CN105785479A - 一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统及方法，该系统包括球载探空单元和地面数据处理单元，球载探空单元包括相连的升空气球、无线电探空仪，升空气球内充灌密度比空气小的气体，以牵引无线电探空仪按一定速度从地面升至高空，无线电探空仪用于实现对所在高度气象要素的采集和编码，并通过无线数据传送的方式把数据发至地面数据处理单元；地面数据处理单元包括依次相连的接收天线、接收机、数据处理服务器，用于实现对无线电探空仪所发送的数据进行接收、解码以及显示、存储。本发明用于开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出。

Description

一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统及方法，属于气象探测技术领域。

背景技术

大气边界层是人类活动和各项生态环境构成的主要层次，是地球表面和自由大气间动量、热量和物质属性交换必经的气层。国内外重大气象实验大都把大气边界层研究作为核心的科学内容之一,其探测的气象要素一般包括气温、湿度、气压、风速、风向等。

大气边界层探测可依托现有的高空气象站开展。高空气象站是气象部门设在陆地或海上实施高空气象观测的场所，其主要任务是定时施放携带无线电探空仪的探空气球探测高空气象要素值，并将获取的资料按世界气象组织规定的统一格式整理、编报，通过通信系统传输给有关部门。高空站设备和场地除施放的无线电探空仪外，主要有温、湿、压等气象要素的探空信号接收机和记录设备。有不少高空气象站还采用测风雷达系统追踪气球的方式来进行风速和风向的探测。由于高空气象站站点较少，站间距较大，其数据仅能代表一定范围内的边界层特征，往往无法满足科学研究的实际需求；同时无线电探空仪探空仪上升速度高达6~7m/s，以保证传感器的通风要求，导致无法对大气边界层进行高分辨率探测。

若研究区域距离高空气象站站点较远，则往往通过系留探空系统开展大气边界层探测。系留探空系统组成主要包括气艇、系留绳、绞车、探空仪以及地面接收系统等，其中气艇体积一般超过6立方米、绞车重量达60千克。为保证系留探空系统的安全，要求风速较大或有降水事件发时停止观测。因此，在系留探空系统开展大气边界层探测时，可能因气象条件不符合要求而导致数据缺测；同时气艇、绞车等也需转移至库房等安全区域，对野外观测场地提出苛刻的要求，也造成人力的大量浪费。

发明内容

针对现有大气边界层探测常用手段所存在的观测条件要求高、探测数据分辨率低、数据缺测率高等上述不足，本发明提供一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统及方法，用于开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出，是现有大气边界层探测常用手段的可行性替代方案。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，包括球载探空单元和地面数据处理单元，其中，球载探空单元包括相连的升空气球、无线电探空仪，无线电探空仪包括用于供电的电源模块、微型处理器以及分别与微型处理器相连的气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块；地面数据处理单元包括依次连接的接收天线、接收机、数据存储显示模块；升空气球内充灌密度小于空气的气体。

作为本发明的进一步优化方案，升空气球内充灌的气体为氢气或氦气。

作为本发明的进一步优化方案，升空气球、无线电探空仪之间通过牵引线连接。

作为本发明的进一步优化方案，接收天线、接收机之间通过馈线连接。

作为本发明的进一步优化方案，接收机、数据存储显示模块通过数据线连接。

另一方面，本发明提供一种基于上述高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统的探空方法，具体步骤如下：

步骤一：根据实际需求选择合适的观测场地，架设好接收天线，通过馈线将接收天线与接收机进行连接，再通过数据线将接收机与数据存储显示模块连接；。

步骤二：根据采样分辨率的要求，给升空气球充灌相应量的密度比空气小的气体，保证升空气球具有一定的上升速度；

步骤三：通过牵引线将无线电探空仪与升空气球相连后，施放升空气球；

步骤四：无线电探空仪在升空过程中，不断将采集到的所在高度的气象要素编码后，通过无线数据传送的方式发送至地面；接收机通过接收天线对无线电探空仪所发送的数据进行接收并解码，再通过数据线将解码后的数据发送至数据存储显示模块进行存储和显示，以供工作人员调用。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的技术方案可开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

其中，10为球载探空单元，20为地面数据处理单元，11为升空气球，12为牵引线，13为无线电探空仪，21为接收天线，22为接收机，23为数据存储显示模块，24为馈线，25为数据线。

图2是本发明一实施例中无线电探空仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本实施例提供了一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，其主要组成包括球载探空单元和地面数据处理单元。

其中，球载探空单元包括升空气球、无线电探空仪（13）以及连接升空气球和无线电探空仪的牵引线。本实施例中，升空气球为30g原色乳胶气球；牵引线长30米。

如图2所示，无线电探空仪主要组成包括微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块、电源模块以及外围辅助单元。本实施例中，微型处理器为stc12c5a60s2型8位单片机；气压传感器为BMP180型气压传感器；温度传感器为Pt-100铂电阻温度传感器；湿度传感器为HC103M2型电容湿敏传感器；卫星定位导航传感器为VK1616U7G5L型GPS卫星定位导航传感器；无线数传模块为UM402型无线数传模块；电源模块由升压模块、稳压模块等组成，可实现3.3V和5.0V两路输出；外围辅助单元是上述微型处理器的外围电路以及各传感器的驱动电路。

其中，地面数据处理单元主要组成包括接收天线、接收机、数据存储显示模块。接收天线与接收机之间通过馈线连接。接收机与数据存储显示模块之间通过数据线连接。本实施例中，上述接收天线为9cm吸盘玻璃钢天线；上述接收机包括电源、解码等模块；上述数据存储显示模块为笔记电脑；上述馈线为带屏蔽层的RG174（50-2）型同轴通信馈线，阻抗为50欧姆，长度为50米；上述数据线为RS23转USB串口线，长度为1.5米。

基于上述高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统开展大气边界层探测工作，具体步骤如下：

步骤一：安装地面数据处理单元：根据实际需求选择合适的观测场地，架设好接收天线；通过馈线将接收天线与接收机间连接；通过数据线将接收机与数据处理服务器连接；确认连接无误后给接收机与数据处理服务器供电。

步骤二：准备球载探空单元：给升空气球充灌氦气，使其总举力达180g，以保证2.0m/s左右的上升速度；打开无线电探空仪的电源，并通过确定地面数据处理单元是否有接收数据，来确定无线电探空仪是否工作正常。

步骤三：开展大气边界层探测：通过牵引线把无线电探空仪与升空气球相连；根据具体的时间（如02时、08时、14时以及20时等）要求，施放升空气球；无线电探空仪将所在高度的气象要素采集和编码后，通过无线数据传送的方式把数据发至地面；接收机通过接收天线对无线电探空仪所发送的数据进行接收与解码，并通过数据线将解码后的数据发送至数据存储显示模块，实现气象要素数据的显示、存储。

步骤四：数据整理与分析：当无线电探空仪上升至指定高度后，地面数据处理单元结束数据的处理工作，工作人员对接收到的数据进行整理与分析，并根据要求制作大气边界层高度、逆温层、风场特性以及温、湿廓线等探测报告产品。

本实施例中，球载探空单元的总重量为200g左右，其中无线电探空仪的重量为130g左右；地面数据处理单元的总重量为4kg左右。即本发明上述实施方式所涉及的一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统重量不超过5kg。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，其特征在于，包括球载探空单元和地面数据处理单元，其中，

球载探空单元包括相连的升空气球、无线电探空仪，无线电探空仪包括用于供电的电源模块、微型处理器以及分别与微型处理器相连的气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块；

地面数据处理单元包括依次连接的接收天线、接收机、数据存储显示模块；

升空气球内充灌密度小于空气的气体。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，其特征在于，升空气球内充灌的气体为氢气或氦气。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，其特征在于，升空气球、无线电探空仪之间通过牵引线连接。

4.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，其特征在于，接收天线、接收机之间通过馈线连接。

5.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统，其特征在于，接收机、数据存储显示模块通过数据线连接。

6.一种基于如权利要求1至5中任一所述的高分辨率便携式大气边界层无线电探空系统的探空方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：根据实际需求选择合适的观测场地，架设好接收天线，通过馈线将接收天线与接收机进行连接，再通过数据线将接收机与数据存储显示模块连接；

步骤二：根据采样分辨率的要求，给升空气球充灌相应量的密度比空气小的气体，保证升空气球具有一定的上升速度；

步骤三：通过牵引线将无线电探空仪与升空气球相连后，施放升空气球；

步骤四：无线电探空仪在升空过程中，不断将采集到的所在高度的气象要素编码后，通过无线数据传送的方式发送至地面；接收机通过接收天线对无线电探空仪所发送的数据进行接收并解码，再通过数据线将解码后的数据发送至数据存储显示模块进行存储和显示，以供工作人员调用。