能见度激光雷达功能规格需求书.docx

能见度激光雷达功能规格需求书中国气象局综合观测司2023年3月编写说明为指导和规范能见度激光雷达的研制和生产，更好地满足气象观测业务应用和发展需 求，中国气象局组织编写了能见度激光雷达功能规格需求书（征求意见稿）（以下简称 需求书）。本需求书适用于气象行业中使用的以能见度观测为目的的激光雷达。中国气象局综合观测司组织需求书的编写工作，中国气象局气象探测中心承担具 体的编写任务，在需求书编写过程中，广泛征求了有关专家、激光雷达厂家以及业务 应用部门的意见和建议，对能见度激光雷达的基本功能、性能和技术参数提出具体需求， 为规范气象行业中应用的能见度激光雷达的研制、生产和使用提供参照依据。随着科学技术的发展、进步和业务需求发生变化，本功能需求书将随之进行相应的修 订、补充或重新发布。1 前言错误!未定义书签。11.1 目的错误!未定义书签。I1.2 适用范围错误!未定义书签。工1.3 制定依据错误!未定义书签。I2 术语和定义错误!未定义书签。12.1 气象能见度错误!未定义书签。I2.2 气象光学视程错误!未定义书签。12.3 距离分辨率错误!未定义书签。工2.4 时间分辨率错误!未定义书签。23 组成结构要求错误!未定义书签。23.1 系统组成错误!未定义书签。23.2 总体结构错误!未定义书签。24 功能要求错误!未定义书签。34.1 概述错误!未定义书签。34.2 激光发射系统功能错误!未定义书签。34.3 光学接收系统功能错误!未定义书签。34.4 光电转换及数据采集系统功能错误!未定义书签。34.5 信号处理系统功能错误!未定义书签。44.6 伺服系统功能错误!未定义书签。44.7 显示与控制终端软件功能错误!未定义书签。44.8 附属设备功能错误!未定义书签。45 技术指标错误!未定义书签。45.1 总体指标错误!未定义书签。45.2 激光发射系统技术指标错误!未定义书签。§5.3 光学接收系统技术指标错误!未定义书签。65.4 光电转换及数据采集系统技术指标错误!未定义书签。65.5 伺服系统技术指标错误!未定义书签。65.8供电要求5.8.1 供电设施5.8.2 电源要求5.9防雷要求环境适应性要求6.2低温6.3恒定湿热结构及贮存要求7.1能见度激光雷达主机结构7.2能见度激光雷达贮存要求业务运行要求8.1运行监控要求8.2可靠性、可维护性要求8.2.1 可靠性设计.8.2.2 可维护性设计8.3标定功能要求8.4测量精度测试验证标志、包装和运输要求9.1标志9.2包装9.3运输10其它要求10.1设备交付10.2操作人员培训10.3配套设备附录AA.1数据概述A.2文件名编码规则A.3原始数据记录文本规则错误!未定义书签。1错误!未定义书签。4错误!未定义书签。工错误!未定义书签。工错误!未定义书签。工错误!未定义书签。工错误!未定义书签。工错误!未定义书签。工错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。8错误!未定义书签。9错误!未定义书签。9错误!未定义书签。9,错误!未定义书签。9错误!未定义书签。9错误!未定义书签。钝错误!未定义书签。10错误!未定义书签。钝错误!未定义书签。钝错误!未定义书签。钝错误!未定义书签。要错误!未定义书签。共错误!未定义书签。共错谢未定义书签一错误!未定义书签。打 .错误!未定义书签。M .错误!未定义书签。44A.4 1级产品记录文本规则.A.5 2级产品记录文本规则.A.6状态文件记录文本规则1前言1.1 目的能见度是影响海、陆、空交通运输的重要因素，低能见度天气影响交通运输的正常运行，是 诱发重大交通事故的主要气象因素，给人们的工作生活带来极大不便。因此，观测和研究低能见 度的变化特征和生成因素，及时预警预报，在气象领域具有重要意义。本需求书对能见度激光雷达的基本功能、性能和技术参数等提出需求，为气象行业中应用的 能见度激光雷达的研制、生产和使用提供参照依据。随着气象观测设备发展和观测需求的变化， 该功能需求书还将进一步完善。1.2 适用范围本需求书适用于气象行业中使用的以能见度观测为目的的激光雷达的研发、考核、定型和使 用。1.3 制定依据本功能规格需求书编写的主要依据有：(1) QX/T503-2019气象专用技术装备功能规格需求书编写规则(2)拉曼和米散射气溶胶激光雷达功能需求书(第一版)(气测函20199号)(3) QXTl29-2011气象数据传输文件命名(4) GB 7247.1-2012激光产品的安全第1部分：设备分类、要求和用户指南(5) IEC 60825-1: 2014 Safety of laser products - Part 1: Equipment classification and requiremennts(6) ISO/FDIS 28902-1: 2011 Air quality - Environmental meteorology - Part 1: Ground-based remote sensing of visual range by lidar2术语和定义下列术语和定义适用于本文件。2.1 气象能见度 MeteOrOlOgiCalViSibiIity视力正常(人眼亮度对比阈值0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨 认出目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离。2.2 气象光学视程 Meteorological Optical Range白炽灯发出色温为27(X)K平行光束的光通量在大气传输中被吸收和散射，衰减至初值的5%所 需要的距离。使用KOSChmieder定律(在人眼亮度对比度阈值为0.05下)MOR和大气消光系数 的关系为：VMoR=-In(O05)°注：后文将“气象光学视程”简称为“能见度”，符号VMOR简写为V。2.3 距离分辨率 Range Resolution激光雷达在规定的环境和条件下，在光束传播方向上能够区分的最小空间距离。2.4 时间分辨率 Temporal Resolution激光雷达在正常工作时，能够获得独立信号数据的最小时间间隔。3组成结构要求3.1系统组成一套完整的能见度激光雷达本地系统由以下的几个分系统组成：(1)激光发射系统；(2)光学接收系统；(3)光电转换及数据采集系统；(4)信号处理系统；(5)伺服系统(具有扫描功能时)；(6)显示与控制终端软件；(7)附属设备(供电、防雷、通信等设施)。上述分系统可以在确保相关硬件无删减的情况下，根据实际应用重新进行拆分、组合。3.2总体结构能见度激光雷达系统分为本地系统和远程系统两大部分，本地系统包含激光雷达主机、伺服 系统、显示与控制终端软件及附属设备。远程系统与本地系统通过网络通信进行数据传输和控 制，可安装在用户指定的任意场所。总体结构示意图如图1所示，具体的结构可根据实际情况予以 调整。图1能见度激光雷达系统结构示意图(1)能见度激光雷达具有防雨、防尘、防盐雾、温度控制等功能，其刚度和强度要求能承受 强风的袭击，并根据情况配置防雷装置，以保证能见度激光雷达可以全天候工作；(2)能见度激光雷达具有高可靠性，故障率低，维修方便的特性；(3)能见度激光雷达具备模块化、标准化、统一化的设计原则，具备完善的在线监测、性能 分析等功能；（4）能见度激光雷达主机结构应采用一体化设计，架设时可安装在地基观测平台或移动装载 平台上；（5）能见度激光雷达的移动装载平台包括但不限于：载车、载船、载机等架设平台，以及可 移动箱体内。移动装载平台要求配置定位、测速、测姿系统，可以自动修正移动装载平台自身的 速度和姿态信息；（6）标准配置下能见度激光雷达只含本地系统，远程系统根据用户需要选配；（7）能见度激光雷达应包括数据存储系统。4功能要求4.1 概述能见度激光雷达是利用激光与大气颗粒物之间相互作用所产生的后向散射光进行信号分析， 实现对不均匀大气能见度的测量。可获得气溶胶后向散射系数、气溶胶消光系数以及能见度等数 据产品。气象探测中使用的能见度激光雷达，要求使用寿命长、可靠性高、连续工作能力强，并 且操作、维护简单方便，使用、运行成本低，具有较高的性价比。能见度激光雷达的激光发射系统使用性能稳定的激光器。光学接收系统使用高光学接收效率 的望远镜。光电转换及数据采集系统使用高灵敏度、低噪声、大动态范围的探测器和数据采集 器。信号处理系统能够实时处理探测数据。显示与控制终端软件界面友好，人机交互性强。能见度激光雷达应具有自动或人工干预检测功能。其检测内容应包括激光发射功率、脉冲重 复频率、激光器温度、探测器温度（根据探测器型号选配）、光学收发光轴匹配检测（定期检测和 标定）、各模块通讯状态、各模块工作状态等。其中，在自动模式下应具有在线、实时的自检特 性，并实时记录监测结果，并以Iog文件保存。如出现参数异常，能自动报警。能见度激光雷达 系统还应具有高性能光电探测、信号处理、图像显示及传输能力。能见度激光雷达配备扩展通信模块，支持互联网和北斗通信功能，实现设备状态信息的收集 处理功能，满足状态信息的高速和低时延传输，并且可以进行双向通信和远程控制。具备加密处 理能力，支持对状态信息传输过程加密，支持断点续传，能按照用户要求的格式协议转换和传 输。扩展通信模块符合气象物联网系统相关安全标准，具有完善的身份认证机制及安全措施。4.2 激光发射系统功能激光发射系统用于产生能见度激光雷达工作所需要的激光，激光通过扩束镜和光学镜组发射 到大气中。激光发射系统能接收激光雷达监控单元的控制指令，并向监控单元反馈其工作状态和 故障报警信息。4.3 光学接收系统功能光学接收系统采用高光学效率的望远镜，接收激光大气回波信号。4.4 光电转换及数据采集系统功能光电转换单元具有模拟或光子计数探测功能，用于将大气回波光信号转换成电信号。数据采 集系统可采用模拟或光子计数采样方式，将光电转化后的电信号转换成计算机可识别的数字信 号。4.5 信号处理系统功能信号处理系统可采用高性能数字信号处理器或嵌入式工控机进行信号处理，用于探测数据的 处理和反演。4.6 伺服系统功能伺服系统采用高精度伺服电机驱动，实现能见度激光雷达在不同俯仰和不同方位扫描，具有 相应的电气和机械限位功能，扫描方式均由激光雷达系统软件控制完成。4.7 显示与控制终端软件功能显示与控制终端软件应具备主机及附属设备监测、维护维修痕迹管理、远程控制、设备性能 在线分析及产品前期质控、产品反演和显示等功能。4.8 附属设备功能（1）供电设施配市电、发电机（选配）和UPS （选配）。（2）防雷设施为能见度激光雷达和供电设施防雷。（3）通信设施能够通过有线或无线通信方式，满足能见度激光雷达数据传输与远程控制的要求。（4）摄像机配备分辨率至少为1920X1080的摄像机。