CN112285805A - 一种风速脉动湍流探空系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风速脉动湍流探空系统，包括气球、切断器、降落伞、回收追踪系统、风速脉动系统以及气象探空系统，所述气球、降落伞、回收追踪系统、风速脉动系统以及气象探空系统从上到下依次通过线缆连接，所述切断器设置在气球与降落伞的连接线上；风速脉动系统实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，记录设备的姿态和GPS信息，气象探空系统实时采集垂直方向的温度湿度大气压力数据，回收追踪系统判断设备所处的地理位置，当返回的高度数据到达预设高度，控制切断器剪断气球和降落伞之间的连接线，降落伞带着设备降落到地面，从而回收整个系统；本发明的优点在于：探测数据较为准确且全面。

Description

一种风速脉动湍流探空系统

技术领域

本发明涉及平流层大气特征探测领域，更具体涉及一种风速脉动湍流探空系统。

背景技术

平流层大气不仅影响着大气环流和大气化学等天气过程，也是影响航空航天以及通讯遥感的重要因子。因此探测平流层大气特征具有重要的科学意义。对平流层大气的研究相对较少，认为平流层大气为层流，然而湍流也是平流层大气的重要特征。重力波垂直向上传播能量和动量过程中，在风切变、K-H不稳定等条件下，重力波破碎产生湍流，导致能量传输过程发生改变。为了探测平流层湍流的特征，观测对流层和平流层的湍流层垂直分布特征，进一步分析湍流耗散产生的能量及其对大气混合的影响，加深对平流层大气的认识和研究。

中国专利授权公告号CN207249145U，公开了一种下投式探空仪高空气球搭载平台系统，涉及到高空科学气球、大气探测技术、GPS应用技术、卫星通信技术和无线电技术领域。所述的下投式探空仪高空气球搭载平台系统，包括高空气球，高空气球的球体上部连接充气管，下部连接排气管，高空气球中充有氦气或者氢气，高空气球下方系由主缆绳，主缆绳上设置一主缆切割器，主缆切割器下方的主缆绳上悬挂有降落伞，降落伞上下方悬挂有气象传感器，仪器舱，所述的仪器舱，由舱体、下投式GPS探空仪、卫星通讯模块及天线、抛砂舱、下投舱、探空仪无线传输通讯模块组成。该实用新型可以探测海域、山区、沙漠等较为危险的无人区域上空的大气状况，同时可以提高气象探测位置的准确性。但是其将气象传感器悬挂在降落伞的上下方直接进行气象探测在切线器切断线缆时，降落伞迅速启动，极容易导致气象传感器损坏或者掉落，导致数据测量失败或者数据干扰较大，另外，其主要涉及气象探测，没有对于风速脉动的探测，探测数据不全面，因此综上所述，现有技术探空系统存在探测数据不够准确不够全面的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术探空系统存在探测数据不够准确不够全面的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种风速脉动湍流探空系统，包括气球、切断器、降落伞、回收追踪系统、风速脉动系统以及气象探空系统，所述气球、降落伞、回收追踪系统、风速脉动系统以及气象探空系统从上到下依次通过线缆连接，所述切断器设置在气球与降落伞的连接线上；风速脉动系统实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，记录设备的姿态和GPS信息，气象探空系统实时采集垂直方向的温度湿度大气压力数据，回收追踪系统判断设备所处的地理位置，当返回的高度数据到达预设高度，控制切断器剪断气球和降落伞之间的连接线，降落伞带着设备降落到地面，从而回收整个系统。

本发明将风速脉动系统以及气象探空系统均设置在远离降落伞的位置，避免降落伞在启动瞬间动作幅度大导致气象探测数据不准确或者探测失败，另外，本发明设置风速脉动系统实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，探测数据除了气象数据还包括风速脉动数据，探测数据较为全面。

进一步地，所述风速脉动系统包括球形搭载台，所述球形搭载台内设置有工控机、第一锂电池、第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器、DC-DC电源以及电桥，所述球形搭载台外设置GPS天线以及热线风速仪探头，热线风速仪的探头固定在球形搭载台外部顶端的支架上，所述GPS天线与第一GPS模块连接，所述第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器分别通过RS232串口与工控机连接，第一锂电池的输出端分别与工控机以及DC-DC电源的输入端连接，DC-DC电源分别给第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器、电桥以及热线风速仪探头供电，热线风速仪探头通过电桥与AD转换器的模拟信号端口连接。

更进一步地，所述AD转换器的型号为ARM Cortex M4，所述姿态记录仪的型号为UPMULTI-ROTORS AUTOPILOT，所述第一GPS模块的主芯片型号为ublox UBX-M8030，所述工控机的处理器采用Intel I5，所述第一锂电池采用型号为18650d的锂电池组，所述DC-DC电源将锂电池的电压转换为12V。

更进一步地，所述电桥采用惠斯通电桥。

更进一步地，所述球形搭载台采用球形泡沫作为外壳，球形搭载台内设置两个金属盒，一个金属盒内放置工控机以及第一锂电池，另一个金属盒内放置第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器、DC-DC电源以及电桥，金属盒与外壳的间隙用泡沫填充。

进一步地，所述气象探空系统包括第二锂电池、探空仪以及采集器，所述第二锂电池给探空仪以及采集器供电，所述第二锂电池的供电电压为6V，探空仪与采集器通过RS232串口连接。

更进一步地，所述探空仪采用Imet-4RSB无线电探空仪。

更进一步地，所述采集器采用STM32F1系列单片机，采集探空仪的数据并存储到内置的SD卡。

进一步地，所述回收系统采用铱星追踪设备，铱星追踪设备包括第二GPS模块以及主控模块，第二GPS模块与主控模块通过RS232串口连接，主控模块与切断器通讯连接，当第二GPS模块返回的高度数据到达25km，主控模块控制切断器工作，切断气球和降落伞之间的连接线。

进一步地，所述气球直径为10m，内部填充氦气，气球搭载力为30Kg，升空高度最高为30Km，升空速度5～7m/s。

本发明的优点在于：

(1)本发明将风速脉动系统以及气象探空系统均设置在远离降落伞的位置，避免降落伞在启动瞬间动作幅度大导致气象探测数据不准确或者探测失败，另外，本发明设置风速脉动系统实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，探测数据除了气象数据还包括风速脉动数据，探测数据较为全面。

(2)本发明设置回收追踪系统判断设备所处的地理位置，当返回的高度数据到达预设高度，控制切断器剪断气球和降落伞之间的连接线，降落伞带着设备降落到地面，整个系统通过回收追踪系统便于回收。

(3)本发明的球形搭载台采用球形泡沫作为外壳，能减小风对载荷的阻力影响，球形外形能减弱载荷的旋转运动以及摆动运动；可以对内部设备起到保温的作用，气球在升空过程中，随高度增加温度逐渐下降，最低可达到-70度，一般的电子元器件是不能正常工作的，泡沫外壳的保温作用保证试验系统正常工作；金属盒与外壳的间隙用泡沫填充，在载荷上升或下落运动时防止仪器在内部振荡和相互碰撞，对内部设备起到保护作用；载荷落地时与地面强烈碰撞，泡沫外壳起到缓冲作用，保护内部仪器减少受撞击伤害。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种风速脉动湍流探空系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种风速脉动湍流探空系统中风速脉动系统的原理图；

图3为本发明实施例所提供的一种风速脉动湍流探空系统中的气象探空系统的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种风速脉动湍流探空系统，包括气球1、切断器2、降落伞3、回收追踪系统4、风速脉动系统5以及气象探空系统6，所述气球1、降落伞3、回收追踪系统4、风速脉动系统5以及气象探空系统6从上到下依次通过线缆连接，所述切断器2设置在气球1与降落伞3的连接线上；风速脉动系统5实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，记录设备的姿态和GPS信息，气象探空系统6实时采集垂直方向的温度湿度大气压力数据，回收追踪系统4判断设备所处的地理位置，当返回的高度数据到达预设高度，控制切断器2剪断气球1和降落伞3之间的连接线，降落伞3带着设备降落到地面，从而回收整个系统。升空状态下，气象探空系统6的中心与降落伞3的中心之间的距离为100m以上。以下详细介绍风速脉动湍流探空系统中各组成部分的结构以及原理：

所述气球1直径为10m，内部填充氦气，气球1搭载力为30Kg，升空高度最高为30Km，升空速度5～7m/s。气球1下面通过线缆与将降落伞3完全打开后的上表面固定连接。

所述降落伞3的下方通过线缆连接回收系统，所述回收系统采用铱星追踪设备，铱星追踪设备包括第二GPS模块以及主控模块，主控模块的型号为SL4300，第二GPS模块与主控模块通过RS232串口连接，主控模块与切断器2通过铱星卫星信号进行通讯连接，当第二GPS模块返回的高度数据到达25km，主控模块控制切断器2工作，切断气球1和降落伞3之间的连接线。铱星追踪设备每秒返回设备的位置信息。在落地后可准确的找到设备，铱星追踪设备的性能指标如下：

工作电压：7～36VDC；

平均电流lt；100mA/12VDC；

串口类型：RS232(TTL可定制)；

串口参数：8-N-1(可定制)；

波特率：默认9600(1200～115200可定制)；

天线接头：SMA。

如图2所示，所述风速脉动系统5包括球形搭载台501，所述球形搭载台501内设置有工控机502、第一锂电池503、第一GPS模块504、姿态记录仪505、AD转换器506、DC-DC电源507以及电桥508，所述球形搭载台501外设置GPS天线510以及热线风速仪探头509，所述GPS天线510与第一GPS模块504连接，所述第一GPS模块504、姿态记录仪505、AD转换器506分别通过RS232串口与工控机502连接，第一锂电池503的输出端分别与工控机502以及DC-DC电源507的输入端连接，DC-DC电源507分别给第一GPS模块504、姿态记录仪505、AD转换器506、电桥508以及热线风速仪探头509供电，热线风速仪探头509通过电桥508与AD转换器506的模拟信号端口连接。热线风速仪探头509的信号经过电桥508转换后，AD转换器506采集电桥508输出的模拟信号，转换成数字信号通过RS232接口输出给工控机502，姿态记录仪505通过RS232串口把风速脉动系统5的姿态数据实时传输给工控机502，第一GPS模块504把位置、高度、时间等信息通过RS232串口实时传输给工控机502，所有数据在工控机502中进行存储。

所述球形搭载台501采用球形泡沫作为外壳，球形搭载台501内设置两个金属盒，一个金属盒内放置工控机502以及第一锂电池503，另一个金属盒内放置第一GPS模块504、姿态记录仪505、AD转换器506、DC-DC电源507以及电桥508，金属盒与外壳的间隙用泡沫填充。球形搭载台501采用球形泡沫作为外壳，能减小风对载荷的阻力影响，球形外形能减弱载荷的旋转运动以及摆动运动；可以对内部设备起到保温的作用，气球1在升空过程中，随高度增加温度逐渐下降，最低可达到-70度，一般的电子元器件是不能正常工作的，泡沫外壳的保温作用保证试验系统正常工作；金属盒与外壳的间隙用泡沫填充，在载荷上升或下落运动时防止仪器在内部振荡和相互碰撞，对内部设备起到保护作用；载荷落地时与地面强烈碰撞，泡沫外壳起到缓冲作用，保护内部仪器减少受撞击伤害。

热线风速仪探头509固定在球形搭载台501外部顶端的支架7上，支架7的顶端要高于搭载台顶面20cm，以避免气流流过搭载台引起的剪切层对热线仪测量结果的影响。热线风速仪的热敏电阻丝，热线直径为5μm，长度为1.25毫米，采样频率可达100kHz；热敏电阻丝表面镀金，具有高精度高灵敏度特性。

所述电桥508采用惠斯通电桥508。采用恒温变阻的工作模式，当热敏电阻丝热量被带走，电桥508检测到热敏电阻丝两端电压信号变化，并将电压信号输出给AD转换器506。所述电桥508的各参数信息如表1。

表1电桥508的各参数信息

型号	54T42
		工作电阻	4-36Ω
输入电压	11-14V
		输出电压	0-5V
重量	g

AD转换器506是一款多功能、紧凑、稳定可靠的的测量和控制数据的设备。可以采集大部分水文、气象、环境和工业传感器数据。传感器将收集数据并使用不同的协议传输。适合需要长期、远程监控和控制的小型系统。所述AD转换器506的型号为ARM Cortex M4，AD转换器506的各参数信息如表2所示。

表2 AD转换器506的各参数信息

CPU	ARM Cortex M4,144MHz
		内部存储空间	10MB储存数据,5MB储存程序,2MB储存操作系统
时钟精度	±1分钟/月
		供电	12V
模拟端口	6路24bit AD
		模拟量测量精度	±(0.04％读数±6μV)
数字端口	4路数字IO
		工作温度范围	-40°to+70℃
协议	Modbus RTU
		重量	242g

姿态记录仪505采用无人机多轴自动控制仪，监控搭载台的运动姿态，例如搭载台所在经纬度、高度、俯仰角和滚转等记录，所述姿态记录仪505的型号为UP MULTI-ROTORSAUTOPILOT，频率为840-845MHz。

所述第一GPS模块504的主芯片型号为ublox UBX-M8030。第一GPS模块504的各项指标如下：

主芯片:ublox UBX-M8030

频率:L1,1575.42MHz

协议:NMEA 0183 v2.3,GALILEO L1 open service(with upgrade)，默认协议为GGA,GSA,GSV,RMC，支持VTG,GLL,TXT ublox binary and NMEA Command

可用波特率:1200,4800,9600,19200,38400,57600,112500bps

灵敏度:跟踪：-167dBm

捕捉：-160dBm

冷启动-148dBm

冷启动:平均26秒

热启动:平均1秒

精度:2.5m

高度:50000米

更新频率:1-10Hz

操作温度:-40to+85

尺寸:40.0*30.0*10mm

宽电压范围:主电源为+3.5V～+5.5V,自备RTC电源。

所述工控机502的处理器采用Intel I5，内存为4G，硬盘为128G固态硬盘，接口为4路USB，4路串口，1个100M/1000M以太网。

所述第一锂电池503采用型号为18650d的锂电池组，输出电压21V，容量50Ah，可供整套系统8小时供电。所述DC-DC电源507将锂电池的电压转换为12V，给热线风速仪，AD转换器506，第一GPS模块504、姿态记录仪505、电桥508等设备使用。

如图3所示，所述气象探空系统6包括第二锂电池601、探空仪602以及采集器603，所述第二锂电池601给探空仪602以及采集器603供电，所述第二锂电池601的供电电压为6V，探空仪602与采集器603通过RS232串口连接。气象探空系统6中探空仪602采用Imet公司的IMET-4RSB，第二锂电池601采用松下公司的锂电池，供电电压6V，采集器603把探空仪602输出的数据自动存储到SD卡上，设备回收后可拷出数据。

所述探空仪602采用Imet-4RSB无线电探空仪602，Imet-4RSB无线电探空仪602可测量高空的温、湿度、大气压力、以及设备的GPS位置信息。空气温度是由一个珠型热敏电阻测量，其小尺寸可以减少长波和短波辐射造成的影响，并确保快速响应时间。湿度传感器是一种薄膜电容聚合物，它能直接对相对湿度做出反应。该湿度传感器同时集成了一个温度传感器，以减少由太阳加热引起的误差。Imet-4RSB无线电探空仪602内部还集成了一个大气压力传感器和第三GPS模块。探空仪602的技术参数如表3所示。

表3探空仪602的技术参数

所述采集器603主要实现的功能就是把探空仪602传输回来的数据存储到其内部的SD卡里，采用STM32F1系列单片机，可通过RS232串口采集探空仪602的数据，并存储到SD卡里。数据采集频率为1Hz，波特率9600，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。

通过以上技术方案，本发明提供的一种风速脉动湍流探空系统，将风速脉动系统5以及气象探空系统6均设置在远离降落伞3的位置，避免降落伞3在启动瞬间动作幅度大导致气象探测数据不准确或者探测失败，另外，本发明设置风速脉动系统5实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，探测数据除了气象数据还包括风速脉动数据，探测数据较为全面。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，包括气球、切断器、降落伞、回收追踪系统、风速脉动系统以及气象探空系统，所述气球、降落伞、回收追踪系统、风速脉动系统以及气象探空系统从上到下依次通过线缆连接，所述切断器设置在气球与降落伞的连接线上；风速脉动系统实时测量地面到高空预设高度垂直方向上的风向风速，记录设备的姿态和GPS信息，气象探空系统实时采集垂直方向的温度湿度大气压力数据，回收追踪系统判断设备所处的地理位置，当返回的高度数据到达预设高度，控制切断器剪断气球和降落伞之间的连接线，降落伞带着设备降落到地面，从而回收整个系统。

2.根据权利要求1所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述风速脉动系统包括球形搭载台，所述球形搭载台内设置有工控机、第一锂电池、第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器、DC-DC电源以及电桥，所述球形搭载台外设置GPS天线以及热线风速仪探头，热线风速仪的探头固定在球形搭载台外部顶端的支架上，所述GPS天线与第一GPS模块连接，所述第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器分别通过RS232串口与工控机连接，第一锂电池的输出端分别与工控机以及DC-DC电源的输入端连接，DC-DC电源分别给第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器、电桥以及热线风速仪探头供电，热线风速仪探头通过电桥与AD转换器的模拟信号端口连接。

3.根据权利要求2所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述AD转换器的型号为ARM Cortex M4，所述姿态记录仪的型号为UP MULTI-ROTORS AUTOPILOT，所述第一GPS模块的主芯片型号为ublox UBX-M8030，所述工控机的处理器采用IntelI5，所述第一锂电池采用型号为18650d的锂电池组，所述DC-DC电源将锂电池的电压转换为12V。

4.根据权利要求2所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述电桥采用惠斯通电桥。

5.根据权利要求2所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述球形搭载台采用球形泡沫作为外壳，球形搭载台内设置两个金属盒，一个金属盒内放置工控机以及第一锂电池，另一个金属盒内放置第一GPS模块、姿态记录仪、AD转换器、DC-DC电源以及电桥，金属盒与外壳的间隙用泡沫填充。

6.根据权利要求1所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述气象探空系统包括第二锂电池、探空仪以及采集器，所述第二锂电池给探空仪以及采集器供电，所述第二锂电池的供电电压为6V，探空仪与采集器通过RS232串口连接。

7.根据权利要求6所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述探空仪采用Imet-4RSB无线电探空仪。

8.根据权利要求6所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述采集器采用STM32F1系列单片机，采集探空仪的数据并存储到内置的SD卡。

9.根据权利要求1所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述回收系统采用铱星追踪设备，铱星追踪设备包括第二GPS模块以及主控模块，主控模块的型号为SL4300，第二GPS模块与主控模块通过RS232串口连接，主控模块与切断器之间通过铱星卫星信号进行无线通讯连接，当第二GPS模块返回的高度数据到达25km，主控模块控制切断器工作，切断气球和降落伞之间的连接线。

10.根据权利要求1所述的一种风速脉动湍流探空系统，其特征在于，所述气球直径为10m，内部填充氦气，气球搭载力为30Kg，升空高度最高为30Km，升空速度5～7m/s。

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