CN109540339A - 用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的装置 - Google Patents

用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的装置，按照本发明提供的技术方案，所述用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，包括用于收纳数据采集存储处理单元的载荷舱，在所述载荷舱的上表面设置上端影响因素测量单元，在载荷舱的下表面设置下端影响因素测量单元，还包括与载荷舱下表面连接的悬挂温度测量单元，所述上端影响因素测量单元、下端影响因素测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储处理单元电连接；本发明结构紧凑，连续观测时间长，能实现多要素测量，抗干扰能力强，能有效确定高空气球平台大气温度测量受辐射影响的情况，安全可靠。

Description

用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的装置
技术领域
本发明涉及一种高空多气象要素观测设备，尤其是一种用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的装置，具体地说搭载于高空气球平台长时间联合测量平流层区域大气温度和辐射的探测设备，以用来定量分析辐射对于大气温度测量的影响，属于高空大气探测的技术领域。
背景技术
平流层高空大气综合探测技术研发是开展大气科学研究的重要前提和基础，平流层区域特殊的大气物理、化学特性的表征需要先进的科学实验手段作为支撑。但是，平流层区域长期以来缺乏系统高效的气象观测手段，亟需开展相关高空气象观测技术研究。研发平流层大气观测技术将有助于认知高空区域的一些关键大气科学问题。
平流层高空气球平台携带温度传感器观测时会受到辐射影响，造成温度测量偏高的误差。这主要是由于气球平台随气团整体飘动，相对于大气运动弱，热交换不充分，温度传感器表面堆积辐射热量引起。因此，需要研发基于高空气球平台的辐射对大气温度测量影响的定量分析装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其结构紧凑，连续观测时间长，能实现多要素测量，抗干扰能力强，能有效确定高空气球平台大气温度测量受辐射影响的情况，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，包括用于收纳数据采集存储处理单元的载荷舱，在所述载荷舱的上表面设置上端影响因素测量单元，在载荷舱的下表面设置下端影响因素测量单元，还包括与载荷舱下表面连接的悬挂温度测量单元，所述上端影响因素测量单元、下端影响因素测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储处理单元电连接；
所述上端影响因素测量单元包括用于测量短波辐射的上短波辐射表、用于测量长波辐射的上长波辐射表以及用于测量上端表面温度的上温度传感器；所述下端影响因素测量单元包括用于测量短波辐射的下短波辐射表、用于测量长波辐射的下长波辐射表以及用于测量下端表面温度的下温度传感器，所述悬挂温度测量单元包括连接导线以及位于所述连接导线端部的悬挂温度传感器，悬挂温度传感器通过连接导线与数据采集存储处理单元电连接；
所述数据采集存储处理单元能采集并存储上短波辐射表测量的上端表面短波辐射值、上长波辐射表测量的上端表面长波辐射值、上温度传感器测量的上端表面温度值、下短波辐射表测量的下端表面短波辐射值、下长波辐射表测量的下端表面长波辐射值、下温度传感器测量的下端表面温度值以及悬挂温度传感器测量的悬挂温度值，且能根据数据采集存储处理单元所采集并存储的上端表面短波辐射值、上端表面长波辐射值、上端表面温度值、下端表面短波辐射值、下端表面长波辐射值、下端表面温度值以及悬挂温度值能确定辐射对高空气球平台大气温度测量的影响状态。
在所述载荷舱内还设置用于供电的电池，所述电池以及数据采集存储处理单元均通过硬质泡沫包裹后置于载荷舱内，数据采集存储处理单元包括数据采集处理器以及与所述数据采集处理器电连接的数据存储器，所述数据采集处理器与数据存储器之间通过RS232串口连接。
所述上温度传感器、下温度传感器以及悬挂温度传感器均采用珠状温度传感器。
在所述载荷舱的上端表面设置与上温度传感器适配的上轴流风机，通过上轴流风机能抽动空气流动吹过上温度传感器的表面；
在载荷舱的下端表面设置与下温度传感器适配的下轴流风机，通过所述下轴流风机能抽动空气流动并吹过下温度传感器的表面，上轴流风机、下轴流风机均采用抽气工作模式。
所述载荷舱呈正方体状，在载荷舱的侧面设置贯通载荷舱侧面的侧面窗口。
所述连接导线的表面具有导线表面抗辐射涂层。
所述载荷舱的表面设置载荷舱抗辐射涂层。
所述连接导线的长度为2米～3米。
还包括GPS模块，所述GPS模块与数据采集存储处理单元电连接，数据采集存储处理单元通过GPS模块的定位信息能确定太阳高度角以及太阳方位角。
所述上温度传感器、下温度传感器以及悬挂温度传感器上均涂覆有测温抗反射涂层。
本发明的优点：载荷舱由高空气球观测平台携带升空，到达高空平流层指定高度后开展大气温度和辐射的联合观测，可定量分析辐射对大气温度测量的影响，可显著提升平流层高空大气探测技术，并可为平流层大气温度和辐射的分布结构及其变化特征研究提供关键的原位探测设备，进而为描述平流层能量收支和辐射过程提供重要基础数据，连续观测时间长，能实现多要素测量，抗干扰能力强，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的立体图。
附图标记说明：1-载荷仓、2-上短波辐射表、3-上轴流风机、4-上温度传感器、5-上温度传感器支架、6-上长波辐射表、7-下长波辐射表、8-连接导线、9-悬挂温度传感器、10-数据采集存储处理单元、11-电池、12-侧面窗口、13-下温度传感器、14-下温度传感器支架以及15-下短波辐射表。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示：连续观测时间长，能实现多要素测量，抗干扰能力强，能有效确定高空气球平台大气温度测量受辐射影响的情况，本发明包括用于收纳数据采集存储处理单元10的载荷舱1，在所述载荷舱1的上表面设置上端影响因素测量单元，在载荷舱1的下表面设置下端影响因素测量单元，还包括与载荷舱1下表面连接的悬挂温度测量单元，所述上端影响因素测量单元、下端影响因素测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储处理单元电连接；
所述上端影响因素测量单元包括用于测量短波辐射的上短波辐射表2、用于测量长波辐射的上长波辐射表6以及用于测量上端表面温度的上温度传感器4；所述下端影响因素测量单元包括用于测量短波辐射的下短波辐射表15、用于测量长波辐射的下长波辐射表7以及用于测量下端表面温度的下温度传感器13，所述悬挂温度测量单元包括连接导线8以及位于所述连接导线8端部的悬挂温度传感器9，悬挂温度传感器9通过连接导线8与数据采集存储处理单元电连接；
所述数据采集存储处理单元能采集并存储上短波辐射表2测量的上端表面短波辐射值、上长波辐射表6测量的上端表面长波辐射值、上温度传感器4测量的上端表面温度值、下短波辐射表15测量的下端表面短波辐射值、下长波辐射表7测量的下端表面长波辐射值、下温度传感器13测量的下端表面温度值以及悬挂温度传感器9测量的悬挂温度值，且能根据数据采集存储处理单元所采集并存储的上端表面短波辐射值、上端表面长波辐射值、上端表面温度值、下端表面短波辐射值、下端表面长波辐射值、下端表面温度值以及悬挂温度值能确定辐射对高空气球平台大气温度测量的影响状态。
具体地，所述载荷舱1呈正方体状，在载荷舱1的侧面设置贯通载荷舱1侧面的侧面窗口12，载荷舱1可以采用镁铝合金制成，以减少载荷舱1的重量。在载荷舱1的侧面设置侧面窗口2后，在不影响对大气温度测量的情况下，进一步减轻载荷舱1的重量。所述载荷舱1的表面设置载荷舱抗辐射涂层，在载荷舱1的外表面涂覆载荷舱抗辐射涂层后，能有效减少太阳辐射的吸收，载荷舱抗辐射涂层可以采用现有常用的抗太阳辐射的材料制成。
本发明实施例中，在所述载荷舱1内还设置用于供电的电池12，所述电池12以及数据采集存储处理单元均通过硬质泡沫包裹后置于载荷舱1内，数据采集存储处理单元包括数据采集处理器以及与所述数据采集处理器电连接的数据存储器，所述数据采集器与数据存储器之间通过RS232串口连接。
具体实施时，高空平流层为低温大气环境，为了保温，将电池12以及数据采集存储处理单元通过硬质泡沫包裹后置于载荷舱1内，通过数据采集处理器能采集数据并实现对数据的分析处理，通过数据存储器能存储数据采集器采集后以及处理后的数据，数据采集处理器、数据存储器均可以采用现有常用的形式，具体为本技术领域人员所熟知。具体地，数据采集处理器与上短波辐射表2、上长波辐射表6、上温度传感器4、下短波辐射表15、下长波辐射表7、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9电连接，从而能得到待处理的上端表面短波辐射值、上端表面长波辐射值、上端表面温度值、下端表面短波辐射值、下端表面长波辐射值、下端表面温度值以及悬挂温度值，数据采集处理器通过对上述数据进行综合处理后，能确定辐射对高空气球平台的大气温度测量的影响，为高空气球平台大气温度的精确测量提供依据。
具体实施时，为快速排查供电故障和稳定系统工作模式，本发明采用12V直流胶体电池两级供电模式，所述电池安装于载荷舱1的泡沫内部，与数据采集存储处理单元相邻，并自系统启动后始终进行供电。第一级由总电池给数据采集处理器和数据存储器供电，上短波辐射表2、上长波辐射表6、上温度传感器4、下短波辐射表15、下长波辐射表7、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9经数据采集器供电并进行数据采集。
进一步地，所述上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9均采用珠状温度传感器。
理论上温度传感器体积越小，则吸收辐射能量越少，散热也越快，受辐射影响越小。日间主要考虑太阳短波辐射影响，夜间可以忽略太阳短波辐射影响，仅需要考虑大气长波辐射影响。因此，本发明实施例中，上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9均采用珠状温度传感器。为了减小长波与短波辐射影响，温度传感器表面采用涂层处理，即所述上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9上均涂覆有测温抗辐射涂层。测温抗辐射涂层可以采用现有常用的涂层材料，如镀铝涂层等，具体涂层材料的类型等均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。本发明实施例中，所提到的抗辐射涂层均可以采用镀铝涂层。
进一步地，所述连接导线8的长度为2米～3米。本发明实施例中，所述连接导线8的表面具有导线表面抗辐射涂层，利用导线表面抗辐射涂层能减少太阳辐射的吸收影响，提高温度测量的精度。具体实施时，悬挂温度传感器9通过连接导线8能与数据采集存储处理单元电连接，以实现悬挂温度传感器9的供电并实现对悬挂温度传感器9测量悬挂温度的采集。
还包括GPS模块，所述GPS模块与数据采集存储处理单元电连接，数据采集存储处理单元通过GPS模块的定位信息能确定太阳高度角以及太阳方位角。本发明实施例中，GPS模块可以采用常用的形式，通过PGS模块能确定载荷舱1当前位置状态的太阳高度角以太阳方位角，具体根据定位信息确定太阳高度角以及太阳方位角的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
进一步地，在所述载荷舱1的上端表面设置与上温度传感器4适配的上轴流风机3，通过上轴流风机3能抽动空气流动吹过上温度传感器4的表面；
在载荷舱1的下端表面设置与下温度传感器13适配的下轴流风机，通过所述下轴流风机能抽动空气流动并吹过下温度传感器13的表面，上轴流风机3、下轴流风机均采用抽气工作模式。
本发明实施例中，上轴流风机3、下轴流风机也均由数据采集器供电并进行相关数据的采集。上轴流风机3、下轴流风机均采用现有常用的形式，均可以通过外购等方式获得，且上轴流风机3、下轴流风机均采用抽气工作模式。图1和图2中，并未示出下轴流风机与下温度传感器13之间的配合，具体可以参考上轴流风机3与上温度传感器4之间的配合。
上温度传感器4距离载荷舱1上端表面的高度为10cm附近，下温度传感器13距离载荷舱1下端表面的高度也为10cm左右。上温度传感器4通过上温度传感器支架5安装于载荷舱1的上端表面，下温度传感器13通过下温度传感器支架14安装于载荷舱1的下端表面，在上温度传感器支架5内埋设有电连接上温度传感器4与数据采集存储处理单元11的导线，同理，在下温度传感器支架14内埋设用于电连接下温度传感器13与数据采集存储处理单元10的导线。本发明实施例中，上温度传感器支架5以及下温度传感器支架14的外壁上也均需涂覆抗反射涂层，所述抗反射涂层即为上述说明的镀铝涂层。
具体实施时，整套设备由高空气球平台携带升空，到达指定高度后随气团飘动并开展观测，载荷舱1用绳子悬挂于高空气球下方100米处，避免高空气球阴影对辐射观测数据的可能影响。利用载荷舱1上的上温度传感器4，能得到上端表面温度值T1，利用载荷舱1上的下温度传感器13能得到下端表面温度值T2，利用悬挂温度传感器9能得到悬挂温度T3。
对于上短波辐射表2以及下短波辐射表15，短波辐射表探测波长范围为300～2800nm，短波辐射值为：其中，RS为太阳短波辐射值，单位为W/m2；VS为电压测量值，单位为V；XS为短波辐射表灵敏度，单位为V/(W/m2)。对于上长波辐射表6以及下长波辐射表7，长波辐射表探测波长范围为4500～50000nm，太阳长波辐射值计算公式为：其中，RL为长波辐射值，单位为W/m2；VL为测量电压值，单位为V；XL为辐射表灵敏度，单位为V/(W/m2)；T为长波辐射表的绝对温度，单位为K。
高空气球平台温度测量误差来源，白天主要考虑太阳短波辐射(RS)影响，夜间可以忽略太阳短波辐射影响，仅需要考虑大气长波辐射(RL)影响。白天时段，载荷舱1上表面设置的上温度传感器4，尽管后面设置了强制通风的上轴流风机3，但由于受太阳照射，应该存在一定的太阳短波辐射引起的温度测量误差。由于载荷舱1遮挡，设置于载荷舱1下表面的下温度传感器13会在一定时段内处于载荷舱1阴影中。此时，下温度传感器13接收太阳短波辐射弱，理论上所述下温度传感器13测量得到的下端表面温度T2结果应该更为准确。
下温度传感器13受载荷舱1遮挡的时段，可通过太阳高度角(θ)和方位角计算得出。在载荷舱1下表面中心悬挂的悬挂温度传感器9远离载荷舱1，受载荷舱1反射的太阳辐射应该小于放置于载荷舱1的上温度传感器4以及下温度传感器13。但由于悬挂温度传感器9未与强制通风设备配合，也有可能存在一定辐射热量堆积。此外，高空气球平台飞行时间(t)也可能影响温度测量结果。高空气球平台长时间(比如数天或数月)连续在空中飞行，由于受平流层动力场、湍流、辐射、雷电和其他极端事件的影响，载荷舱1表面物理状态有可能发生改变，进而对辐射堆积效应产生影响，最终影响温度传感器的测量结果。
综上分析，不同设计安装的大气温度传感器测量数据可能受短波辐射(RS)、长波辐射(RL)、太阳高度角(θ)、太阳方位角和平台飞行时间(t)影响。通过联合载荷舱1设置的上温度传感器4、下温度传感器13、悬挂温度传感器9和上短波辐射表2、上长波辐射表6、下短波辐射表15以及下长波辐射表5探测相对应的数据，可统计分析并建立辐射对高空气球平台不同设计安装大气温度传感器测量影响的关系：
式中：
ΔTij为两两温度传感器之间的温度测量差异。即：ΔT12＝T1-T2为载荷舱1上温度传感器4、下温度传感器13之间的温度测量差异；ΔT13＝T1-T3为载荷舱1上温度传感器4与远离载荷舱1的悬挂温度传感器9之间的温度测量差异；ΔT23＝T2-T3为载荷舱1下表面的下温度传感器13与远离载荷舱1的悬挂温度传感器9的温度测量差异。RS1、RS2分别为载荷舱1的上短波辐射表2、下短波辐射表15相对应的短波辐射值。RL1、RL2分别为载荷舱1上长波辐射表6、下长波辐射表7相对应的长波辐射值。θ、分别为太阳高度角、太阳方位角，可通过GPS数据(经度、纬度、高度)和数据采集器提供的时间信息计算得出。t为高空气球平台在空中飞行时间，可由数据采集器提供。
本发明实施例中，高空气球平台飞行过程中，会受到太阳短波辐射、地面和云的反射辐射与长波辐射影响，同时高空气球平台会向外发出长波辐射，并与大气对流交换热量。上述辐射作用均对温度传感器起增温影响，因此，同一个时刻上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9中相对应测量的最低温度测量值即可视为大气温度的相对真值。
日出前，上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9主要是受高空气球平台和大气发射的长波辐射(RL1、RL2)影响。悬挂温度传感器9远离高空气球平台，受到高空球平台发射的长波辐射影响较小，主要受大气长波辐射影响，此时引起的温度测量误差应该较小。载荷舱1上温度传感器4、下温度传感器13均配有轴流风机，用于加强两个温度传感器与大气的对流交换热量，使得高空气球平台和大气长波辐射对所述上温度传感器4、下温度传感器13的影响也应该较小。因此，日出前，上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9对应测量的温度值的差异(ΔTij)应该很小。
日出后，上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9对于温度测量主要受太阳短波辐射(RS1、RS2)影响。在低太阳高度角(θ)时，上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9均被太阳照射，温度测量值会受到太阳短波辐射影响。载荷舱1上温度传感器4、下温度传感器13均配有轴流风机，短波辐射引起的热量堆积应该较小，所述上温度传感器4、下温度传感器13的温度测量差异应该较小。悬挂温度传感器9未配有轴流风机，其温度测量值可能由于太阳短波辐射影响而偏高。在高太阳高度角(θ)时，载荷舱1的下温度传感器13处于高空气球平台阴影遮挡区域，其受太阳短波辐射影响最小，温度测量值应该最小、最为准确。载荷舱1上温度传感器4、悬挂温度传感器9温度测量值，可能会由于太阳短波辐射影响而偏高。上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9均设置于高空气球平台的中心位置附近，考虑到其安装位置相对于高空气球平台的空间对称性，太阳方位角对上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9相对应的温度测量差异(ΔTij)影响应该相对很小。高空气球平台连续飞行时间(t)长达数天或数月时，大气湍流、辐射、雷电和臭氧等会腐蚀载荷舱1的抗辐射涂层，破坏载荷舱1表面物理状态的均匀性，从而影响辐射堆积效应，可能会导致上温度传感器4、下温度传感器13以及悬挂温度传感器9相对应的温度测量差异(ΔTij)随飞行时间(t)增加而逐步增大。
综上，通过上温度传感器4、上短波辐射表2、上长波辐射表6、下温度传感器13、下短波辐射表15、下长波辐射表7以及悬挂温度传感器9相对应的测量值，可统计分析得出上面函数关系式的具体表达式，定量确定高空气球平台不同设计安装的大气温度传感器测量结果受辐射的影响，用于指导基于高空气球平台的温度传感器安装位置优化设计，并开展温度测量结果的辐射误差修正。

Claims (10)

1.一种用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：包括用于收纳数据采集存储处理单元的载荷舱（1），在所述载荷舱（1）的上表面设置上端影响因素测量单元，在载荷舱（1）的下表面设置下端影响因素测量单元，还包括与载荷舱（1）下表面连接的悬挂温度测量单元，所述上端影响因素测量单元、下端影响因素测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储处理单元电连接；
所述上端影响因素测量单元包括用于测量短波辐射的上短波辐射表（2）、用于测量长波辐射的上长波辐射表（6）以及用于测量上端表面温度的上温度传感器（4）；所述下端影响因素测量单元包括用于测量短波辐射的下短波辐射表（15）、用于测量长波辐射的下长波辐射表（7）以及用于测量下端表面温度的下温度传感器（13），所述悬挂温度测量单元包括连接导线（8）以及位于所述连接导线（8）端部的悬挂温度传感器（9），悬挂温度传感器（9）通过连接导线（8）与数据采集存储处理单元电连接；
所述数据采集存储处理单元能采集并存储上短波辐射表（2）测量的上端表面短波辐射值、上长波辐射表（6）测量的上端表面长波辐射值、上温度传感器（4）测量的上端表面温度值、下短波辐射表（15）测量的下端表面短波辐射值、下长波辐射表（7）测量的下端表面长波辐射值、下温度传感器（13）测量的下端表面温度值以及悬挂温度传感器（9）测量的悬挂温度值，且能根据数据采集存储处理单元所采集并存储的上端表面短波辐射值、上端表面长波辐射值、上端表面温度值、下端表面短波辐射值、下端表面长波辐射值、下端表面温度值以及悬挂温度值能确定辐射对高空气球平台大气温度测量的影响状态。
2.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：在所述载荷舱（1）内还设置用于供电的电池，所述电池以及数据采集存储处理单元均通过硬质泡沫包裹后置于载荷舱（1）内，数据采集存储处理单元包括数据采集处理器以及与所述数据采集处理器电连接的数据存储器，所述数据采集处理器与数据存储器之间通过RS232串口连接。
3.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：所述上温度传感器（4）、下温度传感器（13）以及悬挂温度传感器（9）均采用珠状温度传感器。
4.根据权利要求1或3所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：在所述载荷舱（1）的上端表面设置与上温度传感器（4）适配的上轴流风机（3），通过上轴流风机（3）能抽动空气流动吹过上温度传感器（4）的表面；
在载荷舱（1）的下端表面设置与下温度传感器（13）适配的下轴流风机，通过所述下轴流风机能抽动空气流动并吹过下温度传感器（13）的表面，上轴流风机（3）、下轴流风机均采用抽气工作模式。
5.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：所述载荷舱（1）呈正方体状，在载荷舱（1）的侧面设置贯通载荷舱（1）侧面的侧面窗口（12）。
6.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：所述连接导线（8）的表面具有导线表面抗辐射涂层。
7.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：所述载荷舱（1）的表面设置载荷舱抗辐射涂层。
8.根据权利要求1或6所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：所述连接导线（8）的长度为2米~3米。
9.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：还包括GPS模块，所述GPS模块与数据采集存储处理单元电连接，数据采集存储处理单元通过GPS模块的定位信息能确定太阳高度角以及太阳方位角。
10.根据权利要求1所述的用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的设备，其特征是：所述上温度传感器（4）、下温度传感器（13）以及悬挂温度传感器（9）上均涂覆有测温抗反射涂层。
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