摘要：云高观测是地面气象观测中最基本的项目之一，激光云高仪可定量观测云层高度，是监测和追踪云层演变的有利工具。为更好地保障探测数据的科学和规范，利用光纤延时法和模拟延时法，可为激光云高仪提供标准化的校准方法。

一、引言

云的形成和演变，是错综复杂的物理过程，是天气变化的重要征兆，对气象预报、防灾减灾、人工影响天气、航空飞行等方面具有重要影响。云高观测是一项重要的气象观测项目，传统观测手段主要为目测、气球、云幕灯等方式结合经验公式推算得出数据，人为因素和环境条件对数据具有较大的影响。激光云高仪在经过长期复杂的技术和固件升级后，具有卓越的性能和稳定性，在几乎所有天气条件下可24小时长期观测，是目前较为成熟的定量观测设备。

随着中国气象部门云高自动化观测的不断推进，激光云高仪在气象观测、航空气象、军事保障等领域得到广泛应用。但因国内外制造商在原理和结构设计上存在差异，且长期的户外作业造成设备损耗等原因造成观测数据的漂移问题缺乏统一的核查和校准方案且无标准化的校准流程。因此，建设激光云高仪系统的标校实验室十分必要，可提高激光云高仪观测业务的准确性，实现云高观测的量值传递和标准溯源。

图一：激光云高仪现场使用场景（图待定）

二、激光云高仪的原理

激光云高仪主要由测量单元、供电电源、通信单元、加热吹风装置、外壳等部分组成，原理为通过发出一系列脉冲激光，计算接收到的后向散射光信号和发射激光的时间差获得激光的飞行距离，从而得到云底高度。

图二：云高仪测量原理

三、激光云高仪的校准方法

据中国气象局综合观测司发布的《激光云高仪观测规范(试行)》要求，激光云高仪首次使用1个月后应进行现场校准，仪器稳定运行后，校准周期延长为6个月。因此，激光云高仪每年至少需2-3次校准。

激光云高仪观测量程从几米到几十千米，需配备超长距离的多点校准系统。对比多种光学设备的校准方法，借鉴激光测距仪的标校系统，同时评估精度需求、操作实现性、动态校准范围、成本费用等因素，光纤延时法和FPGA模拟延时法可分别满足现场核查定距离工作和实验室校准工作的不同核校需求。

1.光纤延时法

光纤延时法采用不同光学长度的光纤用以模拟激光在不同距离（云底高）的大气飞行距离，激光云高仪发射光波后通过光纤耦合装置将发射单元发射的激光聚焦至光纤中，经过一定距离的光纤传播后在云高仪的接收单元接收到此激光，并由云高仪根据光束的延迟从而计算出相应的模拟云底高数据，而后将该测量数据与被测光纤的光学长度进行对比，便可实现激光云高仪的核查工作。由于光纤延时法受限于核查设备的体积重量等因素仅能选择一种或者数个限定长度的光纤，同时光纤耦合效率的偏差也会带来一定的误判现象，因此此方式较为适合于现场核查工作，用以快速判断设备的运行状态。系统设计方案如图所示：

1：脉冲激光发射器  2：云高仪  3：光束光纤耦合装置  4：光纤切换器  5-7：不同长度的光纤  8：光纤耦合器    9：多通道光开关    10：激光接收器

图三：光纤延时核查系统原理框图

针对不同型制的云高仪我们设计了两种不同的核查方案：

1、针对单眼云高仪的延时标校机构采用同一根光纤（根据实际可选择双芯光纤以避免杂散光的干扰问题）光路和机构，如图所示。

图四：单眼云高仪光纤延时核查装置示意图

2、双眼云高仪的延时机构同样采用单根光纤，同时利用衰减片来模拟实际大气路径衰减，如图所示。

图五：双眼云高仪光纤延时核查装置示意图

2. FPGA模拟延时法

当需要对云高仪进行校准工作时，不仅需要判别云高仪的全量程距离探测准确性，还要针对不同的大气状态和污染情况下设备的可靠性，因此我们设计了模拟延时法作为云高仪的实验室校准系统。模拟延时法的校准原理为脉冲调制并结合大气衰减数据库用以模拟在不同大气状态下的全量程云高仪校准工作。

实际系统的构造如下图所示：

图六：单眼云高仪FPGA延时检测标校机构

图七：双眼云高仪FPGA延时检测标校机构示意图

     针对不同云高仪制造商，系统采用高速光电传感器采集云高仪发射的激光信号并完成高速模数转换，结合精度达到ns级别的FPGA延时电路，再利用大气数据库数据模拟不同情况下大气衰减和不同类型的云底反射系数，最后通过和被测云高仪相同波长的激光器发射一个经过调校的回波激光用以准确校准激光云高仪。

四、结论

本文所提出的光纤延时法和FPGA模拟延时法两者结合可形成标准化的标校流程。通过光纤延时法标校装置进行现场核查，快速筛查异常设备核查数据，再定期通过实验室FPGA延时法准确标校云高仪设备，核查与校准的分步骤实施可弥补现阶段云高仪核查校准工作的缺失并确保设备的正常可靠运行。

佐格公司利用多种试验手段验证了该方案可建设成稳定可靠的核查校准设备，并与中国气象局建立合作项目。