(zhǔn)時(shí)首先斷開能見度供電電源，將能見度串口信號(hào)線從接線排上取下，按圖3方式接線，設(shè)置串口通信參數(shù)，然后接通能見度供電電源，打開超級(jí)終端，校準(zhǔn)步驟與獨(dú)立能見度校準(zhǔn)步驟相同。

(3)接入WUSH-BH主采集器能見度儀校準(zhǔn)方法

能見度儀直接接入WUSH-BH主采集器，該能見度儀有獨(dú)立的供電系統(tǒng)，通過RS-485輸出信號(hào)線接入WUSH-BH主采集器能見度端口(圖7)。

圖7 WUSH-BH主采集器接線圖

因USB轉(zhuǎn)串口線只有RS-232模式，如果通過RS-485接口輸出方式校準(zhǔn)，需要購買一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊。本文仍使用RS-232串口線黃(Rx)、綠(Tx)、灰(G)來進(jìn)行校準(zhǔn)。接線方式如圖3，但是串口通信參數(shù)設(shè)置為：

-4800波特

-無校驗(yàn)(N)

-8個(gè)數(shù)據(jù)位

-1個(gè)停止位

校準(zhǔn)時(shí)首先斷開能見度供電電源，將能見度串口信號(hào)線串口線黃(Rx)、綠(Tx)、灰(G)找出(備用信號(hào)線)，按圖3方式接線，然后接通能見度供電電源，打開超級(jí)終端，校準(zhǔn)步驟與獨(dú)立能見度校準(zhǔn)步驟相同。

2.3 室內(nèi)校準(zhǔn)

室內(nèi)遠(yuǎn)程標(biāo)定方法只適用于對(duì)DZZ5自動(dòng)站能見度儀，無需在室外接線，通過能見度數(shù)據(jù)采集傳輸室內(nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。校準(zhǔn)同樣使用超級(jí)終端、串口助手或ISOS軟件進(jìn)行。此方法不推薦臺(tái)站使用，但可作為臺(tái)站參考。筆者使用該方法校準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，打開能見度串口模式會(huì)影響DZZ5自動(dòng)站數(shù)據(jù)的傳輸。

在ISOS軟件選擇“設(shè)備管理”-“設(shè)備標(biāo)定”-選擇能見度傳感器-“開始標(biāo)定”，在“設(shè)備管理”-“維護(hù)終端”-“選擇能見度傳感器串口處理”打開能見度串口調(diào)試模式OPENCHANNEL1!，將將PWA12校準(zhǔn)板提供的黑色阻塞片放置在接收機(jī)護(hù)罩內(nèi)，擋住光路，等待30秒，輸入命令：ZERO返回值為：ZERO SIGNAL：OK

校準(zhǔn)步驟與室外校準(zhǔn)獨(dú)立能見度相同。校準(zhǔn)完畢后輸入CLOSECHANNEL1!命令關(guān)閉串口調(diào)試模式，結(jié)束標(biāo)定恢復(fù)觀測，用READDATA讀取能見度數(shù)據(jù)檢查是否正常。

2.4 校準(zhǔn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

黃岡市10個(gè)國家觀測站目前都安裝了DNQ1型能見度儀并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，根據(jù)能見度計(jì)量業(yè)務(wù)要求對(duì)能見度儀進(jìn)行了一次現(xiàn)場核查，從表1可以看出有4個(gè)臺(tái)站能見度儀校準(zhǔn)前誤差較大，對(duì)這些誤差較大的儀器進(jìn)行了校準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)其他誤差較小的儀器也進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后能見度儀的相對(duì)誤差明顯降低。

表1 前向散射式能見度傳感器技術(shù)指標(biāo)

表1 能見度儀校準(zhǔn)前后相對(duì)誤差

3 結(jié)語

能見度儀投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，是推進(jìn)地面氣象觀測自動(dòng)化的重要手段，對(duì)能見度儀進(jìn)行定期校準(zhǔn)，有利于保障能見度儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)，能見度儀容易受周圍環(huán)境影響，校準(zhǔn)時(shí)，要避人員在觀測場內(nèi)走動(dòng)，移開對(duì)能見度儀有影響的物體。確保能見度儀在校準(zhǔn)時(shí)波動(dòng)較低，減少影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的各類因素。