CHM 15k云霧霾激光雷達(dá)是一種簡(jiǎn)易的單波長(zhǎng)后散射激光雷達(dá)。在其觀測(cè)范圍（15公里）內(nèi)，可以可靠地測(cè)量多層云層、卷云層和氣溶膠層。1064納米的窄線寬釔鋁石榴石晶體芯片激光的穩(wěn)定波長(zhǎng)提供了性能卓越的信號(hào)。它可以有效地抑制日光影響，以及溫度變化帶來的漂移。所采用的脈沖能量和頻率對(duì)人眼是安全的，是屬于1M激光等級(jí)的產(chǎn)品。
此外，CHM 15k對(duì)用戶友好的操作界面以及易用性， 對(duì)無(wú)人值守及不間斷操作而言非常重要。
不論是針對(duì)復(fù)雜的氣溶膠研究或者是集成到大型觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，CHM 15k對(duì)當(dāng)前大氣研究中的多樣化需求而言不 愧為當(dāng)前最高技術(shù)水平的代表性解決方案之一。
下文的圖片展示了在不同的氣象條件下Lufft CHM 15k云霧霾激光雷達(dá)測(cè)量到的數(shù)據(jù)。測(cè)量在 Teltow 和Berlin兩地的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行。每張照片都是在不同的典型氣象條件下拍攝的。相對(duì)應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)文件包含了后散射信號(hào)的強(qiáng)度，用編碼后的 顏色來表示高度（縱坐標(biāo)）和時(shí)間（橫坐標(biāo)）。彩色圖的垂直線段表示標(biāo)記時(shí)間點(diǎn)的區(qū)間，在右側(cè)圖形中表現(xiàn) 為后散射廓線。
路賦德的CHM15k采用固體激光技術(shù)，它使得信號(hào)發(fā)射更強(qiáng)大，更穩(wěn)定。與其它技術(shù)相比，它隨著時(shí)間推移而 產(chǎn)生的性能漂移可以忽略不計(jì)。與其它同類儀器不同，CHM15k采用1064nm激光波段，從而明顯避免大氣中水汽對(duì)激光的吸收，因此大大減小 接收到的后向散射廓線的不確定性，提高測(cè)量精度
后向散射系數(shù)可以作為CHM15k的標(biāo)準(zhǔn)輸出（氣溶膠消光系數(shù)也將作為標(biāo)準(zhǔn)輸出之一）
Lufft云霧霾激光雷達(dá)CHM 15k的實(shí)際應(yīng)用:
氣象事件與實(shí)際案例中觀測(cè)數(shù)據(jù)的例子
卷云
2005年10月10日拍攝到的卷云。后散射信號(hào)強(qiáng)度的圖形視圖顯示了相似的卷云結(jié)構(gòu)，高度約6到12公里，以及地面到2公里高的一個(gè)氣溶膠層。右圖是相關(guān)的下午9點(diǎn)的高度0廓線。
雨
照片顯示了有雨的情況。通過彩色圖右半邊的高度廓線(18:30UTC時(shí)間)，可以很容易地觀測(cè)到在云的高度出 現(xiàn)的一些雨滴以及云團(tuán)數(shù)量和體積的增加，觀測(cè)人員可以有效判別降雨事件及強(qiáng)度。
霧、高度復(fù)雜的大氣現(xiàn)象
這是2014年4月2日的霧。從時(shí)間上看，發(fā)生在早上2點(diǎn)到9點(diǎn)(CEST)。在此期間，垂直能見度(VOR)從80米到200米之間變化。采集到的是激光多重散射后的信號(hào)。通過觀測(cè)高度廓線，可以辨識(shí)出發(fā)生了霧。
行星邊界層以及混合層高度
大氣或行星邊界層(ABL或PBL)是貼近地表的氣層，會(huì)受到天地之間雙向的熱、風(fēng)、水汽等動(dòng)量交換的影響。 在PBL的 頂部是對(duì)流層。PBL自身可以按考量的物理量（風(fēng)、溫度、氣溶膠/顆粒物）以及時(shí)間尺度來劃分為多個(gè)層次。 接近地面 的混合層的高度(MXL) 特別有意思，因?yàn)樗袣馊苣z/顆粒物和地表產(chǎn)生的不同氣體都會(huì)首先在一個(gè)小時(shí)內(nèi)在這個(gè)空間內(nèi) 混合。因而，測(cè)量氣溶膠層可以為我們提供有價(jià)值的顆粒物濃度，例如PM2.5的微塵?；旌蠈釉礁?，則顆粒物濃度越 低。 車輛排放是一個(gè)很好的例子，每天我們?nèi)梭w都要吸入很多。顯而易見，排放氣體散播到100米還是1公里濃度肯定是不同的。
Lufft云霧霾激光雷達(dá)可以探測(cè)PBL及其內(nèi)部氣溶膠層的高度。 它可以分辨出MXL高度。所有算法都內(nèi)置入設(shè)備中了，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生探測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)。 另外一個(gè)應(yīng)用是用于探測(cè)大氣中的火山灰顆粒。
下方右圖顯示了一個(gè)一天內(nèi)形成的典型混合層的氣溶膠廓線。2014年7月18日觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。每15秒讀取一次數(shù)據(jù)。為了更好地描述對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)的視圖，這里采用了線性的表示形式(單位ln P)。
Lufft云霧霾激光雷達(dá)CHM 15k
主要應(yīng)用于觀測(cè)大氣邊界層、氣溶膠后向散射廓線、氣溶膠質(zhì)量分布、云 底高、云量、垂直能見度等參數(shù)。
使用高靈敏度的光學(xué)器件來獲取理想的數(shù) 據(jù)結(jié)果。為了日以繼夜精確地采集數(shù)據(jù)：
? 使用長(zhǎng)壽命的固態(tài)激光器
? 小波段過濾器
? 高敏感度的圖像接收器
全天候的穩(wěn)定運(yùn)行
CHM 15k系列可以全年全天候不間斷地運(yùn)行。設(shè)備配備了雙層機(jī)殼，觀測(cè)窗吹風(fēng)機(jī)，自動(dòng)加熱系統(tǒng)，可以不受霧、雨、冰 凍和過熱的影響。
數(shù)據(jù)報(bào)文
1 - 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)報(bào)文 輸出間隔，日期，時(shí)間，云層數(shù)量，穿透 深度，垂直能見度，最大檢測(cè)高度，本地 海拔高度，單位(m/ft)系統(tǒng)狀態(tài)，降雨指數(shù)校驗(yàn)位
2 - 擴(kuò)展數(shù)據(jù)報(bào)文 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)報(bào)文加上額外的狀態(tài)信息以及設(shè)備參數(shù)
3 - 原始數(shù)據(jù)報(bào)文
擴(kuò)展數(shù)據(jù)報(bào)文加上測(cè)量到的原始數(shù)據(jù)（NetCDF格式）
4 - CHM 15k數(shù)據(jù)報(bào)文輸出間隔，日期，時(shí)間，單位，天空情況 指數(shù)，總云層覆蓋，云層數(shù)，穿透深度，垂直能見度，最大檢測(cè)高度，氣溶膠層質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氣溶膠層高，系統(tǒng)狀態(tài)，校驗(yàn)碼
5-CHM15k用戶數(shù)據(jù)報(bào)文 用戶自定義報(bào)文
二、技術(shù)參數(shù)
CHM 15k 云霧霾激光雷達(dá) | ||
技術(shù)參數(shù) | 規(guī)格 (長(zhǎng)x寬x高) | 500 mm x 500 mm x 1550 mm |
重量 | 70 kg (130 kg 含木箱外包裝) | |
工作環(huán)境 | 工作溫度 | -40°C … 55°C |
工作濕度 | 0% … 100% | |
工作風(fēng)速 | 0～55m/s | |
測(cè)量參數(shù) | 測(cè)量原理 | 光學(xué) (激光雷達(dá)) |
測(cè)量范圍 (CBH)1 | 5 m… 15,000 m | |
精度 | ± 5m | |
分辨率 | 5 m | |
采樣頻率 | 100 MHz | |
NetCDF 原始數(shù)據(jù) 分辨率 | 5 m, 10 m or 15m | |
采樣數(shù)據(jù)更新頻率 | 2 s… 600 s (可調(diào)) | |
測(cè)量目標(biāo) | 氣溶膠，云 | |
測(cè)量的云層數(shù)量 | - CBH1, 預(yù)設(shè)值: 3層 最大9層、2 層氣溶膠 - 云層穿透深度 - 云量及天空情況指數(shù) - 垂直能見度(VOR) - 氣溶膠層高度 - 氣溶膠后散射廓線 | |
光源 | Nd:YAG固態(tài)激光器，波 長(zhǎng)1064 nm 激光器恒溫 | |
脈沖強(qiáng)度 | 8uJ | |
數(shù)據(jù)輸出及配置設(shè)備的接口和軟件 | 標(biāo)準(zhǔn)接口 | RS485, LAN、TCP/IP 可輸出包括NetCDF在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式 |
可選接口 | VDSL, Modem | |
通訊 | LAN口：Web界面 串口：DataClient軟件或標(biāo)準(zhǔn)的終端軟件 | |
可選軟件 | 將測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的 Viewer軟件 | |
電氣參數(shù) | 電源 | 標(biāo)準(zhǔn): 230 VAC, ±10% 可選 110 VAC, ± 10% |
功耗 | 250 W (標(biāo)準(zhǔn)) 800 W (最大加熱模式) | |
UPS (可選) | 內(nèi)置ups > 1 小時(shí) | |
操作安全 | 環(huán)境要求 | ISO 10109-11 |
激光等級(jí) | 1M級(jí) （ IEC 60825-1:2007） | |
防護(hù)等級(jí) | IP65 | |
EMC | Class B, DIN EN 61326-1 | |
電氣安全 | DIN EN 61010-1 | |
證書 | CE | |
數(shù)據(jù)顯示 |
兼容性 | 可實(shí)現(xiàn)在Windows等主流操作系統(tǒng)上對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、記錄、存儲(chǔ)、分析、報(bào)告等系統(tǒng)管理，具有方便直觀的操作界面 |
其他 | 標(biāo)定 | 系統(tǒng)出廠配帶現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置 |
三、優(yōu)點(diǎn)
? 超大量程15 km (50 000 ft)
? 增強(qiáng)的多云層檢測(cè)
? 簡(jiǎn)單及人眼安全的操作方式
? 易維護(hù)的模塊化設(shè)計(jì)
? 包含原始數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式
? 顯示NetCDF格式數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備控制的圖形 界面操作軟件
四、軟件 / 案例
Lufft開發(fā)了能將CHM測(cè)量到的數(shù)據(jù)圖形化的軟件。
每臺(tái)設(shè)備都免費(fèi)提供了DataClient軟件 - 標(biāo)準(zhǔn)的
RS485通訊軟件CHM 15k可以通過網(wǎng)頁(yè)界面進(jìn)行參數(shù)配置及查看數(shù)據(jù)
案例: 德國(guó)氣象服務(wù)DWD網(wǎng)絡(luò)
DWD在Falkenberg的觀測(cè)站：CHM 15k和微波輻射計(jì)以及測(cè)云雷達(dá)一 起，完美地實(shí)習(xí)了對(duì)空監(jiān)測(cè)。德國(guó)氣象服務(wù)(DWD)采用100臺(tái)Lufft CHM 15k來構(gòu)建這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。雖然最初的設(shè)計(jì)是通過CHM 15k探測(cè)氣溶膠層及 對(duì)顆粒物后散射系數(shù)的垂直廓線，由于組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)可以監(jiān)測(cè) 全德國(guó)的氣溶膠顆粒物以及顆粒物在對(duì)流層的垂直分布了。
DWD云高監(jiān)測(cè)網(wǎng): 全德國(guó)CHM 15k運(yùn)行狀態(tài)一覽圖。例圖顯示了2010年冰島火山爆發(fā)以來全德國(guó)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布。如果您審視不同地區(qū)的后散射廓線（左側(cè)），可以看到，只有在德國(guó)中部地區(qū)，紅黑色煙霧從對(duì)流層的上部流動(dòng)到底 部消失了。放大視圖（右側(cè)）可以更詳盡地看到這些高層的火山灰逐步降落接近地面。
安里: 荷蘭氣象服務(wù)KNMI網(wǎng)絡(luò)
KNMI在做DWD相似的工作——21世紀(jì)的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)包含40臺(tái)Lufft云霧霾激光雷達(dá)的荷蘭氣象服務(wù)提供了對(duì)整 個(gè)荷蘭及部分北海地區(qū)的氣溶膠及云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確觀測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。冰島的火山灰，撒哈拉的沙塵或者美洲森林 火災(zāi)導(dǎo)致的大西洋煙霧都被精確地觀測(cè)到了，這些案例是建立云霧霾激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)以來，無(wú)人值守系統(tǒng)極大地提高 了對(duì)荷蘭天空情況監(jiān)測(cè)能力的佐證。
CHM15k在美國(guó)阿拉巴馬州監(jiān)測(cè)稀有氣體和氣溶膠
通過CHM15k后散射廓線探測(cè)到的埃雅法拉火山噴發(fā)時(shí)的火山灰垂直分布（英國(guó)氣象局）
