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。

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。

（1）大气能见度仪大气能见度仪采用前向散射原理测量气溶胶消光系数，然后根据气象视距与消光系数的关系给出能见度。

大气能见度仪采用前向散射原理工作测量大气消光系数，根据气象视距与消光系数间的关系换算得到大气能见度的观测资料。

测量范围优于0.1-20公里能见度，分辨率优于0.1公里，1公里能见度范围内精度优于10%,1公里以上能见度范围的精度优于20%。

平均无故障工作时间优于2000小时。

工作环境温度-50——60度。

（2）大气能见度仪安装设计水泥基础，0.6X0.6X0.8米。

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。

在垂直能见度仪观测场所配置碳黑度仪和积分式浊度计，可加强垂直能见度的测量效果。

（1）太阳分光光度计的观测功能CE318太阳光度计是由法国CIMEL公司研制生产、专门用于气溶胶光学特性监测的便携式野外测量仪器。

该仪器的具体观测功能如下：（a）可自动地跟踪太阳，实时获取太阳直接辐射、平纬圈和主平面天空散射辐射测量数据，仪器自动记录观测数据并自动存入PC机。

（b）在晴天条件下可自动进行连续观测。

（2）CE318太阳光度计系统结构设计1）硬件结构：CE318主要由以下部分组成。

仪器主体：传感器头部、扫描步进马达和机器人臂；一个控制箱：提供软件控制预定的扫描和采样指令，获取数据，格式化远程星基传输数据，内置电池；发射天线：传输数据到GOES卫星。

控制箱与外置电池的安装箱和仪器安装架，安装箱外还装有太阳能电池板和湿度传感器。

仪器主体由法国的CIMEL公司制造，GOES传输器件和天线由美国的VITEL公司制造。

仪器主体的主要部件包括：安装在机器人臂顶部的方位步进马达，机器人臂的一侧是天顶角步进马达，另一侧是传感器头部。

对准器安装在传感器头部，在传感器内部有两个硅探测器，分别对应于两个对准器。

传感器内还有一个滤光片轮，它安装在对准器窗口和探测器之间。

滤光片轮由八个窄波段干涉滤光片组成。

两个对准器具有同样的视场角（1.2°），但是具有不同的孔径。

它们结构上是一整体，并用一个长的螺钉向下紧固，以阻止光和水浸入。

较大的孔径对准器十倍于太阳对准器，提供必要的动态范围来观测天空。

还有三根电缆（一根粗电缆连接传感器头部和控制箱，另两根电源电缆分别对应于两个马达）。

仪器主体连接在一个基盘上以便仪器安装在一个水平面上。

图3 CE318太阳分光光度计数据处理软2）软件结构：（a）CE318仪器定标CE318太阳光度计的高精度定标是精确测量气溶胶特性所要解决的关键技术之一。

首先将一台仪器搬运到高海拔和大气干洁的地区（如青海瓦里关山或青海湖）对CE318太阳光度计进行定标，获得仪器定标常数。

而后将其它仪器与之进行比对，获得其它仪器的定标常数。

本项目的CE318太阳光度计的首次定标由仪器生产厂家完成，之后每年进行定标工作（对新购置的仪器在北京气象卫星地面站进行相对比对，获得各观测仪器的定标常数）。

（b）太阳分光光度计资料处理、分析软件结构太阳分光光度计资料分析软件结构如图8-2所示。

软件的主要部分包括太阳直接辐射和天空散射辐射观测资料的处理和分析。

（c）数据格式人工干预存储的文件名将存储时刻的时间记入，文件名占8位（月、日、时、分各占两位），扩展名占2位（.k7），例如，2001年12月20日16时30分传输数据，则文件名为：12201630.k7 。

该文件必须转换成纯文本文件后才可读写。

每次数据采集为一行，文本文件每行的格式为：月/日/年，时：分：秒，通道1数据，通道8数据头部温度（3）CE318太阳光度计工艺技术要求1）观测场地观测场地四周要求较为平坦空旷，避免设在陡坡、洼地或邻近有丛林、高大建筑物等地方，周围200米内无树木和建筑物遮挡，远离闹市区。

2）观测平台观测平台主要用于架设仪器设备。

观测平台应平稳和水平，便于仪器的架设、安装等，同时应安装防雷设施。

3）仪器性能和技术指标太阳分光光度计采用自动测量方式，可以进行太阳直接辐射的观测，也可以进行天空辐亮度和偏振的观测。

太阳直接辐射测量具有5个探测波段，中心波长分别位于440、670、870、940和1020nm。

天空辐亮度测量在440、670、870、和1020nm 4个波段上进行，分为2种方式，一是平纬圈扫描，2是主平面扫描。