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天气现象仪

FD12P李加宁民航桂林空管站气象台介绍：◎民航桂林空管站气象台副台长◎民航空管气象设备工程师◎民航空管局气象AWOS执照检查员◎民航空管局气象AWOS专家小组组长◎从事民航气象设备维护工作30年23

课程内容介绍（课程目录）FD12P功能描述FD12P安装和硬件原理故障分析和习题FD12P参数指标和原理框图

操作指令和校准单元重难点：1、FD12P硬件原理和功能2、操作指令和校准FD12P功能描述：1、使用前散射测量原理来测量MOR。2、散射光的粒子直径为光波长的数量级，散射的数量与光束衰减成比例。3、软件通过接收信号变化分析这些变化的幅度来计算降水强度，这个强度与降水颗粒的数量成比例。4、在微量降水或有风天气下，FD12P用雨水检测器DRD12来测量作为附加参数的降水水含量。在雨中，雨水当量和体积是相等的，但在雪中，光学体积量要大10倍左右，这种差别被用来判别雨和雪。5、加入温度传感器后，FD12P可以分析出天气现象。

FD12P功能描述：FD12P光学测量：1、FD12P测量成33o角散射的光，这个角度在不同类型的自然雾天都能稳定反应。2、降水颗粒对光散射和能见度的影响与雾气不同，必须单独分析。FD12P功能描述：FD12P光学测量：MOR算法描述：

光学信号分析为MOR计算测量信号和噪音平均值的差值，这个差值（频率）作为参数应用到校准了的转换函数中，转换函数将频率转换为MOR。

通过消光系数值来计算这些平均数，能更好的模拟人工观测。消光系数（σ）定义如下 σ（1/km）=3000/能见度（m）如果信号小于0.23Hz(能见度大于15km），FD12对1分钟平均MOR值进行特别筛选。筛选方程为MOR＝

（4*信号＋0.1）*NEWMOR+（1－（4*信号＋0.1））*OLDMOR现时天气现象：1、光学强度和DRD12强度估计值的比值是判别降水类型的一个关键因素2、在强度比例计算中使用一些筛选，以获得在天气类型寻找程序中使用的参数。3、使用世界气象组织的代码表4680来表示天气类型。4、FD12P数据和云高仪数据结合在一起可以判别阵雨。FD12P参数指标：

光学指标：工作原理： 33o角前散射和电容雨水传感器光发射机光源：

近红外光发射二极管峰值辐射能量：40mW（ILED＝200mA）峰值波长： 875nm调制频率： 2.3kHz参照光二极管：用于光源控制后散射光二极管：用于污染和遮蔽物测量FD12P参数指标：

光学指标：光接收机光二极管： PIN6DI光谱回应：

最大响应在850nm,0.55A/W（over0.3A/W，550…1050nm范围内）后散射光源：

近红外LED用于污染和遮蔽物测量

操作指标：气象光学能见度MOR的测量范围：－10…15000m，根据5％比较阈定义精度:－+/-10％10…10000m范围内－+/-20％10000…50000m范围内散射测量精度：±4％时间常数： 60秒更新间隔： 15秒天气现象感应指标：降水检测敏感度：－0.05mm/horless,within10minutes天气类型识别：－11种不同类型的降水－雾（霭）和霾（烟、尘）降水强度测量：－范围0.00…999mm/h－精度＋/-30%（范围0.5…20mm/h,液态降水）

环境指标：操作温度范围：

－40…+55oC操作湿度范围： 0…100%RH风速：

可达60m/s太阳方位：必须避免直接或反射到光接收机上的日光。FD12P安装：

定位和定向：1、安装距跑道中心线90－120米范围内，并与跑道平行。2、100m内没有大的建筑物和其它产生热和/或阻碍降水的物体。3、建议在北半球将接收机指向北，在南半球将接收机指向南。4、发射机光束直射无光学反射面。设备接地：1=Electronicsenclosure2=Junctionbox(optional)3=Mainscable4=Cabletubing5=Groundingrods6=Signalcable7=16mm²groundingcables8=Groundingclamp通讯电缆：FD12P提供RS－232C，RS－485，CCITTV.21调制解调器和模拟传输接口。基础结构：组装FD12P：1、安装底盘，并调节6个M16螺帽使之水平；2、用两个夹子将电子元件箱装在风杆上；3、将横杆电缆和温度传感器DTS14电缆装入风杆；4、将横杆插到风杆上，用两个8mm螺栓将其在正确位置上锁定；5、将DRD12雨水检测器抬到一个竖值的位置，紧固夹板。组装FD12P：连接电缆：

通讯电缆连接：MODEM线连接背景光传感器与FD12P连接：维护终端与FD12P的连接（RS－232）：信号交换连接方式（RS-485）：1、支撑传感器横杆（FDC115）2、DRD12雨水检测器3、DTS14温度传感器4、风杆（30513）5、数据处理箱发射单元FDT12B：FDT12B原理：1、一个红外LED、控制和触发电路、LED强度监测器、后散射接收机和模拟多路调制器组成。2、按2.3kHz频率发射IR－LED。一个PIN光二极管监控发射的光强度，并自动调整LED的光水平至预先设置值。3、来自FDR12接收机的RES脉冲使IR－LED计时和接收机的锁定放大器同步。4、一个光二极管测量从透镜或其它物体及污染物散射的光。5、控制板为发射机和接收机提供电压Vb=10–13V。用于加热透镜、加热发射机LED、产生＋5V数字电源和±15V模拟电源。±15V电源位于FDT12B板上。接收单元FDR12：

FDR12原理：1、由光接收器、前置放大器、电压/频率转换器、后散射测量光源LED组成。2、接收PIN光二极管检测从大气微粒散射的发射光脉冲。3、另外的IR－LED用于后散射或污染测量。4、取样电压经过放大并转换为频率，通过一个压差线驱动器减缓，输入到CPU板上用于精确计数。

接口板DRI21：

DRI21原理：1、接口板带有几个模拟和数字输入信号接口。2、Pt100用于测量横杆温度（DTS14），即温度通道。3、控制DRD12加热，并读取雨水ON/OFF状态。4、10比特模拟输入通道用于测量DRD12模拟信号。

雨水检测器DRD12：

DRD12原理：1、模拟信号与在传感表面的水量成比例。2、DRD12上面的水改变了传感元件的电容，元件的电容控制振荡器的输出频率。这个频率被放大并转化为电压信号，用于直接信号测量。3、检测器激发控制降水ON/OFF输出的延迟电路。当不断检测到新的雨滴时，延迟电路输出将持续处于ON状态。4、表面由内置的加热元件加热。温度传感器DTS14：1、一个带特殊机械结构的PT100温度传感器。每分钟通过DRI21温度通道测量一次。2、安装在传感器横杆上，与横杆表面有直接的热接触。控制板FDP12：FDP12原理：1、由微处理器、通讯接口、存储器、频率测量电路、监视器、监控电路和数字－模拟转换器组成。2、控制器以英特尔8031微处理器为基础，除了数据获取和内部控制外，还可以通过串行RS－232口进行通讯。3、RS－485接口提供了多个FD12P在同一条线上通讯的简单方法。4、频率测量电路测量光学信号，光学信号在接收板FDR12上转化为频率。5、各类加热电路的控制。

光学信号处理：10s 测量信号频率和模拟监控电压1s 接收机后散射频率4s 偏离频率（内部噪音值）信号平均和噪音平均的差值用于能见度计算。污染监控：1、通过测量后散射信号来监控发射机和接收机污染。2、CLEAN命令用于设置后散射信号的清洁参考值。3、后散射信号与清洁值的偏离量与透镜上的污染程度成正比。MODEMDMX21：维护终端与FD12P通信实现：用户用OPEN命令为指定命令模式。FD12P的串行通讯接口设置为：300baud(缺省设置)Evenparity7databits1stopbitOPEN命令：如果没有确定设备识别号（id），键入OPEN┘如果确定了id，如A，键入OPENA┘如果确定了id,但忘了是什么，键入OPEN^C┘其中^为Ctrl键。FD12P回答：LINEOPENEDFOROPERATORCOMMANDS如果60秒内没有输入命令，FD12P自动关闭串口。信息类型：信息0：显示一分钟平均能见度和光学测量硬件的偏离频率。006800126.87

－－－

偏离频率

－－－－－－－－－1分钟平均能见度

－－－－－－－－－－－1=硬件故障，2=硬件警告－－－－－－－－－－－－1=能见度报警1（高）2=能见度报警2(低能见度)信息类型：信息1：显示瞬间降水类型和光学（量）强度。强度可以归集到雨量和，但不能是雪。006839520.3

－－－降水（量）强度,mm/h

－－－－－瞬间降水类型，0…99

－－－1分钟平均能见度，米（最大50000m）

－－－－－1=硬件故障，2=硬件警告－－－－－1=能见度报警1（高）2=能见度报警2(低能见度)

信息类型：信息3和用STA命令获得的状态信息一样。FD12STATUSSIGNAL 0.39OFFSET126.83DRIFT 0.14REC.BACKSCATTER1281CHANGE -1TR.BACKSCATTER10.3CHANGE0.1TE2.7VBB19.4VH0.6LEDI5.6P15 15.1 M15-15.0BGND-0.1AMBL0.1DUTY1.6DRI21MEASUREMENTSTS1.8DRDINST811DRY915.6HARDWARE:OK和气象相关的命令：以下命令用于显示/设置气象分析参数和结果。WPAR －WEATHERPARAMETERMESSAGEWSET －PRWREFERENCEVALUESPRW －PRESENTWEATHERMESSAGECLRS －CLEARPRECIPITATIONSUMSWHIS －PRESENTWEATHERHISTORY

系统配置命令：用于显示系统参数，并对现有系统配置进行编辑。PAR

－PARAMETERMESSAGE（参数信息）CONFpassword

－UPDATECONFIGURATION（更新配置）BAUDrate－SETBAUDRATE（设置波特速率）（rate300,1200,2400,4800,9600）BLSC －SET/DISPLAYBACKGROUNDLUMINANCESCALE

－设置/显示背景亮度系数使用PAR命令可以显示现时系统参数。 PAR┘系统输出如下：用CONF命令修改的系统参数为：VISALRMLIMITS（能见度警告限制）OFFSETFREQREFERENCE（偏离频率参照）TEMPERATURETESCALE（温度系数）PASSWORDCHARACTERS（密码符号）UNITIDCHARACTERS（2）（元件识别号）REFERENCEANDLIMITSFORCONTAMINATIONMONITORING（污染监控的参照值和限制）

维护命令：STA 显示状态CALCalibrator_frequency 校准TCAL 温度测量校准CLEAN 设置清洁参照值CHEC 显示平均信号FREQ 显示内部信号DRYON 设置DRD12干偏离WETON 设置DRD湿换算ANCHANNEL 模拟通道（0，1，3，8…15

或ANALOGID）STA命令将内置测试系统的结果作为状态信息显示。STA┘系统输出如下：SIGNAL0.02OFFSET129.73DRIFT-0.02 REC.BACKSCATTER1313CHANGE-8 TR.BACKSCATTER10.2CHANGE0.0 TE24.2VBB19.5VH0.6 LEDI5.3 P1514.7M15-14.6BGND-0.1 AMBL0.1DUTY1.7 DRI21MEASUREMENTS TS23.0DRDINST900DRY900.0 HARDWARE: OK

数值前的星号（*）表示告警。硬件故障描述：BACKSCATTERHIGH

－接收机或发射机污染信号提高得比配置中给出的ALARM限制大。TRANSMITTERERROR

－LEDI信号大于7V或小于－8V±15VPOWERERROR

－接收机/发射机电源小于14V或大于16VOFFSETERROR

－偏离频率为零（断开电缆）硬件故障文本描述：SIGNALERROR

－信号频率低于偏离频率的50％RECEIVERERROR

－在接收机后散射测量中的信号太弱TRANSMITTERINTENSTIRYLOW

－LEDI信号小于－3VRECEIVERSATURATED

－AMBL信号小于－9VOFFSETDRIFTED

－偏离比配置中设置的参照值漂移大于±5HzDRY命令用于设置DRD12端无降水信号的信号标准化计算 DRY┘输出举例：DRDDRYOFFSET915.6

当DRD12硬件正常工作时，DRYOFFSET值必须在850至980之间。参数用命令DRYON设置。 DRYON┘WET命令显示一换算系数，此换算系数将从无降水状态到降水状态的DRD12信号变化标准化至1.00。典型值为0.0015。 WET┘ DRDWETSCALE0.00169

命令WETON用于设置参数。当给出WETON命令时，DRD12的测量表面必须覆盖湿布或浸入水中。 WETON┘对FD12P校准包括：1、清洁发射机和接收机的透镜2、清洁DRD12雨水检测器3、MOR校准检查，如需要进行校准4、DTS14温度传感器的校准在对FD12P发出任何命令之前，打开通讯线路。 OPEN┘FD12P回答 LINEOPENEDFORTHEOPERATOR

通过命令可以将线路关闭，恢复至自动信息 CLOSE┘

清洁透镜：－用不起毛的软布和异丙醇酒精擦拭透镜。小心不要划伤透镜表面。透镜应该干燥表示透镜加热功能正在启动。－检查透镜没有水、冰和雪的污染。－将透镜内外表面的灰尘擦去。－正确清洁光学表面后，给出CLEAN命令。VAISALA建议清洁应该每六个月进行一次，或者根据实际情况增加次数DRD12雨水检测器的清洁：－用温和的洗涤剂润湿柔软不起毛的软布，小心清洁DRD12雨水检测器。小心不要划伤透镜表面。－检查检测器和风盖没有冰和雪的沉淀。VAISALA建议电容雨水检测器DRD12应该每6个月清洁一次或根据情况增加次数。MOR校准：

使用FDA13校准工具检查MOR校准。如果检查显示变动小于±3％，则不要重新校准。

校准程序检查两个点：零散射信号和一个非常高的散射信号。使用整流板获得零信号，使用不透明玻璃板获得高信号。

当校准MOR时，能见度应大于500米。在大雨或强日光下不建议进行校准，小雨没有关系。校准检查程序：连接维护终端，打开维护线。1、为了阻挡光路，将小挡板放置在接收测头或发射测头内。2、等候30秒3、给出CHEC命令，最少等待2分钟。

信号值必须在±0.1Hz之间。如果不是这样，可能硬件有故障。4、移开挡板，按ESC键终止CHEC命令。安装FDA12校准仪：5、校准仪FDA12夹长期安装在横杆上（传感器横杆中间）。正确的位置以横杆上的两个凹槽为标记。6、将不透明玻璃板固定在连接杆上。写有信号值的标签应朝向外面。注意板上写的信号值，7、将校准仪安装到夹子，固定杆头。

将连接杆抬高或降低，来调整校准板的位置。

发射机和接收机应该指向玻璃板的中心。

在正确的位置上，玻璃板的上边缘应与接收机和发射机的镜盖端在同一水平面上。

紧固夹子的螺栓。8、从光学通道移开，等候30秒。9、给出CHEC命令10、两分钟后读取显示的信号。11、信号值必须与板上印刷的值接近。

如果误差小于3％，校准是正确的。

如果误差大于3％，则继续校准程序。12、按ESC键终止CHEC命令校准程序：1、给出命令。CALcalibratorsignalvalue┘举例CAL985校准器信号印在玻璃板的标签上。一般来说，信号接近1000Hz。FD12P计算一个新的比例系数，并将它存储在（EEPROM）。2、键入CHEC，新的比例系数应该与校准仪信号值相当。

如果新比例系数和工厂校准比例系数之间的差别超过20％，检查FD12P和校准仪是否有硬件或机械故障。

校准程序：DTS14温度传感器的校准：对于DTS14精度，只有零温度是重要的，因为这个温度用于识别冻雨。命令TCAL用于横杆温度（TS）测量的校准：1、在一个保温瓶中准备冰浴。2、抬起传感器横杆，拧松温度传感器，将它拉到风杆的下端。3、将温度传感器放到冰浴中。4、要看现在的比例系数和现在的TS（横杆温度），给出下列命令 TCAL┘

给出命令 FREQ┘

等候5分钟，使测量稳定。如果T