新型自动气象站能见度数据异常分析处理

（新疆石河子乌兰乌苏农业气象试验站，石河子市，832000） 王啸天 樊新艳

自动气象站作为常规的气象观测站,在地面气象观测业务系统中得到了广泛的运用,各类观测仪器和传感器更是自动站的核心,为采集数据的准确性、高速性和存储数据的安全性都提供了坚实的基础。能见度传感器在气象探测中的应用十分重要且极为广泛，目前国内各气象站普遍使用的为DNQ1前向散射式能见度仪，尤发射器、接收器、电源、控制器、采集器和机架等部分组成。

1 DNQ1前向散射式能见度仪探测原理

DNQ1前向散射式能见度仪由发射器、接收器、电源／控制器、采集器和机架等部分组成。（探测原理见图1、图2）

发射器装置由红外线LED、控制和触发电路、红外线强度传感器（光二极管）和反向散射信号强度传感器（光二极管）组成。变送器装置以2kHz的频率使红外线LED产生脉冲波。光二极管监控发射光强度，测量的变送器强度用于自动使红外线LED的强度保持为预设值。“LEDI”反馈电压由CPU监控，以获取有关红外线LED的老化情况和可能的缺陷的信息。反馈回路对红外线LED的温度和老化效应进行补偿。另一方面，主动补偿会略微加速红外线LED老化。因此，初始LED电流设置为一个值，这可确保装置运行几年而无需维护。额外的光二极管测量从镜头、其他对象或污染物向后散射的光，此信号也由CPU监控。温度传感器是固定到横臂上的Pt100热敏电阻。使用高精度A/D转换器，每分钟测量一次温度。

光接收器由PIN光二极管、前置放大器、电压到频率转换器、反向散射测量光源LED以及一些控制和定时电子器件组成。接收PIN光二极管检测从采样空气柱内悬浮颗粒散射且被镜头聚焦（特定方向的散射光）的光脉冲。信号电压由与变送器同步的相敏锁定放大器进行过滤和检测。高达30kcd/m2的环境光照水平不会影响光二极管的检测，也不会使前置放大器饱和。

发射器通过红外发光管，产生红外光通过镜头在大气中形成接近平行的光柱。接收器将采样区内大气的特定方向的前向散射光汇集到光电传感器的接收面上，并将其转换为与大气能见度成反比关系的电信号。此信号经处理后送至控制器的数据采集板，经CPU取样和计算得到采样区内大气的特定方向的前向散射光的强度值，由此估算出总的散射量（与仪器的结构决定的采样角度有关），从而得到透过量，由此计算得到大气能见度的值。

图1 前向散射式能见度仪探测原理图

图2 光学测量示意图

2 故障现象

2018年7月，我市某台站DZZ4新型自动气象站在17日14时47分至15时01期间，能见度一起出现故障。起初，观测值班员在ISOS软件上发现7月17日能见度传感器分钟数据持续缺测，重启软件和电脑后仍未能恢复正常。如图3。

图3 能见度数据异常图

3 故障排查

3.1 校准法

校准能见度测量时，能见度应大于500m（可以在小雨天气下进行校准）。建议不要在大雨或明亮的阳光下执行校准。照射到校准仪板上的明亮阳光将增加散射测量时的噪音，降低CHEC命令输出的稳定性。

执行校准检查过程之前，请清洁镜头，另请检查不透明玻璃板的状况并根据需要进行清洁。首先将能见度传感器直接与计算机或综合硬件集成控制器连接，设置通信参数：波特率9 600bps，偶校验位（E），数据位7，停止位1，按以下步骤进行校准检查：

（1）阻止光路，请将挡板放在接收器护罩中，然后等待30秒。

（2）发出ZERO命令。DNQ1应做出如下响应：ZERO SIGNAL：OK

（3）移动挡板。

（4）将校准仪板装到镜头护罩中。（见图4）

（5）将不透明玻璃板固定到护罩上。请注意印在玻璃板上的信号值，因为以下步骤中需要使用该值。

（6）移出光路并等待30S。

（7）发出CHEC命6过程。

（8）如果检查结果显示变化小于±5%，建议不要进行重新校准，因为变化属于校准过程的可重复性范围内。

（9）按ESC键终止CHEC命令

图4 组装不透明玻璃板

3.2 清洁法

（1）断电关闭能见度分采和传感器，或进入调试模式。

（2）用异丙醇润湿无绒软布，然后擦拭镜头，注意不要刮伤镜头表面。

（3）确保护罩和镜头没有冷凝水、积雪或积冰。

（4）擦去护罩内表面和外表面的灰尘。

（5）清洁完成上电开通能见度分采和传感器。

（6）输入以下命令：

OPENCHANNEL1!（打开分采的RS232-1口，进入透传模式，须等到返回UART1 Channel Open!才算打开）

OPEN（打开能见度仪的调试通道，须等到返回LINE OPENED FOR THE OPERATOR，再输入其它命令）

STA

根据STA命令返回信息，检查接收单元（REC.BACKSCATTER）和发射单元（TR.BACKSCATTER）的反向散射CHANGE值是否接近为零，可用CLEAN命令将其设置为零。

CLEAN

CLOSE（关闭能见度仪的调试通道）

CLOSECHANNEL1!（关闭分采的RS232-1口，让传感器进入工作模式）。

3.3 替代法

15时02分切换主站和辅站能见度传感器。11时正点1分钟平均能见度值、10min平均能见度值由备份站值代替，小时最小能见度值、小时最小能见度出现时间值从小时其他分钟数据中挑取。12时至15时小时正点1分钟平均能见度值、10分钟平均能见度值、小时最小能见度值、小时最小能见度出现时间值等均由备份站值代替。分钟数据按缺测处理。

数据恢复正常后，打开采集器箱后发现采集器指示灯因故障熄灭，将更换能见度传感器后，故障排除。换上仪器型号：DNQ1 V35出厂编码：L4910552制造厂：华云升达（北京）气象科技有限责任公司。

4 结语

针对一次DZZ4型自动气象站能见度数据异常故障，根据能见度传感器的工作原理和测量原理，经过逐级测量和故障排查，快速及时确定了故障点，及时恢复了数据采集和上传，减少了数据缺失，保证了自动气象站的正常运行。