摘要：对云层信息的观测是世界气象组织规定的需要测定的气象要素之一。激光云高仪已在部分国家实现业务化观测。近年来，中国气象局正在推进激光云高仪的设备考核实验并发布了相关的规范性技术文件。为加强气象观测人员装备保障技术能力，本文提出激光云高仪培训系统设计方案，教学内容包括激光发射功率、光束发散角、接收器信号噪声等光学性能测试技术和观测数据样本选取及准确性分析方法。
关键词：气象;激光云高仪;装备保障;技术培训;数据分析
中图分类号：TN06;TH765 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0171-02
1 激光云高仪国内外应用现状
云是发生在高空的水汽凝结现象，由悬浮在大气中的微小水滴、冰晶微粒或二者混合的可见聚合物组成，对地球的辐射收支产生较大影响，也是影响飞机起飞、着陆和飞行安全最重要的气象要素之一。因此，云在天气系统发展、降水形成和大气辐射传输等物理过程以及国民经济的许多领域中都扮演着极其重要的角色。对云层信息的观测是世界气象组织规定的需要测定的气象因素之一。目前，我国气象部门对云高的观测主要还是依靠人工目测。近十年来，由于激光技术和光信号检测技术的快速提高，激光云高仪已发展成为和气溶胶激光雷达具有相近测量能力的光学遥感设备。例如，微脉冲激光云高仪采用低能量激光脉冲高频次发射技术，具有体积小、重量轻、分辨率高、探测距离远、实时在线和全天候监测等优点，最大可同时测量三至四层云，是较为理想的云层信息探测方法。芬兰Vaisala公司研制的CL31型、CL51型激光测云仪采用数字信号处理技术，具有高分辨率数据采集、实时和动态范围大等特点，已在多国气象、民航和科研等部门大范围应用。
2011年12月至2012年5月和2014年6月至2014年10月，中国气象局气象探测中心组织的云自动化观测设备考核数据，对激光云高仪观测数据进行质量控制研究。结果表明激光云高仪对稀疏、单薄的高云观测的准确性还有待提高。特殊天气现象下，如降水、雾霾天气等，激光云高仪观测的漏判、误判情况严重，建议云观测结合天气现象在特殊天气情况下，对激光云高仪的数据采取质量控制，将其置为可疑或缺测。
2012年和2013年，中国气象局综合观测司先后发布《激光云高仪功能规格需求书（试行版）》和《激光云高仪观测规范（试行）》，启动了我国气象部门云高自动化观测的进程。截至2015年，中國气象局已在9个地面气象观测自动化改革试点观测站安装不同型号的激光云高仪开展试运行工作。目前，我国气象部门还未建立起配套设施和测试功能较为齐全，可供长期使用并具备数据评估能力的激光云高仪装备保障技术培训系统。
2 激光云高仪观测原理和测量指标
激光云高仪基本组成包括高功率低发散角激光光源、光学发射与接收单元、光电探测组件、信号放大和电信号检测、机械调节单元、数据采集和控制器及算法软件等。通常，还配有吹风机和加热器等辅助设备以保证在恶劣天气条件下的正常工作。激光器发出高频窄带光脉冲，通过发射光学系统准直后垂直穿过大气，光学天线接收后向散射回波信号，经光电转换、前置放大和模数转换后，依据激光雷达方程，计算大气后向散射垂直廓线，通过云层识别算法，得到云底云高信息。激光云高仪系统主要组成部分结构如图1所示。
中国气象局《激光云高仪功能规格需求书》（试行版）的主要技术要求，云高测量范围 150～7500m，云高最小分辨力30m，固定目标物距离测量误差30m，可探测云层数≥3层。在水平能见度≥2km的条件下，云高<1km时，准确度为±200m，云高≥1km时，准确度为±20%。
3 激光云高仪技术培训系统的组成部分
培训系统包括可提供至少6台激光云高仪长期连续安全运行的观测实验场地、云量观测装置、光学性能检测装置。激光云高仪光学性能检测技术培训内容包括量程、可探测云层数、光束发散角、激光输出功率检测、接收单元信号噪声检测、固定目标物距离测量误差检测和数据准确性分析。
3.1 激光云高仪观测实验场地
依据《激光云高仪观测规范》（试行）相关要求，需要建设可同时保障6台的云高自动化观测系统运行的基础设施，包括混凝土基座、配电箱及电缆辐射屏蔽管道。混凝土基座为100cm×100cm×70cm（长宽深）。配电箱内含220V供电接口、多路直流供电单元、等电位接地端子、防雷模块及控制保护开关等，确保实验设备能长期连续不间断工作。
3.2 云量观测装置
可由2～3套全天空成像仪组成，观测可见光波段云图和云量信息，辅助判断激光云高仪漏报、误报情况。在不遮挡太阳光直射的情况下，自动记录完整的全天空云图，计算云量分布数据。测量地平线坐标，设定天顶角范围、地物屏蔽区域，避免观测实验场地周围固有遮蔽物对观测结果的影响。预留数据扩展接口，当云量双基点联合观测时，具备云高计算功能。
3.3 光学性能检测装置
按照《激光云高仪功能规格需求书》（试行版）和《激光云高仪观测规范》（试行）要求，实地教授基本光学特性参数检测技术，包括激光发射功率、光束发散角、接收器信号噪声、固定目标物距离测量误差。教学设备包括可升降式光学靶标、漫反射成像体、光束转向器、激光功率测量单元、红外成像仪、光斑分析器等。主要检测方法如下所述。
3.3.1 测量范围检测
激光云高仪的量程的业务要求为最大值7500米，最小值150米。通过观测最大值判断上限量程，通过固定目标物检测下限量程。
3.3.2 激光发散角检测
若光学发射单元平行度降低，将使得信号光束能量密度过快减小，降低云高最大探测高度。使用散射体像屏和红外成像仪，几何边缘检测和圆周检测算法，计算光斑尺寸，测量光束发散角。
3.3.3 接收单元信号噪声检测
检测分为两步。先中止仪器激光器发射部分工作，将接收望远镜用不透光盖子盖住，若发射与接收共用一套光学系统则盖住整个光学系统，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。再分别在激光光源开启和关闭时，使用微弱电流检测装置进行暗电流检测。利用八位半高精度数字多用表，检测光电流噪声。
3.3.4 固定目标物距离测量误差检测
检测激光云高仪的测量精确度和距离分辨力。设立150米和300米两处靶点，配套激光云高仪升降载台和光学合作靶标。光学合作靶标为反射强度可调的角反射器和散射屏，高度可调，距离待检测设备水平直线距离200米-300米处，位置点需精确测量。
4 数据分析算法
有研究资料指出，降水或阴天天气时，云的高度一般很低;云都有日变化，高云族变化较小，低云族变化较大。培训细可综合设备状态信息、云图和其他气象要素数据，对云高观测结果进行分类。云高观测数据可信、疑误、缺测类别分析方法包括以下方面。
（1）读取设备自身提供的状态信息，如光源强度、镜头污染程度、接收器信号强度等，对照技术参数，判断设备工作状态是否正常。
（2）采集全天空成像仪云量信息，判断待测设备观测结果是否为疑误或缺测。
（3）天气现象仪、能见度仪、雨量传感器的观测数据进行数据集成，建立判断模型。
4.1 云高标准值确定方法
云量观测对天顶有无云进行判定;若有云，参照云高参考标准器观测结果，确定标准云高。气溶胶激光雷达作为参考标准器，其他两台不同型号的激光云高仪作为参考设备。若两类设备观测差值在合理范围内，以气溶膠激光雷达十分钟平均值为标准云高;若差异较大，观测数据不作为有效分析样本。
4.2 样本选取方法
有云样本判定方法：若云量观测与云高标准器同时观测到天顶有云，且标准器观测云高不高于7500m则判定该时刻为天顶有云有效样本，该时刻标准器观测云高为该样本标准云高。无云样本判定方法：若云量观测与云高标准器同时观测到天顶无云，判定该时刻为天顶无云有效样本。云高样本选取方法：选取观测时刻前后共十分钟仪器观测数据为一个样本，十分钟云高数据相加求均值作为该云高仪此时刻样本云高。若该时段有大于5次缺测，判该样本无效;若十分钟内有部分记录为天顶无云，则计算均值时应剔除无云数据;若整时间段内均为天顶无云记录则判定该样本云高仪观测结果为无云。
4.3 数据准确性分析
云高准确性通过漏判率、误判率与样本合格率三方面综合评判。漏判是指若被评估仪器将有云样本判为无云，则判该仪器漏判，否则为合格无云样本。漏判率=漏判次数/有云样本数。误判是指若被评估仪器将无云样本判为有云，则判该仪器误判。误判率=误判次数/无云样本数。对标准器观测7500m以下有云的样本与无云样本进行云高样本合格率评估。在标准器观测7500m以下有云的样本中，若仪器输出云高误差（或云高相对误差）符合功能规格书规定，则该样本为有云合格样本。
5 结语
近年来，中国气象局气象干部培训学院安徽分院每年均开展气象探测装备保障技术培训，逐步建立了基层综合气象观测培训云平台、综合气象业务情景模拟培训系统。本培训系统设计方案可补充完善现有教学资源在气象装备保障技术方面的教学内容和培训手段。建设激光云高仪基本检测环境，保障多台云高仪同时运行并具备基本光学性能检测和观测数据分析功能的培训系统有助于气象观测技术人员熟悉新型大气探测设备并提高运行维护质量。
参考文献
[1] 中国气象局综合观测司，《激光云高仪观测规范（试行）》[EB/OL].北京：2012.
[2] 中国气象局综合观测司，《激光云高仪功能规格需求书（试行版）》[EB/OL].北京：2013.
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