摘 要:最新研制的湍流气象探空仪是将温度脉动仪附加在常规气象探空仪上,实现了两路折射率结构常数、温湿压常规气象参数、温度谱等测量。通过在合肥和长春的实验表明该系统具有较高的测量精度和稳定性,在高空低温动态条件下探空仪系统噪声与温度脉动仪地面常温静态条件下的噪声相当。探空系统噪声引起的等效折射率结构常数小于2×10-18m-2/3。能服务于激光传输、大气质量评价及天文台选址等相关领域对大气光学湍流研究的需要。
激光在大气湍流中传播会出现光强闪烁、到达角抖动等一系列湍流效应[1-2]。大气光学湍流对光束传播的影响是天文台选址、高能激光传输、自由空间光通信、激光雷达、测距等激光应用领域必须解决的关键问题。光学湍流通常由折射率结构常数C2n、内尺度、外尺度等参数来表征[3]。为了克服大气光学湍流的影响,对光学湍流强度的垂直分布及其特征进行测量和分析是非常必要的。自20世纪60年代以来,人们一直致力于这方面的研究。国外已报道用Scidar(Scintillation Detection and Ranging)和MASS(Multi-Aperture Scintillationsensor)等光学方法遥感测量湍流廓线[1,4]。光学湍流廓线最直接测量是使用探空气球,气球携带气象传感器测量气象参数(温度、气压、风速和湿度)和微温传感器测量温度结构函数DT(r)[5]。这一技术给出了很高的垂直空间分辨率,适合详细研究光学湍流结构[6]。我国自20世纪90年代初开始C2n探空测量以来获得了典型地区宝贵的折射率结构常数垂直分布资料,但现有的探空仪不能进行高空湍流结构的研究。为此我们研制了一种新型湍流气象参数探空仪,它可满足高精度C2n垂直廓线测量、高空湍流谱分析以及对惯性子区范围的研究。
本文介绍了仪器的测量原理,系统硬件和软件设计,并对仪器的性能进行了分析。
1 温度脉动法测量光学湍流原理
光学湍流强度通常用折射率结构常数来量度。在Kolmogorov均匀各向同性湍流的假定下,Cn2定义为
式中:p是气压(kPa);T是温度(K)。因此得到某高度h处的空间两点温度脉动方差以及对应的温度、气压值即可得到h处的折射率结构常数值。
2 湍流气象探空仪系统组成
整个测量系统由探空仪和接收系统两部分组成。图1给出了整个系统的原理框图(VFC表示压频变换),它包括温度脉动测量、温湿压测量、莫尔斯译码、高频调制发射及地面接收系统等部分。为了降低气球尾流对探测的影响,探空仪与气球的距离应在50 m以上。
2.1 温度脉动测量
温度脉动测量是该系统的关键部分,它的性能直接影响到湍流探测结果的可靠性和精度。图2是我们研制的温度脉动测量模块示意图,由微温探头、不平衡电桥、前置放大器、检波放大器、滤波器、电压放大器及电源等组成。我们采用一对直径10μm、长2 cm、阻值为20Ω的铂丝作为微温探头,将空间两点环境温度的变化感应为电阻值的变化,经不平衡电桥转为电压的变化,从电压放大器输出的电压变化ΔV对应一定的温度变化ΔT,由式(2)计算出温度结构常数C2T,由式(3)计算出折射率结构常数C2n。温度脉动仪的响应频率为0.1~30 Hz,噪声不大于2×10-3℃[4,8]。
2.2 温湿压测量及莫尔斯译码模块
采用五九型转筒式电码探空仪测量高空大气温度、湿度和气压。五九型探空仪中的感应元件分别是:螺旋形双金属片测量气温,金属膜盒组成的空盒测量气压,鼓膜状的肠衣测量湿度[4,7]。微电机和电码筒组成莫尔斯编码装置,将感应元件测量值转换为莫尔斯码,一般地面接收后靠人工译码或译码软件还原气象参数信息。为了使五九型探空仪的电码信号与温度脉动仪信号兼容,在设计中我们首先对莫尔斯电码进行译码,得出数字量再与温度脉动信号一起以串行方式由发射机发送出去.
五九型电码探空仪的一个采样周期内,温湿压有序排列,每个量均有一组莫尔斯长短码代表的数值表示。通过研究长短码、码间隔、组间隔、帧间隔的规律,用图3的莫尔斯译码程序流程图完成译码。首先获得短码时长以作为区分长短码的判据,通过高低电平鉴别开莫尔斯电平和间隔,比较长短码的有序组合与译码表得到对应数字量。
2.3 微控制及处理模块
微控制处理器主要完成控制和数字处理功能,我们选用PLCC封装的AT89C52微控制芯片,它是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,适合于较为复杂控制应用场合并能满足节电和小体积要求[9-11]。主要完成温度脉动测量通道的选通、莫尔斯译码控制、VFC输出频率量的数字化和温度脉动方差计算等功能。
系统中,由单片机P1口的P1.5~P1.7位完成模拟多路开关通道的选通。频率测量的精度要求较高,它直接决定C2n测量的精度。在设计中,我们采用在选通波门内探空频率触发产生计数波门的方式对高频脉冲采样,使测频误差限制在一个高频脉冲之内。在具体实现上,我们采用逻辑时序电路和定时器相结合的方式巧妙解决了这一问题,逻辑时序电路的触发由P1.0完成。AT89C52按5 s平均对频率量进行方差计算得到温度脉动方差值,通过串口对莫尔斯译码系统输出的温湿压信息接收并暂存等待发送。这样,通过串口发往发射调制电路的数据包括原始温度脉动量、5 s统计平均温度脉动方差、温度、湿度、气压。
2.4 发射与接收装置
为了提高数据发送的抗干扰能力,保障数据传输的可靠性,发射调制电路采用32.8 kHz和400 MHz二次调制方式。由单片机串口输出的数字量对32.8 kHz载波进行ASK调制,调制信号对400 MHz调制发射。天线发射功率大于1 W,保证探测高度在20 km以上。接收装置主要由天线、高频放大器、探空专用接收机、解调电路、数据处理单片机和计算机终端等组成。
探空专用接收机GTK-400工作频段为(400±5)MHz,体积小,是一种便携式产品,为进行野外探测提供了方便。整个接收系统的工作原理为:天线接收的信号经前端高频滤波、放大,进入接收机进行下变频得到32.8 kHz信号,经放大后再进行数据解调,由单片机的串口发往计算机进行处理、存储。
3 系统软件
湍流气象探空仪系统软件设计采用模块化开发,分为探空仪频率测量和发送软件、地面终端接收软件等。其中频率测量程序等采用C语言编写,地面终端接收软件采用VB开发。其中主要模块功能如下:
(1)频率测量程序模块:完成对模拟多路开关、逻辑时序电路的控制,对VFC压频变换的脉冲信号进行测频,并进行方差计算。
(2)串行口收发模块:对经过莫尔斯译码后的温湿压值接收并缓存,发送通道A原始温度脉动信息、通道A方差、通道B脉动信息、通道B方差、温湿压数据。为了保证数据发送的可靠性,采取冗余技术,每组数据发送3次,波特率为2 400。
(3)地面终端接收软件:主要完成从接受信息中解调出湍流、温度、压力、湿度信息,完成以上信息的识别、显示及存储。
4 湍流气象探空仪性能分析
4.1 仪器噪声和测量精度
系统噪声主要包括传感器的热噪声和数据无线传输中受到的干扰两部分。为了综合评估上述因素造成的影响,我们进行了系统噪声测试实验。实验时间选在天气晴朗的上午,地面风力为2~3级。用固定电阻代替微温探头,主要测试温度脉动仪在高空低温动态条件下的热噪声的变化以及数据无线传输抗干扰能力。从图6(a)可以看出,8 km以下探空系统噪声引起的温差均方差在0.002℃内,与温度脉动仪地面常温静态条件下的噪声(均值为0.001 3℃)相当。在对流层顶附近由于风切变引起探空仪剧烈摆动产生的温差均方差在0.005℃内。图6(b)是结合气压气温廓线,由公式(3)计算的C2n廓线,探空系统噪声引起的等效C2n小于2×10-18m-2/3。
4.2 仪器技术特点及实测结果分析
将温度脉动仪附加在常规气象探空仪上,五九型常规气象探空仪价格低廉,温湿压传感器性能稳定可靠,并有完整的标定资料。省去了大量的人力财力对这些参数进行的低温、定标等实验。我们的主要精力是放在如何对不同信号进行转换组合,提高湍流测量精度和可靠性上。
将五九型温湿压电码信号转换成ASCII码是探空仪的另一技术特点。
探空仪有两路温度脉动测量通道,一次探空可以测量两个不同空间距离的温度结构函数,可研究高空湍流各向同性假定适用范围。
探空仪除发送5 s内两点温度差的均方差值外,还发送采样频率为40 Hz的原始数据,这样通过测量高空单点温度脉动信号,可以进行高空温度谱特性研究。
图7是2008年6月在长春的一次探空实例。可以看出,在对流层温度递减率比0.006 5℃/m下降略快;湍流强度在近地面由较大值迅速减小,在2 km及12 km附近均有鼓包出现,在20 km处湍流强度减小到较小的值,从地面到高空湍流强度值跨越5个量级以上。双通道测量的湍流强度变化趋势符合较好。
5 结 论
本文详细介绍了最新研制的湍流气象探空仪的测量原理、硬件组成、软件设计以及技术特点,它具有双通道同时测量、自动莫尔斯译码等特征,能完成折射率结构常数垂直分布、温度脉动谱分析、惯性子区以及湍流各向同性的研究。通过稳定性试验证明该仪器具有较低的噪声,能够满足实际测量的要求。经过实际应用表明,该系统具有较高的精度和稳定性,能服务于激光传输、大气质量评价及天文台选址等相关领域对大气光学湍流研究的需要。
参考文献:
[1] Eaton F D.Recent developments of optical turbulence measurement techNIques[C]//Proc of SPIE. 2005,5793:68-76.
[2] Walters D L. Diurnal and seasonal variations in the atmospheric structure parameter (C2n) that affect the atmospheric modulation transferfunction(MTF)[C]//SPIE on Atmospheric Transmission. 1981,277:6-9.
[3] Andreas E L. EstimatingC2nover snow and sea ice from meteological data[J].Opt Soc Am A,1988,5(4):481-490.
[4] 吴晓庆,方强,绕瑞中.近海边高空光学湍流的探空测量与模式比较[J].强激光与粒子束,2006,18(10):1605-1609.(Wu Xiaoqing, FangQiang, Rao Ruizhong. Optical turbulence measurements on the coast with baloonborne thermosonde and comparison with model.HighPower Laser and Particle Beams,2006,18(10):1605-1609)
[5] 宋正方.应用大气光学基础[M].北京:气象出版社,1990:50-69.(Song Zhengfan. Foundation of applied atmospheric optics.Beijing:ChinaMeteorological Press,1990:50-69)
[6] 袁仁民,曾宗泳,肖黎明,等.不同方法测量折射率结构常数的比较[J].光学学报,2000,20(6):755-761.(Yuan Renming, Zeng Zongyong,Xiao Liming, et al. Comparison of some methods of measuring refractive index structureparameter.Acta Optica Sinica,2000,20(6):755-761)
[7] 吴晓庆,曾宗泳,马成胜.一种用来测量低层大气温湿度结构的高精度探空仪[J].量子电子学报,1999,16(4):380-383.(Wu Xiaoqing, ZengZongyong, Ma Chengsheng. A high precise radiosonde measuring the structure of low height atmospheric temperature and humidity.ChineseJournal of Quantum Electronics,1999,16(4):380-383)
[8] 吴晓庆,王英俭,曾宗泳,等.大气温度起伏谱的测量[J].强激光与粒子束,2002,14(2):233-237.(Wu Xiaoqing, Wang Yingjian, ZengZongyong, et al. Measurments of the spectrum of atmospheric temperature fluctuations.High Power Laser and Particle Beams,2002,14(2):233-237)
[9] 王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,1999:154-163.(Wang Huaxiang, Zhang Shuying. Principle and applicationof sensors,Tianjin:Tianjin University Press, 1999:154-163)
[10] 李群芳.单片微型计算机与接口技术[M].北京:电子工业出版社,2001:108-129,172-175.(Li Qunfang.Singlechip micro-computer and in-terface technology.Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2001:108-129,172-175)
[11] 马明建.数据采集与处理技术[M].2版.西安:西安交通大学出版社,2005:53-59,64-76.(Ma Mingjian.Data sampling and processing tech-nology. 2nd ed. Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press, 2005:53-59,64-76)
作者简介:秦余贞(1983—),男,山东济宁人,硕士研究生,主要从事大气光学湍流测量研究;yuzqin@163.com。
通信作者:吴晓庆,男,副研究员,xqwu@aiofm.ac.cn。
