自动雪深观测仪功能需求书.docx
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自动雪深观测仪功能需求书
附件：
自动雪深观测仪功能需求书
（试验版）
中国气象局综合观测司
2010-9
目录
1前言1
1.1目的1
1.2适用范围1
1.3编写依据1
2组成结构2
2.1概述2
2.2测距传感器2
2.2.1超声波传感器2
2.2.2激光传感器3
2.3数据处理单元3
2.4通信控制单元3
2.5供电控制单元3
2.6外围组件4
2.6.1测雪板4
2.6.2支架4
2.6.3气温测量组件（可选）4
2.7软件4
2.7.1采集软件4
2.7.2业务软件4
3功能要求5
3.1初始化5
3.2数据采样5
3.3数据处理5
3.4数据存储5
3.5数据传输5
3.5.1本地传输5
3.5.2远程通信传输6
3.6数据格式6
3.7数据质量控制6
3.7.1采样瞬时值的质量控制7
3.7.2瞬时值的质量控制7
3.8监控功能8
3.9时钟管理功能8
3.10终端操作命令8
3.10.1读取分钟数据命令8
3.10.2读取/设置时间命令8
4测量性能9
4.1测量类型9
4.2量和单位9
4.3指标要求9
5外观要求9
5.1基本要求9
5.2安全要求10
5.2.1安全标记及要求10
5.2.2基本电器安全要求11
5.2.3其它要求11
5.3机械强度要求11
5.4材料与涂覆要求11
5.4.1材料要求11
5.4.2涂覆要求12
6供电电源要求12
6.1主电源供电要求12
6.2备选电源供电要求12
7环境适应性要求12
7.1气候条件12
7.2电磁兼容性要求13
7.2.1电磁骚扰限值要求13
7.2.2电磁抗扰度要求13
8防雷要求14
8.1一般要求14
8.2直接雷击的防护措施14
8.3雷击电磁脉冲的防护14
8.3.1屏蔽措施14
8.3.2等电位连接和采用共用接地系统14
8.3.3电涌保护措施14
8.4防雷装置的维护和管理15
9可靠性和稳定性要求15
9.1产品的可靠性设计15
9.2测量稳定性要求15
10可维护性要求15
11其他要求16
11.1安装高度16
11.2时钟精度要求16
11.3功耗要求16
11.4命名要求16
11.5技术文件要求16
11.6检验要求16
附件1观测仪外形结构与尺寸（超声波传感器）17
附件2观测仪外形结构与尺寸（激光传感器）18
1前言
1.1目的
目前我国气象部门对积雪深度以人工观测为主，存在时效性差、时空密度不足等诸多弊端，不能全面、连续反映积雪的变化过程。
为此，需要研制能够自动观测积雪深度变化的仪器，它既可以作为单独的传感器挂接在自动气象站上又可以作为观测仪独立使用，使观测结果客观化、观测资料连续化，减少台站观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率，为公众提供更多有价值的气象信息和观测产品。
研制自动雪深观测仪符合中国气象局《综合气象观测发展规划（2010-2015年）》要求，是可用于装备地面气象观测网，承担冬季降水量观测任务的自动化气象观测设备。
该仪器具有较高运行可靠性，能达到当前先进的雪深自动化观测水平，为冬季降水量预报和服务提供高质量的观测资料。
本功能需求书为试验版，主要针对采用测距（超声、激光）原理的积雪深度测量仪器，目的在于进一步规范测距式自动雪深观测仪研发和生产行为，为仪器设计定型和开展试验提供依据。
随着国内积雪深度测量技术的逐步发展，功能需求书还将进一步完善。
本功能需求书由中国气象局综合观测司委托中国气象局气象探测中心组织编写，修改权、解释权属于中国气象局综合观测司。
1.2适用范围
本功能需求书从技术和工程两个层面上规定了适用于在气象观测场内安装使用的测距式积雪深度自动观测仪在组成结构、功能、测量指标、采样算法、数据格式、供电电源、工作环境和设备安全可靠性等方面的要求，为设备制造单位提供设计和生产的依据。
1.3编写依据
本功能规格需求书参考国内外积雪深度测量技术发展情况，以及国内气象部门对雪深传感器的试验考核、试用的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的：
1.世界气象组织《气象仪器和观测方法指南（第七版）》；
2.中国气象局《地面气象观测规范》（2003年）；
3.自动气象站质量控制程序指南（ETAWS-4，FinalReport，WMOCBS）
4.中国气象局《第二代自动气象站功能规格书》（2008年）
2组成结构
2.1概述
自动雪深观测仪基于测距原理设计，由硬件和软件组成。
其硬件可分成测距传感器、数据处理单元、通讯控制单元、供电控制单元和外围组件5个主要部分，结构特点是既可以与微机终端连接组成雪深测量系统也可以作为雪深智能传感器挂接在其它采集系统上；其软件可分成采集软件和业务软件两种。
设备组成见图1。
图1自动雪深观测仪结构框图
2.2测距传感器
测距传感器是利用发射的波束（光波、声波或电磁波）遇到障碍物反射回来的特性进行测量，主要有超声波传感器、激光传感器、红外传感器、雷达物位计等，目前在积雪深度测量方面应用较多的是超声波传感器和激光传感器。
2.2.1超声波传感器
超声波传感器由一个超声波激发电路、机械波发生器和一个超声波接收电路组成，实现电信号到超声波能量的转换，同时可以接收超声波在目标物上的反射回波，并转换成电信号。
采用时差法可计算出传感器到目标的距离，由于超声波受周围环境影响较大，所以必须通过温度补偿、数字滤波等技术提高测量准确性达毫米级。
2.2.2激光传感器
激光传感器由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成，采用相位法测距，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。
即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。
2.3数据处理单元
数据处理单元是自动雪深自动观测仪的关键部件。
主要功能是负责对测距传感器的激发控制、计算测量波速发送和接收的时差（或相位差），并对采样样本进行质量控制、数据运算处理、记录存储。
2.4通信控制单元
通信控制单元负责完成标准接口间的数据转换，带有标准RS232/485串行数据接口，通过将数据采集单元的观测数据和状态数据进行打包整理或接口转换，可以直接与已有的气象站或新一代自动气象站的智能数据接口连接，实现气象观测业务要求；也可以作为智能气象仪器，接入本地计算机或通过无线通讯技术，直接接入中心服务器，形成区域观测仪器。
2.5供电控制单元
供电控制单元负责为系统提供工作电源，通常使用蓄电池供电（直流9-16V），可使用交流或太阳能（风能等）对蓄电池进行充电。
2.6外围组件
其它相关硬件（测雪板、支架、气温测量组件等）统称为外围组件。
2.6.1测雪板
测雪板是保证雪深测量基准的依据，测雪板材质应不随温度变化而发生质变，无融雪效应，一般选择比热低的固体材质（例如：
PVC板材），整体平整，埋设后与地面齐平，测雪板几何中心正对上方的雪深传感器测量中心点，测雪板面积大小必须覆盖雪深传感器测量面。
2.6.2支架
支架用于固定雪深传感器，包括设备支撑杆、横臂（供超声波传感器使用）、传感器安装连接件、预埋件定位板和预埋件等。
支架高度可调，能满足传感器在不同高度范围内进行测量，使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理，通过预埋件或膨胀螺栓直接安装在混凝土基座（基础）上，通过调平螺栓可以调节仪器的水平度。
2.6.3气温测量组件（超声波测量必选）
气温测量组件主要用于测量空气温度，由温度传感器和通风防辐射罩组成，测量值供超声波传感器进行温度补偿计算。
安装和使用方法参考《地面气象观测规范》要求，并充分考虑到当地积雪深度情况。
2.7软件
2.7.1采集软件
采集软件具有采集单元的数据采集、数据处理、数据存储和数据输出功能。
2.7.2业务软件
业务软件用于处理自动雪深观测数据，是安装在终端微机中的应用软件。
业务软件需根据具体需求编制，本功能规格需求书仅规定数据输出格式。
3功能要求
3.1初始化
观测仪开机后，可对内部进行自检；观测员可通过终端微机对观测仪进行设置，包括观测站基本参数、传感器参数（初始高度）、通信参数、质量控制参数等；建立和运行观测任务。
3.2数据采样
数据处理单元每6秒从雪深传感器采样一个当前高度值，每分钟得到10个采样值（采样瞬时值）。
3.3数据处理
对每分钟内的采样值进行质量控制后，对通过质量控制的采样值求平均，输出当前分钟高度值，根据初始高度值和当前高度值计算得到积雪深度值，并对积雪深度值进行质量标示，计算出每分钟的积雪深度值（瞬时值）。
3.4数据存储
观测仪具有数据存储功能，数据存储使用滚动循环存储方式。
存储的数据内容为每分钟观测数据，包括：
采样时间、初始高度、当前高度、雪深、状态监控信息等。
存储的数据量不少于30天，数据存储器应具备掉电保存功能。
3.5数据传输
观测仪具有数据传输（数据传送、数据通信）的功能，既可以向外传送数据，也可以响应来自数据采集器或终端微机的输入命令。
采用RS-232（或RS-485）方式输出时，观测仪数据传输采用响应终端命令的方式。
3.5.1本地传输
终端微机与观测仪间的信号传输距离应不小于200m。
3.5.2远程通信传输
观测仪应具备通过无线或有线方式进行数据远程传输的功能。
3.6数据格式
由观测仪向终端电脑或数据采集器输出的每条分钟数据记录的数据总长度为60个字节，存储格式为ASCII码，由下表1所列内容组成，各项目之间用空格分隔，每个项目采用定长方式，长度不足高位补0。
表1 分钟数据记录格式
序号
项目
字节数
说明
1.
雪深数据识别符
2
SD
2.
标识
5
表示仪器和台站编号，可命令设置
3.
时间
12
数据采样的时间（年、月、日、时、分），格式示例：
201009081610
4.
初始高度
5
单位：
mm，传感器安装后距离基准面的垂直高度
5.
当前高度
5
单位：
mm，传感器距离被测面的垂直高度
6.
雪深
5
单位：
mm，积雪垂直深度
7.
雪深质量标识
1
按数据质量标识规定表示；
8.
数据处理单元
工作温度
4
单位：
℃，带1位小数，扩大10倍；
第1位为符号位，后3位为数据位；
9.
数据处理单元
工作电压
3
单位：
V，带1位小数，扩大10倍；
10.
附加项
6
扩展预留
11.
回车换行
2
注意：
高位不足，补0；以相同位数的“/”表示缺测。
3.7数据质量控制
为保证观测数据质量，雪深自动观测仪应具有数据质量控制功能，可对雪深数据的极值范围、允许变化速率等参数进行设置。
应对雪深数据是否经过数据质量控制以及质量控制的结果进行标识，数据质量控制标识应符合《第二代自动气象站功能规格书》的相关规定，摘录于表2。
表2 数据质量控制标识
标识代码值
描述
9
“没有检查”：
该变量没有经过任何质量控制检查。
0
“正确”：
数据没有超过给定界限。
1
“存疑”：
不可信的。
2
“错误”：
错误数据，已超过给定界限。
3
“不一致”：
一个或多个参数不一致；不同要素的关系不满足规定的标准。
4
“校验过的”：
原始数据标记为存疑、错误或不一致，后来利用其它检查程序确认为正确的。
8
“缺失”：
缺失数据。
N
没有传感器，无数据。
注：
对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在终端命令数据输出时直接给出缺失，相应质量控制标识为“8”；若有数据，质量控制判断为错误时，在终端命令数据输出时，其值仍给出，相应质量控制标识为“2”，但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。
3.7.1采样瞬时值的质量控制
a）极限范围检查
一个“正确”的雪深采样瞬时值，应在传感器的测量范围内，未超出的标识“正确”；超出的标识“错误”。
其判断条件见表3。
表3 “正确”的雪深采样瞬时值的判断条件
气象变量
传感器测量范围下限
传感器测量范围上限
允许最大变化值
雪深
依照传感器指标确定下限和上限
10mm
b）瞬时气象值的计算
通过极限范围检查的雪深采样值数量达到2/3，可用于计算雪深瞬时值；若不足2/3，则当前雪深瞬时值标识为“缺失”。
3.7.2瞬时值的质量控制
a）极限范围检查
一个“正确”的雪深瞬时值，不能超出规定的界限，未超出的标识“正确”；超出的标识“错误”。
其判断条件见表4。
表4 “正确”的雪深瞬时值的判断条件
气象变量
下限
上限
存疑的变化速率
错误的变化速率
雪深
0mm
1500mm
20-60mm
>60mm
注：
表中“下限”、“上限”、“存疑的变化速率”和“错误的变化速率”的值都是可以根据季节和观测仪安装地的气候条件进行设置的。
b）变化速率检查
相邻两个雪深瞬时值的变化速率应在允许范围内。
若两者的差大于表4中“存疑的变化速率”，则当前雪深瞬时值标识为“存疑”；若两者的差大于表4中的“错误的变化速率”，则当前雪深瞬时值标识为“错误”。
3.8监控功能
观测仪具有以下监控功能：
Ø主板工作温度；
Ø主板工作电压；
Ø传感器数据状态，包括：
正常、不合格；
3.9时钟管理功能
当观测仪独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟；当观测仪接入自动气象站时，由自动站为观测仪提供对时，保持时钟同步；当观测仪连接到业务软件时，由业务软件为观测仪提供对时，保持时钟同步。
3.10终端操作命令
终端电脑或数据采集器可向观测仪发送终端操作命令，完成设置仪器参数、读取采样数据等功能，命令主要包括以下两条：
Ø读取数据命令：
GMSD；
Ø读取/设置时间命令：
DATETIME；
3.10.1读取分钟数据命令
命令符：
GMSD
参数按如下四种方式给出：
Ø不带参数，下载观测仪所记录的最新分钟观测记录数据；
Ø参数为：
开始时间结束时间，下载指定时间范围内的分钟观测记录数据；
Ø参数为：
开始时间n，下载指定时间开始的n条分钟观测记录数据；
Ø开始时间、结束时间格式：
YYYY-MM-DDHH:
MM。
响应的观测数据及排列顺序见数据格式。
3.10.2读取/设置时间命令
命令符：
DATETIME
参数按如下两种方式给出：
Ø不带参数，从观测仪读取当前时间；
Ø参数为：
时间，设置观测仪的时间，时间格式：
YYYY-MM-DDHH:
MM:
SS。
4测量性能
4.1测量类型
观测仪可以测量从积雪表面到地面（测雪板）的垂直深度。
4.2量和单位
Ø积雪深度，单位：
mm；
4.3指标要求
Ø雪深量程：
0－2000mm（适用于气象观测场）；
Ø分辨力：
1mm；
Ø准确度：
±10mm（实验室环境下测试指标）；
5外观要求
5.1基本要求
机械结构应利于装配、调试、检验、包装、运输、安装、维护等工作，更换部件时简便易行；表面应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落等现象，各零部件应安装正确、牢固，无机械变形、断裂、弯曲等，操作部分不应有迟滞、卡死、松脱等。
观测仪外观如下图2，相关各部件尺寸及材质要求如下：
a）超声波传感器支架：
外形呈倒L型圆柱体，支架可调最大高度不小于2.5米，可根据观测需求调整安装高度，横臂长度≥0.3倍高度（超声波波速角≤30°）。
使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理。
b）激光传感器支架：
外形为圆柱体，支架高度不小于2.5米，激光传感器可根据观测需求调整安装高度。
使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理。
c）测雪板：
一般选择无融雪效应，比热低的固体材质（例如：
PVC板材），整体表面平整，埋设后与地面齐平。
测雪板几何中心正对上方的雪深传感器测量中心点，测雪板面积大小必须覆盖雪深传感器测量面，尺寸一般为1.2m*1.2m。
d）底座：
圆形法兰直径大于300mm，使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理。
通过预埋件或膨胀螺栓直接安装在混凝土基座（基础）上，通过调平螺栓可以调节仪器的水平度。
a、超声波传感器外观示意图 b、激光传感器外观示意图
图3自动雪深观测仪外观示意图
5.2安全要求
5.2.1安全标记及要求
标记符合GB4793.1-2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》关于“设备用图形符号”的要求；
a）交流电源接入端口设“当心电击危险”安全标记；
b）低压直流电源接入端口以红色“+”和黑色“－”标出极性，并标明额定电压值；
c）电源开关标明电源“通”“断”位置；
d）标明电源熔断器额定电流值。
5.2.2基本电器安全要求
a）外表易触件不应是危险带电件；
b）观测仪必须有保护接地；
c）所有电源和信号端口均应采取防感应雷击措施。
d）交流电源初级电路与机箱间绝缘电阻＞2MΩ；
e）低压直流电源初级电路与机箱间绝缘电阻＞1MΩ；
f）使用交流供电的自动站泄漏电流＜3.5mA
g）使用交流供电的自动站应能承受1500V/5mA/1分钟的冲击耐压试验；
h）使用直流供电的自动站应能承受500V/5mA/1分钟的冲击耐压试验；
5.2.3其它要求
a）仪器设备结构上的棱缘或拐角，应倒圆和磨光。
b）对于在产品寿命期内无法始终保持足够的机械强度而需要定期维护或更换的部件，应在产品使用说明书上醒目地载明更换周期并着重注明不这样做的危险性。
c）用作电气连接或其他连接的螺钉连接件，应能承受正常使用时的机械压力。
5.3机械强度要求
观测仪的各种部件，如传感器、支架、横臂、安装连接件等，应有足够的机械强度和防腐蚀能力，确保在产品寿命期内，不因外界环境的影响和材料本身原因而导致机械强度下降而引起危险和不安全。
5.4材料与涂覆要求
5.4.1材料要求
应选用耐老化材料、抗腐蚀材料、良好的电气绝缘材料等，禁止使用不符合有关国家标准或行业标准的劣质材料。
5.4.2涂覆要求
各零部件，除用耐腐蚀材料制造的外，其表面应有涂、敷、镀等工艺措施，以保证其耐潮、防霉、防盐雾的性能。
支架、横臂、安装连接件、底座等需要涂覆的部件，表面涂、敷、镀层应均匀，覆盖面达100%。
涂覆颜色为灰白色。
6供电电源要求
6.1主电源供电要求
a）交流供电AC220V（＋10%～－15％）；
b）直流DC9-16V；
c）后备蓄电池，可保证雪深自动观测仪在无交流电源下5天正常工作；数据采集器在交流供电中断后应仍能保存所有的数据，即使在蓄电池电压低到不足以维持符合质量要求的观测工作时，在中断的交流电源恢复后，系统应能自动恢复正常工作。
6.2备选电源供电要求
当安装地点没有交流电源或电源不理想时，可选择太阳能、风力等其他方式供电。
7环境适应性要求
7.1气候条件
Ø工作温度：
-45℃～＋20℃；
Ø储存温度：
-20℃～＋40℃；
Ø相对湿度：
5%～100%；
Ø大气压力：
450～1060hpa；
Ø降水强度：
≤10mm/min；
Ø抗风能力：
≤75m/s；
Ø抗盐雾腐蚀。
7.2电磁兼容性要求
7.2.1电磁骚扰限值要求
a）相近频率干扰
相近频率（或波长）的多个传感器同时使用时，应具有完善的抗干扰功能，传感器应只能识别自身发射范围的频率（或波长）。
同类型多传感器同时使用时，传感器间距应不小于3米。
b）传导骚扰
表5 电源端口传导骚扰限值
频率范围（MHz）
限值（dBμV）
准峰值
平均值
0.15～0.5
66～56
56～46
0.5～5
56
46
5～30
60
50
表6 信号端口传导共骚扰限值
频率范围（MHz）
电压限值（dBμV）
电流限值（dBμA）
准峰值
平均值
准峰值
平均值
0.15～0.5
84～74
74～64
40～30
30～20
0.5～30
74
64
30
20
c）辐射骚扰
表7 在10m距离测量的辐射骚扰限值
频率范围（MHz）
限值[dB（μV/m）]
30～230
30
230～1000
37
7.2.2电磁抗扰度要求
表8 需满足的试验内容和严酷度等级
内容
试验条件
交流电源端口
直流电源端口
控制和信号端口
电压暂降和短时中断抗扰度
30﹪0.5周期
60﹪5周期
100﹪250周期
——
——
1.2/50μS（电压）
8/20μS（电流）
浪涌冲击抗扰度
线对地：
±2KV
线对地：
±1KV
线对地：
±1KV
电快速瞬变脉冲群抗扰度
±2KV5Kz
±1KV5Kz
±2KV5Kz
射频电磁场辐射抗扰度
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
静电放电抗扰度
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
8防雷要求
8.1一般要求
观测仪应具备防直接雷击和防雷击电磁脉冲的措施,防雷安全要求和设计应符合行业标准的要求。
防雷类别的确定：
根据QX4-2000第6条的规定确定防雷类别。
8.2直接雷击的防护措施
观测仪应处在接闪器的保护范围内。
防直接雷击的冲击接地电阻应不大于10Ω。
8.3雷击电磁脉冲的防护
8.3.1屏蔽措施
观测仪信号线应采用屏蔽电缆，采用非屏蔽电缆时，应外穿金属管。
电缆的屏蔽层和金属管下端应接到地网上。
设备到室内的电缆线应敷设在电缆沟内，如没有条件时电缆应在入户前应穿金属管埋地，埋地水平距离宜大于15m。
8.3.2等电位连接和采用共用接地系统
采用共用接地系统（地网），将所有金属部件就近连接到该接地系统上。
共用接地系统（地网）的接地电阻应不大于4Ω。
8.3.3电涌保护措施
a）供电系统的电涌保护措施
采用电网或自备发电机供电时，应在交流配电盘处加装冲击通流量Iimp不小于12.5kA的信号电涌保护器（SPD）；
供电系统的电涌保护器的安装要求，应符合GB18802.1-2002《低压配电系统的电涌保护器》规定；
b）信号系统电涌保护措施
设备输入端应加装适配的信号电涌保护器（SPD）；
信号系统电涌保护器的性能技术指标和安装要求，应符合QX4-2000《气象台防雷技术规范》第9条的规定。
8.4防雷装置的维护和管理
按QX4-2000《气象台防雷技术规范》第10条的规定，加强防雷装置的维护和管理。
9可靠性和稳定性要求
9.1产品的可靠性设计
产品应进行可靠性设计、试验和验证工作
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