CN114526828B - 一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪及其测量方法，所述测量仪包括快速响应的温度脉动传感器、高速采样电路、探空数据处理电路以及传输与存储电路。采用快速响应的温度脉动传感器满足对高频温度脉动信号响应的要求；采用高速采样电路完成所述高频温度脉动信号的高速采集；采用探空数据处理电路完成风速、风向、温度、湿度、气压等低频常规气象数据测量；采用传输和存储电路完成对高频温度脉动数据和低频常规气象数据的传输并将所述两种数据存储到SD卡。本发明使得对低平流层下热力湍流原位测量的空间分辨率达到毫米级，实现能够观测到对流层顶附近边界梯度很陡的大气结构、波破碎、剪切不稳定等这些对垂直分辨率敏感的小尺度结构。

Description

一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪及其测量方法
技术领域
本发明属于大气热力湍流强度测量技术领域，具体涉及一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪及其测量方法。
背景技术
小尺度大气温度的起伏，称为大气热力湍流。除了对大气中声、光和其它电磁波的传播产生的光束扩展、光斑抖动和相干性退化等一系列湍流效应外，可能与大气中的能量和物质交换、污染物的输送与扩散等密切相关。在过去的研究中，人们的注意力主要集中在边界层和对流层的湍流，特别是动力湍流对物质输送过程和特征影响的研究上，而热力湍流在该领域的研究涉及有限。限于低平流层下的探测手段的匮乏和限制，尤其是原位探测手段的缺失，低平流层下的热力湍流对物质交换过程的影响很少见到报道。当前低平流层下热力湍流探空测量采用的是直径10-20微米金属丝作为微温探头，空间分辨率为数十米。而对流层顶附近边界梯度很陡的大气结构、波破碎、剪切不稳定等这些小尺度结构对垂直分辨率特别敏感，空间分辨率粗糙的测量很难观测到这些现象。平流层湍流测量技术挑战是空间分辨率要达到1cm，至今厘米级平流层湍流测量很少。针对平流层下湍流测量空间分辨率要达到1cm的技术挑战。因此，如何获取低平流层下空间分辨率达到毫米尺度的湍流数据，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对当前低平流层下热力湍流探空测量采用的是直径10-20微米金属丝作为微温探头，其空间分辨率为数十米，空间分辨率粗糙的测量很难观测到对流层顶附近边界梯度很陡的大气结构、波破碎、剪切不稳定等这些对垂直分辨率敏感的小尺度结构的技术问题，本发明提供一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，其包括快速响应的温度脉动传感器、高速采样电路、探空数据处理电路、以及传输与存储电路；其中，所述快速响应的温度脉动传感器采用直径为1微米、电阻为50欧姆的金属丝作为微温探头，用于快速响应高频温度脉动信号；所述高速采样电路完成所述高频温度脉动信号的高速采集，得到不低于2000个/秒的高频温度脉动数据；所述探空数据处理电路对来自北斗定位模块、TPU测量模块的常规气象数据进行处理；所述传输与存储电路包括传输单片机、时钟芯片、存储单片机、数据写卡芯片与SD卡，完成将高频温度脉动数据和低频常规气象数据存储到SD卡中。
进一步地，所述高速采样电路采用AD7322数模变换芯片完成所述高频温度脉动信号的高速采集，使得热力湍流原位测量数据的空间分辨率达到毫米级。
进一步地，所述探空数据处理电路通过单片机对所述北斗定位模块和TPU测量模块的数据进行整合得到风速、风向、温度、湿度和气压数据。
进一步地，所述单片机为MEGA328P单片机，所述数据为1个/秒的风速、风向、温度、湿度和气压的低频常规气象数据。
进一步地，所述传输和存储电路完成对所述高频温度脉动数据和所述低频常规气象数据的缓存并将两种数据存储到所述SD卡。
进一步地，所述传输与存储电路选用STM32F103单片机，分别以115200bps和9600bps完成对所述高频温度脉动数据和所述低频常规气象数据的传输。
进一步地，选用STM32F407V单片机作为所述数据缓存，并管理控制所述的写卡芯片CH378P，完成所述高频温度脉动数据和所述低频常规气象数据的缓存并将两种数据存储到所述SD卡。
本发明还包括一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪的测量方法，其包括如下步骤：所述温度脉动传感器对高频温度脉动信号快速响应，并将所述高频温度脉动信号送入所述高速采样电路的相应端口；所述高速采样电路完成所述高频温度脉动信号的高速采集，得到不低于2000个/秒的高频温度脉动数据；将所述高频温度脉动数据送入所述传输单片机，而后全部缓存在所述存储单片机的动态内存中；当所述高频温度脉动数据达到一个测量周期时，所述存储单片机控制所述数据写卡芯片将这些数据一次性写入所述SD卡；完成所述高频温度脉动数据的写卡后，所述存储单片机再将暂存在所述传输单片机内存中的9～10帧的所述低频常规气象数据读入，再一次性写入所述SD卡。
进一步地，采用所述时钟芯片给所述高频温度脉动数据加注时间标记，通过所述存储单片机的相应的串口读出所述时钟芯片当前的时间，进行时间的设定与校准。
有益效果：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，采用直径1微米、电阻约50欧姆的金属丝作为微温探头，采用高速采样电路使得低平流层下热力湍流原位测量的空间分辨率达到毫米级，能够观测到对流层顶附近边界梯度很陡的大气结构、波破碎、剪切不稳定等这些对垂直分辨率敏感的小尺度结构，为研究低平流层下多尺度湍流精细时空分布特征及其对能量和物质交换过程、污染物的输送与扩散等的影响提供可靠数据。
附图说明
图1为本发明的高速温度脉动测量仪的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面根据附图1具体说明本发明的气球探空平台的高速温度脉动测量仪。本发明的气球探空平台的高速温度脉动测量仪包括温度脉动传感器、高速采样电路、探空数据处理电路以及传输与存储电路。
所述的温度脉动传感器采用直径为1微米、电阻约为50欧姆的金属丝作为微温探头，其响应频率不低于1000Hz。也就是说，所述温度脉动传感器由直径10-20微米探头改成直径1微米的探头。探头电阻由原先的10欧姆变成约50欧姆，所述温度脉动传感器的放大电路、滤波电路参数进行相应调整。所述温度脉动传感器的高频温度脉动信号送入所述高速采样电路的相应端口，保证了温度脉动传感器对高频温度脉动信号的快速响应。
所述的高速采样电路采用AD7322数模变换芯片，完成所述高频温度脉动信号的高速采集，得到不低于2000个/秒的高频温度脉动数据,使得热力湍流原位测量的空间分辨率达到毫米级。数模变换芯片AD7322的工作参数为：直流工作电压±9V，采样速率2000Hz、模拟信号最大输入幅度－2.5V～+2.5V、数字化原码输出范围－4096～+4096(对应量化精度0.61mV)。根据脉动采集器编码方式，每个采样点脉动数据需占用3字节，以N-8-1串口格式传输需30bps。按采样率2000Hz可算出，支持AD7322采样的单片机串口输出速率至少为30×2000＝60000bps。为留有余量，实际串口传输速率选用115200bps，送入所述传输单片机的相应端口。
所述的探空数据处理电路通过单片机对北斗定位模块和TPU测量模块的数据进行整合得到风速、风向、温度、湿度、气压数据。所述探空数据处理电路对来自北斗定位模块、TPU测量模块的数据进行处理，其采用的单片机的型号为MEGA328P。所述北斗定位模块的定位数据、TPU测量模块的温度、湿度、压力数据送入所述探空数据处理电路的单片机MEGA328P的相应端口。经处理、变换、组帧后通过TTL串口以9600bps速率实时送往传输单片机的相应端口，并暂存于该单片机的动态内存RAM中。
所述的传输与存储电路包括传输单片机、时钟芯片、存储单片机、数据写卡芯片与SD卡。所述传输单片机型号为STM32F103，所述时钟芯片的型号为DS3231M，所述存储单片机的型号为STM32F407V，所述数据写卡芯片为CH378P，所述SD卡容量为16G。
本发明的气球探空平台的高速温度脉动测量仪的测量方法如下：
传输单片机STM32F103主要担负所述高频温度脉动信号高速采样模块的控制与数据传输任务，以及将暂存于内存中的探空数据发往存储单片机STM32F407V的相应端口。按帧周期9秒的采集方案，所述传输单片机STM32F103进入采样周期后，首先控制数模变换芯片AD7322以2000Hz的速率完成数模变换，并将每次数模变换的高频温度脉动数据依次输出，送往所述存储单片机STM32F407V的相应端口，每次连续采集18000个脉动数据。此期间内，所述传输单片机STM32F103除缓存探空数据外，主要任务就是重复采集与传输数据。当完成18000个脉动数据的采集与传输后，所述传输单片机STM32F103再将暂存于内存中的探空数据(每秒一帧，约9～10帧)一次性送往所述存储单片机STM32F407V的相应端口。所述数据写卡芯片在所述存储单片机STM32F407V管理下工作。数据存储的工作时序是：先将所述传输单片机STM32F103送来的115200bps脉动数据全部缓存所述存储单片机STM32F407V的动态内存RAM中。当脉动数据达到一个测量周期(9秒18000个脉动数据)的数据量时，所述存储单片机STM32F407V控制所述数据写卡芯片CH378P将这些数据一次性写入所述SD卡。完成脉动数据的写卡后，所述存储单片机STM32F407V再将暂存在所述传输单片机STM32F103内存中约9～10帧的探空数据读入，再一次性写入所述SD卡。
采用所述时钟芯片给脉动数据加注时间标记。可通过所述存储单片机STM32F407V相应的RS232串口读出所述时钟芯片当前的时间，进行时间设定与校准。

Claims (7)

1.一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，其特征在于：包括快速响应的温度脉动传感器、高速采样电路、探空数据处理电路以及传输与存储电路；其中，所述快速响应的温度脉动传感器采用直径为1微米、电阻为50欧姆的金属丝作为微温探头，用于快速响应高频温度脉动信号，其响应频率不低于1000Hz；所述高速采样电路完成所述高频温度脉动信号的高速采集，得到不低于2000个/秒的高频温度脉动数据；使得热力湍流原位测量数据的空间分辨率达到毫米级；所述探空数据处理电路对来自北斗定位模块、TPU测量模块的低频常规气象数据进行处理；所述传输与存储电路包括传输单片机、时钟芯片、存储单片机、数据写卡芯片、SD卡，完成高频温度脉动数据和低频常规气象数据的传输并存储到所述SD卡中。
2.根据权利要求1所述的一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，其特征在于：所述高速采样电路采用AD7322数模变换芯片完成所述高频温度脉动信号的高速采集，得到不低于2000个/秒的高频温度脉动数据。
3.根据权利要求1所述的一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，其特征在于：所述探空数据处理电路通过单片机对所述北斗定位模块和TPU测量模块的数据进行整合得到风速、风向、温度、湿度和气压数据；
所述单片机为MEGA328P单片机，所述低频常规气象数据为1个/秒的风速、1个/秒的风向、1个/秒的温度、1个/秒的湿度和1个/秒的气压数据。
4.根据权利要求1所述的一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，其特征在于：所述传输单片机为STM32F103单片机，分别以115200bps和9600bps完成对所述高频温度脉动数据和所述低频常规气象数据的传输。
5.根据权利要求1所述的一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪，其特征在于：所述存储单片机为STM32F407V单片机，所述数据写卡芯片选用CH378P，完成所述高频温度脉动数据和所述低频常规气象数据的缓存并将两种数据存储到所述SD卡。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述温度脉动传感器对高频温度脉动信号快速响应，并将所述高频温度脉动信号送入所述高速采样电路的相应端口；所述高速采样电路完成所述高频温度脉动信号的高速采集，得到不低于2000个/秒的高频温度脉动数据；将所述高频温度脉动数据送入所述传输单片机，而后全部缓存在所述存储单片机的动态内存中；当所述高频温度脉动数据达到一个测量周期时，所述存储单片机控制所述数据写卡芯片将这些数据一次性写入所述SD卡；完成所述高频温度脉动数据的写卡后，所述存储单片机再将暂存在所述传输单片机内存中的9～10帧的所述低频常规气象数据读入，再一次性写入所述SD卡。
7.根据权利要求6所述的一种气球探空平台的高速温度脉动测量仪的测量方法，其特征在于：采用所述时钟芯片给所述高频温度脉动数据加注时间标记，通过所述存储单片机的相应的串口读出所述时钟芯片当前的时间，进行时间的设定与校准。
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