CN106772694A - 一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法 - Google Patents

一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106772694A
CN106772694A CN201611164316.XA CN201611164316A CN106772694A CN 106772694 A CN106772694 A CN 106772694A CN 201611164316 A CN201611164316 A CN 201611164316A CN 106772694 A CN106772694 A CN 106772694A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aircraft
measurement
micro
temperature sensor
turbulent flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201611164316.XA
Other languages
English (en)
Inventor
何枫
王浩
侯再红
谭逢富
张巳龙
秦来安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Original Assignee
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Institutes of Physical Science of CAS filed Critical Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority to CN201611164316.XA priority Critical patent/CN106772694A/zh
Publication of CN106772694A publication Critical patent/CN106772694A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/08—Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，包括有飞行器、探测器和地面站电脑，所述的飞行器具有在任意点悬停、垂直升降及稳定的自主飞行能力。所述的探测器包括有电池、数据存储器和温度脉动仪，温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器的机身连接。本发明依靠飞行器的垂直升降能力，保证了所测得数据为垂直大气廓线数据，提高了对廓线的测量准确性。

Description

一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法
技术领域
本发明涉及大气湍流测量技术领域，尤其涉及一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法。
背景技术
激光在湍流大气中传输时，由于大气中折射率的起伏导致激光波阵面畸变，引起光束漂移、光斑扩展和光强起伏等湍流效应。大气相干长度(r0)和大气折射率结构常数Cn 2是表征大气湍流前度的两个重要参数，大气相干长度与湍流强度的关系为
式中k为波数，h0为仪器离地面的高度，为天顶角，W(h)为核函数，可表示为
温度脉动仪是通过测量两点的温度脉动差求出再利用测量得到温度和气压的平均值，代入与Cn 2的关系式中，从而得到大气折射率结构常数。
根据Kolmogorov的局地均匀各向同性湍流的理论可知，在湍流惯性区内两点间的结构常数只与两点间的距离的2/3次方有关,与两点的位置和相对方向无关，于是在小尺度的情况下温度起伏结构函数和折射率起伏结构函数可表示为
式中，DT(r)和Dn(r)分别是温度和折射率的结构函数；和Cn 2分别是温度和折射率的结构常数，r是两点间的距离。
在可见光波段范围内，对流层(高度<17km)中地球大气的折射率表示为[10]：
式中，P是大气气压(单位：100Pa)，T是热力学温度(单位：K)，λ是光波波长(单位：μm)。对上式两边进行微分，可得：
在某一固定高度处，气压变化相对较小，可以忽略，折射率变化dn主要由温度dT产生。由此，大气折射率结构常数Cn 2与温度结构常数的关系是[10]：
因此只要得到压强P和温度T和两点的温度差，就能够计算出
由于温度脉动探空仪是通过测温来获得Cn 2，原理简单，技术成熟，容易实施，因此这种测量方法得到了广泛的应用。该方法的最大优势是它具有较高的分辨率，不足之处是实时性不强，测量一条完整廓线所需时间较长，并且若高空风速过大也会对探空气球的造成较大影响。
基于差分光柱像运动(Differential column image motion，DCIM)雷达的湍流廓线测量系统用来实时测量整层大气折射率结构常数廓线(以下称湍流廓线)，该系统由DCIM雷达和等晕角测量仪组成。该雷达以单束激光为信标，通过对激光光柱侧向散射信号成像的差分抖动信息结合不同高度光柱焦平面成像的算法，成功克服了近地面湍流对分时测量大气相干长度的干扰，能够同时测量1Km到高空12Km的大气相干长度廓线，测量实时性好。
根据DIM原理，两子孔径连线方向的差分像运动方差与大气相干长度(r0)的关系表示为：
其中D表示子孔径直径，d表示子孔径中心间距，r0表示大气相干长度，与波数k和信标高度ZBeacon关系为：
通过连续分析两光带对应区域成像的差分运动大小即可得到大气相干长度廓线。
在实际应用中，大气相干长度仪的定标往往是采用探空气球法，就是将温度脉动仪挂在探空气球下，随探空气球上升过程中进行测量从而获得整层大气相干长度与大气相干长度仪测量结果对比分析。但气球上升时间较长，测得整层大气相干长度所需时间较长，实时性差。这便导致了定标有较大的误差。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，将带有电池、数据存储器的温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数的测量,温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器连接，飞行器上飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控上,使用遥控器解锁飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后飞行器就会自动开始执行任务进行测量,依靠飞行器的悬停能力，用温度脉动仪实现在任意地点、任意高度进行稳定的参数测量，测量时把实验测得的压强P和温度T和两点的温度差及从飞控获得实时的高度数据直接存储在温度脉动仪的数据存储器内；在地面站设置飞行器最大上升速度后，使用遥控器解锁飞行器，然后操作飞行器飞行到湍流廓线雷达附近，记录下测量开始时间，将遥控器油门推到最大处，飞行器将会按照最大速度上升测量，将飞行器的高度与测量得到的大气折射率结构常数进行处理，拟合出3KM以下的各个高度上的R0廓线与湍流雷达测得的R0廓线进行对比分析。
传统的探空气球在上升过程中，受到风的影响，会偏离原来位置，而且偏离距离及上升轨迹决定于风的速度及风向，具有不可控性。当气球在一定高度爆炸后，所挂载的仪器自由飘落，即使能够找回所挂仪器，仪器往往也有较大的损坏，因此该种方法还不利于仪器的重复使用。
将温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器上，温度脉动仪距离飞行器有一定的距离以避免飞行器产生的下压风场对温度脉动仪测量造成影响。依靠飞行器上自带的GPS及其他惯性传感器，可以将飞行器位置水平偏差控制在±2米以内、垂直偏差控制在±0.5米以内，从而实现精确的位置测量、有效克服风对测量的影响。
温度脉动仪往往作为其他测量大气湍流方法的标定装置，如大气相干长度仪。但是由于测量原理上的不同，两个仪器测量结果存在一个较大的差异。本发明方法在给大气相干长度仪进行水平定标时，可以采用在相干长度仪测量路径附近的另一平行路径上，采用由近及远匀速运动的方法来测量整个路径上的Cn 2以减少测量原理不同导致的差异，提高定标精度。
另外，为了解Cn 2在不同高度上的差异特性是，需要长期对某个高度点进行测量观测，常规的办法是将多个温度脉动仪架设在铁塔上，但铁塔高度有限。本发明的另外一个优点就是可以弥补这种不足，采用系留的办法，通过两根电线为飞行器供电，可实现长期对某几个较高高度点的长期观测。
本发明的优点是：1、本发明提出的大气湍流测量方法可保证在3公里以下测量任意点的垂直湍流廓线，且数据密度可控。
2、本发明提出的大气湍流测量方法可以在空中任意点进行悬停测量。
3、本发明使用的飞行器及测量仪器可以重复使用，在测量时可以在把实验数据直接存储在专用存储器上，省去了地面数据接收装置和信号发射装置，也避免了数据传输时可能存在的干扰。
4、本发明定标及测量方法与采用探空气球法相比，不需要使用价格高昂的氦气，也不会对测量仪器造成损坏，可以大幅降低实验成本。实验操作方便快捷。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，将带有电池10、数据存储器11的温度脉动仪9挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数Cn 2的测量,包括有飞行器、探测器和地面站电脑，所述的飞行器包括有机身12以及安装在机身12外侧的多个机架3，在每个机架3的端部安装有无刷电机1，在机身12内部安装有飞控4、GPS5、数传电台6、接收机7和无刷电子调速器2，所述的GPS5、数传电台6、接收机7和无刷电子调速器2均与飞控4连接，所述的无刷电子调速器2通过接收飞控的油门信号控制无刷电机转速，在飞控4内部集成有加速度计、电子罗盘和气压高度计，所述的接收机7还与遥控器通讯连接，所述的探测器包括有电池10、数据存储器11和温度脉动仪9，电池10和数据存储器11均与温度脉动仪9连接，温度脉动仪9通过带有收放装置的细线与飞行器的机身12连接，所述的飞控4通过数传电台6与地面站电脑无线连接，遥控器信号由接收机7接收后将信息发送给飞控4，温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器连接，飞控4通过数传电台6将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控4上,使用遥控器解锁飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后飞行器就会自动开始执行任务进行测量,依靠飞行器的悬停能力，用温度脉动仪9实现在任意地点、任意高度进行稳定的参数测量，测量时把实验测得的压强P和温度T和两点的温度差及从飞控获得实时的高度数据直接存储在温度脉动仪的数据存储器内；在地面站设置飞行器最大上升速度后，使用遥控器解锁飞行器，然后操作飞行器飞行到湍流廓线雷达附近，记录下测量开始时间，将遥控器油门推到最大处，飞行器将会按照最大速度上升测量，将飞行器的高度与测量得到的大气折射率结构常数进行处理，拟合出3KM以下的各个高度上的R0廓线与湍流雷达测得的R0廓线进行对比分析。

Claims (1)

1.一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，其特征在于：将带有电池、数据存储器的温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数C n 2 的测量,温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器连接，飞行器上飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控上,使用遥控器解锁飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后飞行器就会自动开始执行任务进行测量,依靠飞行器的悬停能力，用温度脉动仪实现在任意地点、任意高度进行稳定的参数测量，测量时把实验测得的压强P和温度T和两点的温度差及从飞控获得实时的高度数据直接存储在温度脉动仪的数据存储器内；在地面站设置飞行器最大上升速度后，使用遥控器解锁飞行器，然后操作飞行器飞行到湍流廓线雷达附近，记录下测量开始时间，将遥控器油门推到最大处，飞行器将会按照最大速度上升测量，将飞行器的高度与测量得到的大气折射率结构常数C n 2 进行处理，拟合出3KM以下的各个高度上的R0廓线与湍流雷达测得的R0廓线进行对比分析。
CN201611164316.XA 2016-12-16 2016-12-16 一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法 Pending CN106772694A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611164316.XA CN106772694A (zh) 2016-12-16 2016-12-16 一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611164316.XA CN106772694A (zh) 2016-12-16 2016-12-16 一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106772694A true CN106772694A (zh) 2017-05-31

Family

ID=58891594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611164316.XA Pending CN106772694A (zh) 2016-12-16 2016-12-16 一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106772694A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109814131A (zh) * 2019-02-21 2019-05-28 中国科学技术大学 一种基于激光雷达风速数据的湍流参数反演方法
CN110108842A (zh) * 2019-05-16 2019-08-09 安徽建筑大学 一种基于无人机的大气折射率结构常数测量装置与方法
CN110286390A (zh) * 2019-06-11 2019-09-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种指定路径风速测量方法、装置及测风雷达标定方法
CN110673228A (zh) * 2019-08-30 2020-01-10 北京航空航天大学 一种仿蒲公英结构的下投式探空仪
CN115356787A (zh) * 2022-10-21 2022-11-18 南京信息工程大学 一种大气相干长度的计算和预报方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1945355A (zh) * 2006-10-27 2007-04-11 中国科学院武汉物理与数学研究所 采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达
CN200983010Y (zh) * 2006-12-18 2007-11-28 上海长望气象科技有限公司 探空仪放线器
CN201035164Y (zh) * 2007-04-19 2008-03-12 汕头电子技术研究设计所 一种由气球携吊探空仪用的解绕器
CN101191840A (zh) * 2006-11-22 2008-06-04 中国科学院安徽光学精密机械研究所 Gps多功能湍流探空仪及其测量方法
CN103661915A (zh) * 2013-11-18 2014-03-26 中国空间技术研究院 一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统
CN105068157A (zh) * 2015-07-24 2015-11-18 中国科学院光电研究院 对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法
US20160084989A1 (en) * 2014-09-18 2016-03-24 Vision Engineering Solutions, LLC Atmosphere profiling systems
CN105891908A (zh) * 2016-04-19 2016-08-24 华南农业大学 一种适用于无人机的机载气象站装置及其使用方法
CN106019407A (zh) * 2016-07-14 2016-10-12 无锡信大气象传感网科技有限公司 一种基于双余度遥控无人机的无线电探空系统

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1945355A (zh) * 2006-10-27 2007-04-11 中国科学院武汉物理与数学研究所 采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达
CN101191840A (zh) * 2006-11-22 2008-06-04 中国科学院安徽光学精密机械研究所 Gps多功能湍流探空仪及其测量方法
CN200983010Y (zh) * 2006-12-18 2007-11-28 上海长望气象科技有限公司 探空仪放线器
CN201035164Y (zh) * 2007-04-19 2008-03-12 汕头电子技术研究设计所 一种由气球携吊探空仪用的解绕器
CN103661915A (zh) * 2013-11-18 2014-03-26 中国空间技术研究院 一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统
US20160084989A1 (en) * 2014-09-18 2016-03-24 Vision Engineering Solutions, LLC Atmosphere profiling systems
CN105068157A (zh) * 2015-07-24 2015-11-18 中国科学院光电研究院 对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法
CN105891908A (zh) * 2016-04-19 2016-08-24 华南农业大学 一种适用于无人机的机载气象站装置及其使用方法
CN106019407A (zh) * 2016-07-14 2016-10-12 无锡信大气象传感网科技有限公司 一种基于双余度遥控无人机的无线电探空系统

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109814131A (zh) * 2019-02-21 2019-05-28 中国科学技术大学 一种基于激光雷达风速数据的湍流参数反演方法
CN109814131B (zh) * 2019-02-21 2022-09-30 中国科学技术大学 一种基于激光雷达风速数据的湍流参数反演方法
CN110108842A (zh) * 2019-05-16 2019-08-09 安徽建筑大学 一种基于无人机的大气折射率结构常数测量装置与方法
CN110286390A (zh) * 2019-06-11 2019-09-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种指定路径风速测量方法、装置及测风雷达标定方法
CN110673228A (zh) * 2019-08-30 2020-01-10 北京航空航天大学 一种仿蒲公英结构的下投式探空仪
CN115356787A (zh) * 2022-10-21 2022-11-18 南京信息工程大学 一种大气相干长度的计算和预报方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106772694A (zh) 一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法
Abichandani et al. Wind measurement and simulation techniques in multi-rotor small unmanned aerial vehicles
CN107132590B (zh) 利用下投探空测量大气垂直风的方法和装置
CN104459183B (zh) 一种基于物联网的单相机车辆测速系统及方法
CN110286390A (zh) 一种指定路径风速测量方法、装置及测风雷达标定方法
US8718971B2 (en) System for determining the airspeed of an aircraft
Båserud et al. Proof of concept for turbulence measurements with the RPAS SUMO during the BLLAST campaign
CN106770062B (zh) 一种大气透过率测量及标定方法
CN104820434A (zh) 一种无人机对地面运动目标的测速方法
CN104568652B (zh) 一种高精度测量临近空间大气密度的方法及测量装置
CN208536841U (zh) 基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量装置
CN102175882B (zh) 基于自然地标的无人直升机视觉测速方法
CN111142548A (zh) 一种测绘无人机以及基于无人机的测绘方法
Vasiljević et al. Wind sensing with drone-mounted wind lidars: proof of concept
JP2020173138A (ja) 風向風速計測方法及び風向風速計測システム
CN102706331B (zh) 航拍测绘图像校正方法
US20220189318A1 (en) Aircraft sensor system synchronization
CN209746157U (zh) 一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统
CN108592873A (zh) 基于ldv/ins组合的车载高程计及其方法
CN112763138A (zh) 一种飞越塔静压校准方法
US9546954B2 (en) Atmosphere profiling systems
CN108759792B (zh) 基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法
CN110146123B (zh) 一种基于多信息融合的明渠输水监控方法
De Bruijn et al. Measuring low-altitude winds with a hot-air balloon and their validation with Cabauw tower observations
Jin et al. Rotary-wing drone-induced flow–comparison of simulations with lidar measurements

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170531

RJ01 Rejection of invention patent application after publication