DNQ1型能见度仪校准方法研究

李国华 李中华 金健强

(1.黄冈市气象局 黄冈 438000;2.湖北省气象信息与技术保障中心 武汉 430074)

随着地面气象观测自动化业务的不断推进，能见度观测从人工观测全面转变为自动化观测，可自动判别如轻雾、雾、霾等视程障碍天气现象[1]，减轻了观测员的劳动强度，降低了人工因素引起的误差[2]。为保证能见度自动观测数据的准确性，夏冬等分析了人工观测与自动观测的能见度资料的相关系数、均方根误差等，并对自动观测资料进行了订正[3]。朱乐坤等分析了前向散射能见度仪的测量误差来源、产生测量误差原因及误差模型，归纳了前向散射能见度仪出厂标定方法、标定参数及标定参数修正方法，提出了前向散射能见度仪的实验室标定条件和方法，梳理了前向散射能见度仪现场光学装置校准、校准板校准及人工校准方法[4]。王敏等进行了前向散射式能见度仪示值对比及标定方法研究，对3个国产厂家的前向散射式能见度仪进行检测，对比了能见度仪示值的一致程度，分析了影响示值偏差的原因。提出了标定厂家系统常数以减少测量误差的方法[5]。王缅等提出了一种利用标准漫透射板校准系统传递系数的方法实现校准[6]。张健等建立了定标系统装调光学模型，并提出由抛物面反射镜与全景成像能量检测系统相对位置装调以及抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统相对位置装调组成的定标系统装调方案[7]。王韬等研究了前散射能见度仪标定原理及方法，分析了标定误差生产原因，说明了标定测试时需注意的问题[8-9]。

2015年底，黄冈市所辖10个国家地面观测站全部升级为以新型自动气象站及能见度、天气现象仪、日照、辐射等观测设备为核心的自动化观测系统和综合集成硬件控制器组成的地面气象观测自动化业务系统[10]。其中自动能见度型号均为DNQ1型前向散射能见度仪，新型自动气象站有DZZ4与DZZ5两种型号，能见度仪接入地面气象观测自动化业务系统的方式有两种：一种是直接接入新型自动站主采集器，其中1站接入HY3000主采集器，2站接入WUSH-BH主采集器，传感器及加热装置的供电由主采集箱提供，备有蓄电池，在交流电中断时可延时供电；另一种是为独立能见度度采集系统(有7站)，通过能见度分采集器处理，传感器及加热装置的供电由能见度供电电源提供。为了保证地面气象台站能见度自动观测数据的可比较性和准确性，本文对不同型号新型自动站挂接同一型号能见度仪和同一型号能见度仪在新型自动站不同挂接方式的校准方法进行详细阐述，提出校准步骤和方法，指导台站定期维护和校准能见度仪设备。为能见度预报，提供及时、准确的气象能见度观测数据。

1 DNQ1型能见度仪结构及工作原理

1.1 DNQ1型能见度仪结构

DNQ1型能见度仪传感器是基于大气中的颗粒物的前向散射原理而设计的[11]，是继透射式能见度仪后发展起来的新一代气象能见度监测设备，其特点：精确测量、集成度高、易于安装维护。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。其中发射器和接收器两部分，是能见度仪的核心部分(图1)。

图1 DNQ1前向散射式能见度仪注：①变送器/发射器，②控制器/接收器，③空白面板，④管中的Pt100温度传感器，⑤安装座，⑥护罩式加热器(可选)，⑦亮度传感器PWL111(可选)的位置

1.2 DNQ1型能见度仪测量原理

前向散射式能见度仪是一种光学传感器，用于测量能见度(气象光学距离/MOR)。该仪器使用前向散射测量原理测量能见度，直径处于光波长数量级的颗粒会散射光，散射量与光束的稀薄程度成正比。较大颗粒的行为与反射器和折射器相同，但其对MOR的影响必须单独处理。通常这些颗粒是降水水滴。能见度仪可以根据光学信号检测和测量降水水滴，并使用该信息进行处理，得出散射测量的结果，通过转换函数可将散射结果转换成能见度。

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。探测原理[12](图2)。

图2 前向散射式能见度仪探测原理图

1.3 DNQ1型能见度仪技术指标

2 能见度仪校准

DNQ1型能见度仪在出厂时已进行了校准，对DNQ1型能见度仪进行周期校准，是为了确保能见度仪在长期使用过程中观测数据准确性。

目前台站常用的校准方法是校准板校准[12]。使用PWA12校准板对能见度传感器进行定期校准，校准板是两块经过打磨的毛玻璃，具有已知的散射系数，安装在前向散射能见度仪的发射机和接收机之间。发射机发出的红外光辐射，通过校准板的散射到达接收机。由于其散射系数是已知的，通过接收机的接收和电路转换，就可以转换成能见距离。

2.1 校准前准备工作

为了不受大气中自然散射粒子的影响，通常选择天气条件好，能见度大于10 km环境条件。前向散射能见度仪探测部分不应有阳光照射，以免受背景噪声的影响使输出信号不稳定；不应在雨天进行校准，以免雨滴溅落在校准板上产生校准误差。

使用专业工具清洁前向散射能见度仪镜头，并检查遮光板、散光板和衰减器，确定没有破损、磨损等情况，并确认设备运行正常后，开始现场检测校准工作。

2.2 现场校准

2.2.1 硬件连接方法

无论能见度仪是通过主采集器接入还是独立接入，校准均可采用输出接口Rx-232方式来实现。校准前场外接线工作是将能见度传感器串口输出Tx(绿)、Rx(黄)和地线(灰)与笔记本电脑串口连接(没有串口的电脑可用USB转串口的连接线)。接线方法：黄色至DB9/3：TxD RS-232；绿色至DB9/2 RxD RS-232；灰色至PC5/9：GND(图3)。

图3 现场能见度传感器与电脑直连接线图

2.2.2 校准流程及步骤

能见度仪校准要在整点以后5 min开始，以避免能见度小时数据的缺测。整点5 min后在地面综合观测业务软件(ISOS)中选择“设备管理”-“设备标定”-选择能见度传感器-“开始标定”，标定结束后“结束标定”，记住开始标定和结束标定时间，并填写观测站能见度仪现场核查记录表。

(1)独立能见度校准流程：独立能见度采集系统，测量结果通过能见度分采集器处理，再通过串口服务器接入电脑(图4)，校准方法比较简洁。

图4 独立能见度接线图

①接线及串口通信参数设置：先将能见度分采断电，将能见度传感器串口输出线从能见度机箱接线排取下，按照图3的接线方式接好。确认硬件连接正确后设置串口通信参数，便可通过串口调试助手或超级终端进行校准。本文是通过超级终端进行校准。

设置串口通信参数：

-9600波特

-偶校验(E)

-7个数据位

-1个停止位

②校准步骤：接通能见度分采供电电源，打开超级终端，超级终端显示能见度仪型号、版本号、日期、序列号(例如：VAISALA PWD50 V 2.05 2021-03-27 SN:L2750397)；

输入open命令，打开通信，将PWA12校准板提供的黑色阻塞片放置在接收机护罩内，挡住光路，等待30秒，返回信号值35000(设备上限值)，表示光路已经被全部阻止(若返回值小于35000，则视为设备异常，需更换设备，终止操作)；

输入命令：ZERO，返回值为ZERO SIGNAL：OK，表示己把35000设为ZERO值，将黑色阻塞片从光学通道移开；

安装不透明标准玻璃片，将RECEIVER和TRANSMITTER分别固定在传感器的接收和发射两端的护罩上(图5)，切不可安装反了，确保收发光路上没有任何的障碍物，同时记录下玻璃片上印着的标准信号值(例如496)，安装完成等30 s，输入CHEC，等返回值稳定后读取返回的信号值。返回的信号值必须与标准片上的值接近，误差小于或等于10%为合格，否则需用CAL命令进行标定。按ESC键终止CHEC命令。

图5 不透明玻璃片安装图

误差计算公式为：(输出值-标准值)/标准值×100%。

若误差的绝对值大于10.0%，则用CAL命令进行校准(校准后误差仍然大于10%的，则应进行维修)，输入CAL ***，***是指不透明标准玻璃片上印着的标准信号值，例如校准标准信号值为496，则输入CAL 496进行校准，再检查CHEC后面的数据返回值，直到满足要求。

校准完毕后输入CLOSE命令关闭通信恢复观测。如果检查过程等候时间过长，出现通道关闭LINE CLOSED提示，可用OPEN打开通道。

(2)接入HY3000主采集器能见度仪的校准方法

能见度仪直接接入HY3000主采集器，该能见度仪有独立的供电系统，通过接线排接入HY3000主采集器RS232-4端口(图6)。

图6 HY3000主采集器接线图

校准时首先断开能见度供电电源，将能见度串口信号线从接线排上取下，按图3方式接线，设置串口通信参数，然后接通能见度供电电源，打开超级终端，校准步骤与独立能见度校准步骤相同。

(3)接入WUSH-BH主采集器能见度仪校准方法

能见度仪直接接入WUSH-BH主采集器，该能见度仪有独立的供电系统，通过RS-485输出信号线接入WUSH-BH主采集器能见度端口(图7)。

图7 WUSH-BH主采集器接线图

因USB转串口线只有RS-232模式，如果通过RS-485接口输出方式校准，需要购买一个转换模块。本文仍使用RS-232串口线黄(Rx)、绿(Tx)、灰(G)来进行校准。接线方式如图3，但是串口通信参数设置为：

-4800波特

-无校验(N)

-8个数据位

-1个停止位

校准时首先断开能见度供电电源，将能见度串口信号线串口线黄(Rx)、绿(Tx)、灰(G)找出(备用信号线)，按图3方式接线，然后接通能见度供电电源，打开超级终端，校准步骤与独立能见度校准步骤相同。

2.3 室内校准

室内远程标定方法只适用于对DZZ5自动站能见度仪，无需在室外接线，通过能见度数据采集传输室内计算机对传感器进行远程操作。校准同样使用超级终端、串口助手或ISOS软件进行。此方法不推荐台站使用，但可作为台站参考。笔者使用该方法校准时发现，打开能见度串口模式会影响DZZ5自动站数据的传输。

在ISOS软件选择“设备管理”-“设备标定”-选择能见度传感器-“开始标定”，在“设备管理”-“维护终端”-“选择能见度传感器串口处理”打开能见度串口调试模式OPENCHANNEL1!，将将PWA12校准板提供的黑色阻塞片放置在接收机护罩内，挡住光路，等待30秒，输入命令：ZERO返回值为：ZERO SIGNAL：OK

校准步骤与室外校准独立能见度相同。校准完毕后输入CLOSECHANNEL1!命令关闭串口调试模式，结束标定恢复观测，用READDATA读取能见度数据检查是否正常。

2.4 校准前后数据对比分析

黄冈市10个国家观测站目前都安装了DNQ1型能见度仪并投入业务运行，根据能见度计量业务要求对能见度仪进行了一次现场核查，从表1可以看出有4个台站能见度仪校准前误差较大，对这些误差较大的仪器进行了校准，同时对其他误差较小的仪器也进行了校准，校准后能见度仪的相对误差明显降低。

表1 前向散射式能见度传感器技术指标

表1 能见度仪校准前后相对误差

3 结语

能见度仪投入业务运行，是推进地面气象观测自动化的重要手段，对能见度仪进行定期校准，有利于保障能见度仪数据的准确性。在现场校准过程中发现，能见度仪容易受周围环境影响，校准时，要避人员在观测场内走动，移开对能见度仪有影响的物体。确保能见度仪在校准时波动较低，减少影响数据的准确性的各类因素。