CN205539539U - 一种低空数字探空仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低空数字探空仪，其特征在于，包括：探空气球（1），所述探空气球（1）上设置有无线探空仪（2），所述无线探空仪（2）与接收天线（3）连接，所述接收天线（3）与数字接收机（4）相连，所述数字接收机（4）与计算机终端（5）相连。本实用新型提供的一种低空数字探空仪，使用探空气球携带探空仪进行低空性能测试，不仅满足常规的气象探测精度要求，而且重量轻、体积小、使用便携、成本低。

Description

一种低空数字探空仪

技术领域

本实用新型涉及一种低空数字探空仪，属于气象技术领域。

背景技术

随着气象卫星和技术的发展，促进了全天候和全球性的探空系统的发展，大量利用无线电遥测、遥控技术和电子计算机微处理机定量控制，实时处理，是当前各高空观测系统的技术特点。目前代表国际探空水平的探空仪是芬兰Vaisala公司的探空仪，它占国际市场的67％，2001年它推出了采用GPS体制的数字化RS92探空仪，标志着Vaisala在探空技术上有了全新的发展，探空系统和探空仪完全实现数字化。

我国探空探测系统获得了长足发展，业务应用的探空仪从苏式49型探空仪等比较杂乱的型号，发展到60年代初期的400MHZ701型二次测风雷达，并建成120个站的业务探测网，成为全球探空站密度最高的国家之一。从2002年开始，我国对探空系统进行升级换代，基本上形成了以L波段探空系统为主体的探空体系，L波段探空系统包括GTS1电子探空仪与地面L波段探空雷达，资料的时空密度明显加大，探测精度得到大幅度提升。

无论国内外的数字探空仪，都是高空的气象探测，探测距离远，体积、重量过于庞大，大多数在气象部门的固定站用的比较多，但是对于低空探测存在测量分辨率过低，体积，重量过于庞大，不适合移动等问题；而火箭探空测量距离过短，安全性不好，测量周期短，成本大，难以满足各种低空探测的需求，同时对流层气象环境复杂多变，湿度随高度有较大的空间变率，要求探空仪湿度传感器应具有较高的灵敏度、响应速度、仪器整体积小。所以研发一种不仅满足常规的气象探测精度要求，而且重量轻、体积小、使用便携，成本低的低空数字探空仪具有一定重大意义，它可以满足海洋、环保等领域的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种使用探空气球携带探空仪进行低空性能测试的低空数字探空仪；进一步地，本实用新型提供一种不仅满足 常规的气象探测精度要求，而且重量轻、体积小、使用便携、成本低的低空数字探空仪。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种低空数字探空仪，其特征在于，包括：探空气球，所述探空气球上设置有无线探空仪，所述无线探空仪与接收天线连接，所述接收天线与数字接收机相连，所述数字接收机与计算机终端相连。

所述无线探空仪包括AD转换芯片、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、附温电阻、北斗模块、北斗天线、无线发射机、发射天线和MCU；所述温度传感器、湿度传感器、压力传感器和附温电阻均与所述AD转换芯片通讯连接，所述AD转换芯片与MCU通讯连接，所述MCU的输出端分别与所述北斗模块的输入端和无线发射机的输入端连接，所述北斗模块的输出端与所述北斗天线的输入端相连，所述无线发射机的输出端与所述发射天线的输入端相连；所述MCU的输入端分别与时钟电路的输出端和复位电路的输出端相连。

所述发射天线的输出端与所述接收天线通讯连接，所述北斗天线的输出端与卫星通讯连接。

所述MCU、北斗模块和无线发射机模块均由电源模块供电；所述电源模块包括PWM电源芯片；所述无线探空仪还包括设置于所述AD转换芯片上的模拟通道和数字通道。

所述温度传感器包括热敏电阻，所述热敏电阻的材质为能隙材料。

所述湿度传感器包括湿敏电容，所述湿敏电容由高分子薄膜电容制成，所述高分子薄膜电容的材质包括聚苯乙烯、聚酰亚胺或酷酸醋酸纤维。

所述压力传感器包括用于测量气压的硅压力传感器。

所述北斗模块包括CC50-BG卫星导航接收模块。

所述无线发射机包括数字无线发射机。

所述发射天线包括CMOS射频发射器芯片CC1070。

所述接收天线为全向天线，所述全向天线由一副变形单极子天线组成；所述接收天线固定方式包括固定在车或船上的三脚架上，或用磁性开关直接吸附在车顶或船顶；所述数字接收机包括滤波器、虚拟频谱仪和串口服务器，所述滤波器与虚拟频谱仪均连接在所述串口服务器上。

本实用新型主要用于探测站30Km范围，探测低空3Km高度内各层次的温度、湿度、气压、风速和风向，为天气预报、气候分析和军事气象保障提供及时、准确的空中气象情报、资料。本实用新型采用新型PTU传感器测量大气温度、湿度、气压并运用北斗卫星导航定位技术测量大气风向、风速。该探空仪的探测准确性较我国现有的探测系统将会有明显的提高，其抗干扰能力、地面接收系统的成本、自动化成度和施放条件要求也会大大优于其他空中探测系统。

本实用新型的控制芯片是一款超低功耗单片机，以超低的功耗、灵活的模拟技术和丰富的片内外资源在电子产品、工业控制、自动化、仪表仪器等领域得到广泛的应用。在整个电路设计中，主要用到的元器件有：高精度的模数转换器(即AD转换芯片)、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、附温电阻、北斗定位模块(即北斗模块)、北斗天线、无线发射机、发射机天线(即发射天线)、低功耗微处理器(即MCU)等。

时钟电路中断服务程序的完成由MCU控制各传感器及每秒采集一组温度、压力、湿度和北斗数据，然后进行数据整理，再将数据打包发送给地面监控中心服务器，为提高数据传输的可靠性，设置发送重复率为2，即每分钟连续发送2组相同数据。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型便携、轻型、使用成本低。整个系统按照便携式设计，重量小于15kg，接收天线重量小于5kg，固定方式可选用三脚架和磁性开关，在车载或者船载使用时，可将天线吸附于船顶，操作方便；无线探空仪质量在200g，对于低空探测时的气球大小选择在100g-200g，极大的节约了氦气。

(2)拓展性强。整个探空采集器除了采集温度、湿度、压力、风向、风速以外，还备用两个模拟通道和数字通道，可根据实际需要增加传感器，例如臭氧、大气电场等传感器。

(3)适应性强。为了适应海上大风天气，研制半自动放球设备，解决大风条件下，释放气球困难的问题，操作简单，使用灵活。

(4)采用电容性聚合体湿度敏感元件和能隙材料的温度敏感元件制作温湿度传感器具有良好的测量精度、线性度、互换性、一致性。

(5)从传感器的选择、芯片的选型及电路的设计采用低功耗的设计理念，从而降低整个采集电路的功耗。

(6)基于低功耗采集电路设计与微流供电技术，采用超低功耗的MCU与多路开关进行轮流切换进行信号采集，通过测量整个采集电路的电流进行选择合适的PWM电源芯片，使得电源转化效率达到最大，有效降低了功耗，从而减轻了探空仪的重量，从而使气球及探空仪小型化，轻型化。

(7)采用探空气球携带探空仪进行低空性能测试，实现了气象参数的低空探测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中无线探空仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1～图2所示，本实用新型实现一种低空数字探空仪，包括探空气球1，所述探空气球1上设置有无线探空仪2，所述无线探空仪2与接收天线3连接，所述接收天线3与数字接收机4相连，所述数字接收机4与计算机终端5相连。

探空气球1携带无线探空仪2升入空中，无线探空仪2进行温度、湿度、气压、高度等参数的采集，利用无线通讯系统将气象数据传输到计算机终端5。本实用新型主要用于探测站30Km范围，3Km高度内各层次的温度、湿度、气压、风速和风向，为天气预报、气候分析和军事气象保障提供及时、准确的空中气象情报、资料。低空数字探空仪采用新型PTU传感器测量大气温度、湿度、气压并运用北斗卫星导航定位技术测量大气风向、风速。该探空仪的探测准确性较我国现有的探测系统将会有明显的提高，其抗干扰能力、地面接收系统的成本、自动化成度和施放条件要求也会大大优于其他空中探测系统。无线探空仪2的硬件主芯片采用一种低功耗芯片，用于采集和处理数据。低功耗控制芯片是一款超低功耗单片机，超低的功耗、灵活的模拟技术和丰富的片内外 资源在电子产品、工业控制、自动化、仪表仪器等领域得到广泛的应用。

无线探空仪2主要用到的元器件有：高精度的模数转换器(即AD转换芯片)、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、附温电阻、北斗模块、北斗天线、无线发射机、发射天线、MCU等。

温度测量采用温度传感器为热敏电阻，热敏电阻是敏感元件的一类，热敏电阻的电阻值会随着温度的变化而改变，与一般的固定电阻不同，属于可变电阻的一类，广泛应用于各种电子元器件中。不同于电阻温度计使用纯金属，在热敏电阻器中使用的材料通常是陶瓷或聚合物。正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。热敏电阻通常在有限的温度范围内实现较高的精度，通常是-90℃～130℃。

湿度测量采用湿度传感器为湿敏电容，湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

气压的测量采用的压力传感器为NPP系列的表面安装的硅电桥压力传感器,硅压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的。

北斗模块选用CC50-BG卫星导航接收模块，该模块具有出色的导航及定位功能，实时接收北斗和GPS导航卫星信号，实现机动载体的实时高精度三维定位、三维测速、精确授时。支持单系统独立定位及多系统联合定位，低成本及高性价比。

数字无线发射机采用晶体振荡器频率合成技术，其频率稳定性高、结构简单、重量轻，可采用计算机调频，实现了探空仪的全数字化。

探测系统采用P波段频率(403MHz±3MHz)，本方案采用窄带和多信道的射频发射器芯片1070，它是一款1GHz以下的频带的低功耗、片上系统解决方案的RF芯片，芯片用于低功耗及低电压无线通信应用；其出色的接收机选择 性与阻塞性能、高灵敏度、高达500kBaud的可编程速率；2.0V至3.6V的宽范围电源供应。调制方式支持FSK，ASK，GFSK等。

接收机由接收天线3及接收机组成，小型化的全向天线采用一副变形单极子天线，体积更小，探测斜距达到80km，满足业务应急设备的使用要求，结构简单，重量小、体积小、维护方便，成本低，信号接收效果好。地面接收机设计了窄带滤波器和虚拟频谱仪，可在400MHz～406MH频段内测量、显示环境无线电信号，从而避开地面同频干扰问题，提高探测数据获取率，接收机中带有滤波器，串口服务器等，实现对数字信号的解调，将数字信号发送至主机。交通、航运、气象等领域。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种低空数字探空仪，其特征在于，包括：探空气球（1），所述探空气球（1）上设置有无线探空仪（2），所述无线探空仪（2）与接收天线（3）连接，所述接收天线（3）与数字接收机（4）相连，所述数字接收机（4）与计算机终端（5）相连；所述无线探空仪（2）包括AD转换芯片、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、附温电阻、北斗模块、北斗天线、无线发射机、发射天线和MCU；所述温度传感器、湿度传感器、压力传感器和附温电阻均与所述AD转换芯片通讯连接，所述AD转换芯片与MCU通讯连接，所述MCU的输出端分别与所述北斗模块的输入端和无线发射机的输入端连接，所述北斗模块的输出端与所述北斗天线的输入端相连，所述无线发射机的输出端与所述发射天线的输入端相连；所述发射天线的输出端与所述接收天线（3）通讯连接，所述北斗天线的输出端与卫星通讯连接；所述MCU的输入端分别与时钟电路的输出端和复位电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述MCU、北斗模块和无线发射机模块均由电源模块供电；所述电源模块包括PWM电源芯片；所述无线探空仪（2）还包括设置于所述AD转换芯片上的模拟通道和数字通道。

3.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述温度传感器包括热敏电阻，所述热敏电阻的材质为能隙材料。

4.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述湿度传感器包括湿敏电容，所述湿敏电容由高分子薄膜电容制成，所述高分子薄膜电容的材质包括聚苯乙烯、聚酰亚胺或酷酸醋酸纤维。

5.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述压力传感器包括用于测量气压的硅压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述北斗模块包括CC50-BG卫星导航接收模块。

7.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述无线发射机包括数字无线发射机。

8.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述发射天线包括CMOS射频发射器芯片CC1070。

9.根据权利要求1所述的一种低空数字探空仪，其特征在于：所述接收天线（3）为全向天线，所述全向天线由一副变形单极子天线组成；所述接收天线（3）固定方式包括固定在车或船上的三脚架上，或用磁性开关直接吸附在车顶或船顶；所述数字接收机（4）包括滤波器、虚拟频谱仪和串口服务器，所述滤波器与虚拟频谱仪均连接在所述串口服务器上。