气象大气四维监测系统方案

一．项目简介

1.激光雷达简述

激光雷达融合了激光技术和光学以及信息解析方面的知识，将其融入一种现代化遥感方法。激光雷达在探测波长方面有所缩短，并且波束定位性非常强，所以自身拥有较强的分辨率与灵敏度，可以精准测量盲区。通常激光雷达能在一定程度上达到对大气环境、海洋以及陆地的探测，在各个区域占据非常重要的作用。
  在对大气环境中污染物进行监测时，需有效分析气象原因，探测大气中的成分。一般激光雷达可以有效检测出气溶胶与云粒子详细的分布情况，并且可以检测出大气成分、污染环境气体，有效管理污染源于城市上空的扩散情况。激光发射和回波信号以及采集、控制等都属于激光雷达系统。激光束和大气物质相互的作用，便能产生一定的回波信息，其中大气探测激光雷达实施大气探测是较为重要的一点[1]。激光雷达在探测大气环境时，主要探测的是云、雾、能见度、大气气溶胶等方面，当探测器夹杂着被测物质相关的信息，便可对其实施分析，获得相应的大气物理要素。
2.激光雷达在气象中的应用
  为了达到气象的需求，取得相应的区域性大气参数三维空间分布，在国际激光雷达中，逐渐建立了许多区域性面积空间，来覆盖地基激光雷达观测网。其中主要有全球大气成分探测网、独联体激光雷达观测网等。近阶段，在世界范围内，正计划建立全球大气气溶胶激光雷达观测网。主要目的便是评估全球气候变化、空气质量评估等，可以合理应对突发事件。
3.大气环境监测中激光雷达技术的运用
  在以往，激光雷达属于新兴遥感探测技术，在空间分辨率、测量精度等方面都拥有很大的优点，并慢慢应用到了大气科学、环境、气候等领域。依照探测物质不一，可以对其进行分类，从而介绍如何使用激光雷达技术。当前的激光雷达技术在技术方面难度非常大，实际应用中仍然会存在以下缺点，例如：受到大气光的影响，会降低光的传输效应，导致遇到以下雨、雪、等天气都没有办法进行工作。由于波束较窄，在空中捕获困难。然而，激光雷达技术在我国占据非常重要的地位，在详细的应用过程中，组建了雷达观测站，在国内，激光雷达发展较为明显，怎样应用于大气环境监测变为重点。

3.1气溶胶与边界的探测

气溶胶、云和边界层是影响气候变化的3 个重要因素，它们的变化往往

会影响到大范围区域内的天气变化。大气气溶胶系统的作用是复杂的，悬浮于

大气中的微粒的直接相互作用可以将太阳光反射或者吸收，这些颗粒还可以间

接地改变云的性质。对于天气的变化，云层不仅仅可以起到指示的作用，还可

以对其进行调节，此外，地球气候系统的辐射能量收支也可以通过云经行调

控，所以全球气候在很大程度上会根据云参数的变化而变化。边界层高度的确

定与云、气溶胶特性变化规律同等重要，是大气边界层的重要参数，所以对于

空气污染物的传输模式、扩散以及污染物预报模式而言，确定边界层并准确掌

握其变化规律是首要任务。  

当前激光雷达方面的科学知识与技术在不断的前进，激光雷达在进行探测中，空间区域、物质种类以及时间等方面都拥有非常大的潜能，激光雷达也正迈向更精准的发展方向。此技术在今后发展中，会得到更为广泛的使用。使用各种激光雷达可以长时间的监测各种资料，研究气候变化情况，在气候、天气方面展示出特有的作用，为气候与大气环境做出一定的贡献。 

二．系统方案

1.系统配置原则

在许多大气环境中，气候是主要的因素，云与气溶胶是较为重要的，然而不能确定影响因子，气溶胶通过吸收与散射太阳辐射、地球的长波辐射后，对于大气系统产生较为严重的影响。云层对于大气辐射平衡影响非常大，针对系统自本来讲，云不但是指示器，还是调节器，云在气候变化中起到决定性作用，依照边界层的参数设计可以得知，如能准确确定高度与准确度，在实施途中具体了解传输方式与污染物的系数。进行确定各项指标时，运用激光雷达达到云雨气溶胶的处理，其中涵盖了共振荧光、偏振等。为了达到不同区域间的探测，需合理处理消光系数、后向散射系数等方面的处理，解析存在的特点，并具体对其实施分析。 

根据气象特征进行研究分析，针对不同仪表特性，进行分析论证，结合监测对象实际情况，范围广、环境情况复杂、随机性强等特点，进行综合论证，监测设备需具备下述特性：

（1）大功率：监测距离远，降低设备维护，节约后期投入成本；

（2）小型一体化：设备体积小，降低设备的占地及施工投入；

（3）认证：需有第三方产品性能及人眼安全认证；

（4）精度高：测量结果准备可靠，并配有校准设备。

2.系统方案优选

大气四维监测系统，是以时间维度为主轴在某一区域内（地表至高空20KM范围内）大气气溶胶演变监测、数据采集和研究系统。优选方案配置如下：

2.1选用AIR-WATCHER大气激光雷达：该款激光雷达为专利产品，属于一体化、大功率气溶胶激光雷达设备，进行气象参数的实时监测。具备高频高能一体化、小体积（230×230×960mm）、单脉冲毫焦级、户外使用无需额外装配大型站房等多种优势。

2.2选用ARIANNA三波段大气积分浊度仪（与雷达连用）：自主知识产权，根据比尔-朗伯特定律测量空气中颗粒物的含量，该仪器在单个二极管中集成了三种波长的光作为点光源，具有功耗低、寿命长、温漂小等特点；而检测器使用了最高灵敏度的单光子探测器，可以对气溶胶颗粒物的散射特性进行最高灵敏度的连续实时监测；对大气激光雷达进行实时校准，提高整个系统的可靠性。

2.3高清雾霾拍照系统（与雷达联用）：用于工作环境天气状况的图片采集、工作环境天气状况历史数据的记录。满足天气状况的清晰记录和采集，焦距可调。

2.4系统设备维护（含激光器）及数据服务：自主软件产品，保证系统设备的正常运行。为系统运行提供数据服务及数据的本地展示、数据生成报告等后台服务。

3.方案特性

3.1功能特点

3.1.1探测大气气溶胶（飘尘）垂直分布和时空演变特征。

3.1.2探测云垂直分布、时空演变特征。

3.1.3进行云层3D扫描，探测云底高随时间变化。

3.1.4探测大气边界层的结构和时空演变特征。

3.1.5探测颗粒物质量浓度（如PM10）的时空演变特征。

3.1.6大气水平能见度及斜视程能见度。

3.1.7实现非球形粒子与球形粒子的区分探测,识别沙尘、烟尘等非球形粒子（扬沙、沙尘暴监测）。

3.1.8城市边界大气剖面扫描，探测污染输送动态监测，区别局地污染与外部输送。

3.1.9区域污染物快速溯源，进行污染排查和应急监测。

3.1.10区域污染物精准定位，可视化展示污染物水平分布状况。

3.1.11系统配备大气积分浊度仪，实时校准激光雷达测量数据。

3.1.12能见度观测，适用于沙尘、雾和霾的长期观测。

3.1.13气溶胶散射系数的测量，应用于大气辐射平衡和气候变化的研究。

3.1.14生物燃料燃烧的烟雾观测。

3.1.15精细颗粒物（PM2.5、PM10）的实时监测。

3.1.16森林和灌木火灾的监测。

3.1.17机场、高速公路和道路能见度的测量。

3.1.18高清雾霾图片采集系统用于工作环境天气状况的图片采集。

3.1.19高清雾霾图片采集系统用于工作环境天气状况历史数据的记录。

3.2性能指标

3.2.1设备必须经过校准，且确保在使用过程中数据准确，尤其是能见度、PM2.5以及PM10。

3.2.2激光雷达主机为一体机设计，雷达主机无需外置工控机即可独立工作，激光雷达整机至少包括发射单元，接收单元，数据采集单元，GPS定位模块。

3.2.3时间分辨率：≤1分钟。

3.2.4空间分辨率：≤15m 7.5m  4.5m 可调。

3.2.5探测盲区：≤100m。

3.2.6探测高度：白天≥5km，夜间≥20km。

3.2.7雷达系统须具备无线和有线的数据传输模式及工控机实时记录。

3.2.8雷达系统须满足户外应用，配备恒温装置，无需另配户外机柜即可满足设备正常运行。

3.2.9可以随时监测激光器频率、能量、雷达内部环境温湿度气压状态参数。

3.2.10发射系统：固态激光器。

3.2.11发射波长： 532nm。

3.2.12激光频率： ≥2.5KHz。

3.2.13单脉冲能量:≥100uJ。

3.2.14接收单元须采用卡塞格林望远镜结构，包含探测器并减小近端干扰和降低盲区。

3.2.15接收望远镜须具有防杂散光干扰功能。

3.2.16接收望远镜中，望远镜直径不小于160mm。

3.2.17探测器为单光子探测器。

3.2.18采集卡：多通道采集卡。

3.2.19原始数据便于存储分析与二次开发。

3.2.20系统能够全自动的运行采集并存储原始数据，能够远程控制，全天24小时无人值守观测。

3.2.21扫描方式：颗粒物激光雷达整体旋转扫描，无线缠绕。

3.2.22扫描装置最低承载：≥40Kg。

3.2.23水平扫描范围：0°~360°。

3.2.24垂直扫描范围：0°~180°。

3.2.25角度分辨率：≤0.2°。

3.2.26扫描速度：1～30°/s，软件可以调节。

3.2.27可实现水平扫描、锥形扫描、切面扫描、垂直探测切换功能。

3.2.28颗粒物激光雷达主机温控：具备冷循环控制系统，可加热与制冷。

3.2.29电源供应：220VAC。功耗：≤150W（包括控制计算机、扫描装置、雷达主机、温控系统）。

3.2.30仪器工作温度范围：-30℃-50℃；工作湿度范围： 0%RH～100%RH。

3.2.31整机尺寸（长*宽*高）: 230*230*970mm。

3.2.32整机重量：55KG。

3.2.33防护等级：IP65

3.2.34具备校准输入接口，可对消光系数、能见度、PM2.5、PM10进行校准。

3.2.35通过软件可进行工作方式选择：垂直探测、切面扫描、锥形扫描、水平扫描。

3.2.36雷达系统硬件可通过雷达软件实现远程控制与数据传输，如通过软件远程直接控制激光雷达系统的启停等。

3.2.37通过软件对激光器进行自动预热。

3.2.38软件界面上可显现雷达所处环境温度和湿度。

3.2.39软件可直接监控激光器工作状态，工作状态包括：通信状态、控制模式、工作电流、工作温度、工作频率。

3.2.40软件可直接监控数据采集单元工作状态，工作状态包括：通信状态、采样频率。

3.2.41软件可直接监控扫描模块工作状态，工作状态包括：通信状态、水平角度、垂直角度、旋转速度。

3.2.42软件可直接获取激光雷达地理位置信息，包括经纬度、方位角等信息。

3.2.43支持软件脱机运行，导入、管理原始数据，进行伪彩图、廓线图和曲线图的查看。

3.2.44支持地图图形缩放以及视角转换。

3.2.45支持手动在地图添加和清除地理要素标注。

3.2.46回波信号、信噪比：支持回波信号、信噪比变化曲线图。支持数据查询。

3.2.47消光系数：以伪彩图的方式呈现。支持数据查询。能够结合GIS地理信息进行三维展示。

3.2.48光学厚度：查看特定时间点的光学厚度的变化曲线图。

3.2.49边界层：实时自动绘制边界层高度。支持边界层信息的数据查询。

3.2.50云信息：在消光系数伪彩图中标识云底、云高、云峰等信息。支持数据查询。

3.2.51能见度：显示能见度的曲线图信息。支持数据查询。

3.2.52支持污染物的污染物自动判别，以伪彩图的形式实现。

3.2.53反演颗粒物质量浓度时空分布图。

3.2.54大气积分浊度仪可输出消光系数、能见度、PM2.5、PM10给其他设备。

3.2.55大气积分浊度仪检测范围：0-20,000 Mm-1。

3.2.56大气积分浊度仪散射角范围：10°-170°或后向散射角90°-170°。

3.2.57大气积分浊度仪波长：小于470nm（蓝），520-550nm（绿），大于620nm（红）。

3.2.58大气积分浊度仪最低检出限： 0.2 Mm-1 (60秒平均值)。

3.2.59大气积分浊度仪校准气体可选：CO2、SF6、FM200、R-12、R-22、R134或自定义。

3.2.60大气积分浊度仪自动校准间隔：3、6、12、24小时，或用于自定义时间。

3.2.61大气积分浊度仪自动校准类型：零点检查、标点检查、零点和标点检查、零点调整。

3.2.62大气积分浊度仪标准接口：1x 网络接口: 10M、100M。

3.2.63大气积分浊度仪存储参数：日期时间、σsp（625、525、463）、空气温度、外壳温度、大气湿度、压力、检测器暗计数数值、工作状态。

3.2.64大气积分浊度仪最大存储容量：10年的5分钟平均值或5年的1分钟平均值。

3.2.65大气积分浊度仪电源：220V-240V, 50/60 Hz。

3.2.66高清雾霾图像采集系统可满足天气状况的清晰记录和采集。

3.2.67高清雾霾图像采集系统焦距可调。

3.2.68高清雾霾图像采集系统分辨率1920×1024。

系统能够独立实现切面扫描和立体扫描基于时间呈现在Google earth上，作为人机交互平台，将最终分析数据实时呈现给相关单位。并利用三波段大气积分浊度仪实时在线给整个系统进行数值校准。数据生成报告：包含月报、季度报和年报。

4.方案优势描述

针对招标书要求，方案中相对招标要求提供的设备性能优化情况：

4.1仪器工作温度范围：-30℃-50℃；工作湿度范围： 0%RH～100%RH。

4.2整机尺寸（长*宽*高）: 230*230*970mm。

4.3整机重量：55KG。

4.4空间分辨率≤15m、7.5m、4.5m可调。

4.5供电方式220V 或  24V  30AH电池。

4.6人眼安全认证：3B。

4.7工作模式：连续或间断（用户可配时间）。

三．供货范围

3.1投标方提供完成改造内容所需的所有装置、配件，设备选型能够达到改造的预期目标。

3.2 投标方按附表所列出的规格和数量供货。对于属于整套设备运行和施工所必需的部件，即使本协议未列出和/或数目不足，投标方仍须在执行合同时补足。

3.3 投标方提供所有安装和检修所需专用工具和消耗性材料等，并提供详细供货清单。

3.4 投标方提供的设备是完整的全新的、先进的、成熟的、完整的和安全可靠的设备，并配有必要的安装部件。

3.5供货范围如下：

注：供货范围不限于上表，以满足大气四维监测系统安全稳定运行为宜。

附件一.售后服务承诺及培训

1售后服务承诺

1.1质保期12个月，在质保期内产品出现质量问题，由我方负责。

1.2售后范围：系统设备维护（含激光器）及数据服务（一年）。

1.3投标方承诺24小时售后服务，做到二十四小时内必须做出答复，尽可能在二十四小时赶到现场，最迟不得超过四十八小时。

1.4设备中易损件的更换，如激光器、易损镜片。

1.5数据的本地展示。

1.6数据生成报告：包含月报、季报和年报。

2现场技术服务及培训

2.1现场服务人员的目的是使所供设备安全、正常投运。我方要派合格的、能独立解决问题的现场服务人员。我方提供的包括服务人天数的现场服务表应能满足工程需要。如果由于我方的原因，下表中的人天数不能满足工程需要，我方有权追加人天数，且发生的费用由我方承担。

2.2我方服务人员的一切费用己包含在合同总价中，它包括诸如服务人员的工资及各种补助、交通费、通讯费、食宿费、医疗费、各种保险费、各种税费，等等。

2.3现场服务人员的工作时间应与现场要求相运行的要求。招标方不再因我方现场服务人员的加班和节假日而另付费用。

2.4未经招标方同意，我方不得随意更换现场服务人员。同时，我方须及时更换招标方认为不合格的我方现场服务人员。

2.5投标方现场服务人员应具有下列资质：

2.5.1遵守中华人民共和国法律，遵守现场的各项规章和制度。

2.5.2有较强的责任感和事业心，按时到位。

2.5.3了解合同设备的设计，熟悉其结构，有相同或相近机组的现场工作经验，能够正确地进行现场指导。

2.5.4身体健康，适应现场工作的条件。

2.6我方现场服务人员负责全权处理现场出现的一切技术和商务问题。如现场发生质量问题，我方现场人员要在招标方规定的时间内处理解决。

2.7我方对其现场服务人员的一切行为负全部责任；

2.8我方现场服务人员的正常来去和更换应事先与招标方协商。

2.9培训

2.9.1为使合同设备能正常安装、调试、运行、维护及检修，我方提供相应的技术培训。培训内容和时间与工程进度相一致。

2.9.2培训计划和内容

2.9.3培训的时间、人数、地点等具体内容由买卖双方商定。

2.9.4投标方为招标方培训人员提供设备、场地、资料等培训条件，并提供食宿和交通方便。

附件二.项目管理及人员配置

1组织措施

1.1施工组织

北京是卓科技有限公司：

施工负责人：

    负责项目改造全过程的实施；负责监督解决施工中出现的安全、技术问题；负责协调厂方和兄弟单位的工作单位。严格执行需方的有关规章制度，保质、保量、安全地完成汽包水位改造项目，达到改造预期目标。             

1.2 施工器具

角磨机、冲击钻（Φ14钻头）、麻绳（Φ18以上，20米）、电源盘、万用表、螺丝刀、电源线、pvc管及弯头转接头固定卡箍、防火胶泥、玻璃胶、开孔器、剥线钳、手电钻、钉子、绝缘胶布、固定钢丝绳及绳扣、防水接头（配套φ14开孔器）、角磨机及切片等。

1.3 前期准备

提前到达施工现场，对场地、电源等现场必备的设施进行查验。

1.4 施工方案

1.4.1确定安装位置，预留固定方式。

1.4.2确定电源参数及施工方式。

1.4.3确定线路管线走向及固定方案。

1.4.4确定雷达旋转角度及系统工作模式。

1.5 施工质量

尽心组织施工，严格按甲方要求进行安装，接受甲方对施工质量的检查指导。提倡文明施工，及时清理现场，保持现场通道畅通。

2安全措施

2.1现场用电必须规范，不得乱接乱拉电源线，使用甲方所指定的电源。注意安全用电，严格执行安全用电管理规定，夜间作业要有足够的照明，临时电源接线规范，且电源线高挂布置。

2.2工作中严格执行工作票制度，严禁无票工作。如身体不适精神状态状态差等原因不许其进行工作。

2.3不具备安全工作条件的，必须做好安全可靠的措施后方可开展工作，严禁酒后上班。

2.4严格执行仪器设备操作规程。仪器设备应绑扎牢固，杜绝高空坠落等不安全事故的发生。

2.5开工前现场负责人应对工作人员交代安全事项，并做好危险点分析。

2.6工作中严禁上下投掷任何工具及物品，如工作需要必须重叠作业时应搭设坚密牢固的防护隔板，避免落物伤人。

2.7工作时，必须严格按照批准的工作区域工作，严禁到非工作区域进行任何工作。

3技术措施

3.1施工前准备工作

 ☆查阅设备图纸，有关的技术资料、设备缺陷记录，掌握设备状况。

 ☆调查分析原始资料，获得有关的数据资料，正确合理地组织施工。

 ☆准备好系统改造工程所需设备、工具、仪器以及安装材料。

3.2施工质量标准

☆施工中必须认真填写现场施工记录。

 ☆专用图纸,记录表格,工艺卡及验收单准备齐全。

 ☆管道的安装严格按照施工图纸要求进行。管道各方向位置及尺寸符合要求。☆工程中严格按照相关技术要求执行。

☆安装工作如有间断，应及时封闭工作区域。

3.3施工步骤

3.3.1确定设备的安装位置。

3.3.2确定显示器的安装位置及设备供电电源。

3.3.3确定系统的工作模式及激光雷达的监测范围。

3.3.4设备固定。

3.3.5外部安装线管。

3.3.6安装电缆线。

3.3.7系统调试。

3.4人员配置

为确保系统可靠稳定运行，配置有现场施工工程师、软件工程师等多位技术人员。

附件三.产品数据分析及系统运维

1提供资料和服务范围

1.1提供图纸、文件资料。

1.2所提供的技术文件和图纸及设备目录总清单。

1.3产品出厂说明书（应能满足的安装、组装、拆卸、调试、试运要求）、使用说明书（应包括设备运行、维护内容）。

2数据工作模式及产品数据分析

2.1水平扫描范围满足0°-360°；垂直扫描-90°---90°；锥形扫描，旋转速度不低于6°/s。

2.2扫描一周（360°）采集数据量不小于180条，每条数据不少于10000个脉冲，工作一周时间不超过30分钟。

2.3在水平360°扫描，并且转角步长≤2°（观测数据记录≥180条 /360°）条件下，获取清晰有效扫描（等于360°扫描），形成扫描图45min/张。

3系统运维

确保系统可靠稳定运行，我公司承诺如下：

3.1质保期12个月，在质保期内产品出现质量问题，由我方负责。

3.2系统运维：整机设备免费维护（含激光器）及数据分析服务（一年）。

3.3我方承诺24小时服务，做到二十四小时内必须做出答复，尽可能在二十四小时赶到现场，最迟不超过四十八小时。

3.4设备中易损件的更换，如激光器、易损镜片。

3.5数据的本地展示。

3.6数据生成报告：包含月报、季报和年报。