广州市气象建设方案

灰霾和雾监测网的建设内容和技术要求

一、主要功能

灰霾和雾监测网能监测大气能见度的变化以及大气边界层中逆温层的变化，为城市能见度和雾霾的监测预报提供条件。

主要功能包括整层大气气溶胶光学特性观测、近地层气溶胶物理和化学特性观测、近地面层气象参数观测等。其主要功能是实时给出与灰霾发生发展密切相关的各类气象观测数据,包括灰霾的气象条件和灰霾光学厚度的空间分布、灰霾粒子的谱分布、气溶胶化学成分和大气能见度等大气环境观测数据。

二、主要建设内容

1．激光雷达

激光雷达是监测大气中云滴和气溶胶浓度变化的主要工具。

2．水平能见度仪

水平能见度仪是一种光、机、电一体化的全自动大气能见度仪器。

3．垂直能见度仪

垂直能见度仪又称为太阳光度计，是一种全自动多波段太阳辐射计，是测量天空混浊程度的主要设备。

4．系留气球探测仪

系留气球是一种无人低空信息平台，它借助于气球浮力漂浮在空中。在气球缆索的各个节点上装置气象要素感应器，可完成晴好天气下1公里以下大气各层气象参数的探测任务。

三、各子系统功能设计

1、激光雷达

（1）激光雷达主要功能说明

激光雷达是监测大气中云滴和气溶胶浓度变化的主要工具。微脉冲激光雷达在计算机设定好各个系统工作参数后，在无人看护的情况下，可以连续地对大气进行探测。计算机存储光子计数器采集的数据，并实时显示激光大气回波的时空分布。通过对激光雷达回波信号的分析，可以得到气溶胶消光系数的高度分布廓线。夜晚时MPL的探测高度可达15km；白天因为天空背景辐射太强（通常比夜晚要大三个量级），虽然MPL采用了小接收视场、窄带滤光片等多项技术来抑制天空背景辐射，但探测高度仍有所降低，为6km左右。

（2）激光雷达系统结构设计

硬件结构：

微脉冲激光雷达（MPL）采用同轴光学系统，主要由光学传输单元、激光器电源、光子计数及控制器和主控计算机四个部分组成。

图1是微脉冲激光雷达（MPL）的系统框图。光学传输单

元内的Nd:YLF激光器发射523nm激光，经光束分束片、目镜、发射望远镜扩束发射到大气中，接收望远镜接收大气或云的后向散射回波经目镜、光束分束片、会聚透镜会聚在探测器APD上，光子计数器对APD信号进行采集、储存，最后计算机对数据进行平均、储存，并实时显示数据结果。

OT: 光学传输单元；BS：光束分束片；

D：雪崩光二极管（APD）； OC：目镜；H：会聚透镜。

（图1）微脉冲激光雷达（MPL）系统框图

图2是MPL运行时主控计算机的显示状态。图中，左上图为MPL的控制参数显示；左下图为背景值的时间分布；右上图为信号-高度图；右下图为信号-高度时间图。

图2 工作时主控计算机显示状态

软件结构：

激光雷达资料处理软件包括数据订正、求解雷达方程并得到气溶胶高度分布廓线2个部分。

（3）微脉冲激光雷达观测系统工艺技术要求

1）观测场地

微脉冲雷达需要安装在稳定干燥的环境中，雷达透镜外光路必须保证无遮挡。具体安装要求见微脉冲雷达安装手册。

2）观测平台

观测平台的要求与太阳辐射计相同。

3）供电及防雷要求

供电电源要求：电压为220V，频率为50Hz。电线、电路以及相应电气设备的架设需要符合电力部门要求，具有良好接地。供电质量要求可靠，观测站内配备总的电源稳压器，保证站

内供电的电压波动不超过5%，如供电指标达不到要求，则应安

装稳压设备。

4）通讯设施的要求

具有数据传送手段，能够进行国内通讯。通讯符合国家通讯标准。数据传送通过VSAT通讯系统进行。

5）仪器性能要求

采用二极管泵浦的Nd:YLF激光器，使得激光雷达体积小、重量轻，MPL整个系统的总重量仅50公斤，这给外场实验带来了很大的便利；激光器单脉冲能量低（约10uJ），可以防止激光灼伤人眼；激光脉冲重复频率很高，达2500Hz，这么高的重复频率可以有效地提高激光雷达探测的信噪比。微脉冲激光雷达信号接收和数据采集系统更为先进。其接收光学系统的视场仅为100μrad，滤光片带宽也仅0.1nm。这样，可以有效地抑制白天探测时的天空背景辐射。光电探测器为雪崩型光二极管，其量子效率高达50%；数据采集为光子计数方式。微脉冲激光雷达主要性能指标如下：

激光器：二极管泵浦Nd:YLF

工作波长(nm): 523.5

单脉冲输出能量(μJ): 10

脉冲重复频率(Hz): 2500

光束发散角(μrad): 50

脉冲宽度(ns): 10

接收望远镜：卡塞格林型(施米特-卡塞格伦) 直径(cm): 20

视场(μrad): 100

滤光片带宽(nm): 0.1

探测器：Geiger雪崩光二极管

量子效率：50%

数据采集系统：EG&G光子计数器

（APD）

空间分辨率(m) 30, 75, 150, 300

数据传输：PC-DIO-24平行I/O 工作界面：Windows’95

（4）激光雷达系统安装设计

为了保障微脉冲雷达稳定正常的工作，需要建造小型激光雷达室。雷达室分内室（用于安装设备，东西长3米，南北宽2米）和外室（用于更衣及阻隔进出房间时的风沙，纵深1.5米，内外室高度均为2.5米）两部分。屋内为水泥地面，铺化纤地毯。为了减少由于室内外温差所造成的冷凝水，房屋外墙壁厚度应该大于50cm，屋顶采用双层铝塑板加20CM泡沫塑料的结构以保证其良好的可加工性（以便加工观测窗）和保温性。屋顶西南角距南墙40cm、距西墙50cm（与圆心位置）处开一个直径30cm 圆洞向外接20cm“烟囱”作为观测窗，“烟囱”与屋顶保证密闭连接，其内壁涂黑以最大限度地减小反光。“烟囱”加盖，盖与“烟囱”以不锈钢合叶连接，“盖”窝边以防风沙吹入。房屋外面西墙安装简单扶梯以便开启观测窗时使用。雷达室内室北侧开窗，东侧靠北开内室门，东墙靠南开室外门。窗底离地0.8米，窗宽1.2米、高1米，采用整窗双层铝合金结构以确保良好的密闭性。两扇房门均为0.8X1.8米，要求具有良好的密闭性。内外房间屋顶中央配有照明灯，为了给激光雷达、计算机、吸尘器、空调等提供电源，内室配有2千瓦插座两个、200瓦插座4个。空调选用1.5P冷暖机，此外，还需配备电暖气一台以备急用。为了保证室内的洁净，需要配备600瓦吸尘器和吹风机以便每日吸尘。激光雷达支架将根据具体要求制作。内室西南角砌高80cm，宽70X70cm水泥台，电源插座就近安装，内室西墙南角距南墙40cm、距顶30cm处预留直径10mm、长50mm螺栓一支。