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技術(shù)文章
風(fēng)場(chǎng)信息的測(cè)量是氣象或空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重要工作內(nèi)容之一，其測(cè)量的精確性對(duì)于氣象研究尤為重要。
激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)作為新型測(cè)風(fēng)技術(shù)，利用多普勒（Doppler）原理獲取風(fēng)向、風(fēng)速信息，具有能夠探測(cè)晴空風(fēng)場(chǎng)、測(cè)風(fēng)范圍廣、探測(cè)精度高、時(shí)空分辨率高、機(jī)動(dòng)性能好的優(yōu)點(diǎn)，其在風(fēng)場(chǎng)精準(zhǔn)探測(cè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[1]。
激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)是指利用多普勒效應(yīng)獲取探測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息的激光雷達(dá)系統(tǒng)。多普勒效應(yīng)由奧地利物理學(xué)家 Doppler 于1842 年提出，指在波源與觀測(cè)者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的波的頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。風(fēng)速的測(cè)量可通過(guò)測(cè)量大氣中的大氣運(yùn)動(dòng)分子及氣溶膠運(yùn)動(dòng)粒子的后向散射信號(hào) Doppler 頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)探測(cè)目標(biāo)與激光發(fā)射信號(hào)間的相互作用來(lái)獲得大氣或氣溶膠的后向散射特性，進(jìn)而通過(guò)其后向散射的頻率檢測(cè)獲得大氣徑向風(fēng)速的多普勒頻移，再計(jì)算獲得大氣的徑向風(fēng)速。如圖（1）所示為Doppler激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的基本原理圖。
圖 1 Doppler 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)基本原理圖[2]
激光雷達(dá)接收后向散射信號(hào)中，主要包含的是氣溶膠的散射信號(hào)和分子散射信號(hào)。大氣中的粒子無(wú)法自行發(fā)射激光，要測(cè)量大氣粒子的運(yùn)動(dòng)速度，需要從激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射激光與之相互作用，接收粒子“發(fā)射的激光"（散射光）。此過(guò)程分為兩步，一是運(yùn)動(dòng)速度為v的大氣粒子接收頻率為f激光；二是接收機(jī)接收運(yùn)動(dòng)速度為v的大氣粒子發(fā)射的頻率為的(1+v/c)f0激光。
則Doppler頻移與粒子運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系為：
大氣中的氣溶膠粒子，如云、灰塵等，隨著風(fēng)或湍流運(yùn)動(dòng)，其速度約為~1 m/s或~10 m/s。
由于在大氣中，分子不停地在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的Maxwell分布：
其中T為大氣溫度，在該分布下的最大速度為：
由此可見(jiàn)，大氣溫度與Doppler頻移密切相關(guān)。帶入k=1.38x10-23J/K與m=4.82x10-26Kg，T=300K溫度下大氣分子振動(dòng)的最大速度約為400m/s，這相當(dāng)于~1GHz的Doppler頻移[3]。
有研究人員測(cè)試了后向散射系數(shù)隨濕度變化，發(fā)現(xiàn)隨著濕度的增大，后向散射系數(shù)也有著隨之增大的趨勢(shì)。在大風(fēng)速以及大風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度下，系數(shù)最大。在小風(fēng)速情況下，氣溶膠的產(chǎn)生主要起源于破裂氣泡的薄膜碎片，由于濕度較大時(shí)導(dǎo)致粒子與水滴吸附，導(dǎo)致吸收變大，但是風(fēng)速較小不能補(bǔ)充更多其他組分粒子，從而導(dǎo)致散射減小[4]。
圖 2 后向散射系數(shù)隨濕度的變化[4]
由此可見(jiàn)溫度和濕度都是直接影響激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)得結(jié)果的重要參數(shù)，其在測(cè)風(fēng)雷達(dá)中準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的重要性不言而喻。除此以外，溫度，濕度，大氣壓都是氣象監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)，在氣象研究中有重要作用，大氣壓也會(huì)影響大氣環(huán)境中的溫度和濕度，其三者之間息息相關(guān)。
既然在激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)中準(zhǔn)確監(jiān)控溫度，濕度和氣壓具有重要意義，那么，如何才能實(shí)現(xiàn)他們的準(zhǔn)確監(jiān)控呢？——虹科Comet 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為您提供優(yōu)秀的解決方案！
虹科Comet T7310和Comet T7311是可用于室內(nèi)室外的環(huán)境溫度計(jì)、濕度計(jì)和氣壓計(jì)。T7310內(nèi)置相對(duì)濕度、溫度和大氣壓力傳感器。T7311外接傳感器。可搭載到激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)中，體積小，穩(wěn)定性好。測(cè)量值還可轉(zhuǎn)換為其他濕度表示形式：露點(diǎn)溫度、絕對(duì)濕度、比濕度、混合比、比焓。二者都是通過(guò)RS232輸出，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境中的溫度，濕度和氣壓。
虹科Comet T7310——工業(yè)級(jí)溫度、濕度、氣壓變送器-RS232輸出。用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的天氣傳感器，目前市場(chǎng)上最好且應(yīng)用廣泛的氣壓計(jì)之一。
（1）溫度測(cè)量范圍：-30 to +80℃
（2）濕度測(cè)量范圍：0 to 100 % RH
（3）露點(diǎn)測(cè)量范圍：-60 to +80℃
（4）氣壓測(cè)量范圍：600 to 1100 hPa
（5）通訊協(xié)議： ModBus RTU 和研華 ADAM 兼容協(xié)議
虹科Comet T7311——工業(yè)級(jí)溫度、濕度、氣壓變送器-RS232輸出，外置探頭。
（1）溫度測(cè)量范圍：-30 to +105℃
（2）濕度測(cè)量范圍：0 to 100 % RH
（3）露點(diǎn)測(cè)量范圍：-60 to +80℃
（4）氣壓測(cè)量范圍：600 to 1100 hPa
（5）通訊協(xié)議： ModBus RTU 和研華 ADAM 兼容協(xié)議
專(zhuān)業(yè)的輻射防護(hù)罩，用于保護(hù)溫度傳感器或組合式溫濕度傳感器。被動(dòng)、自然通風(fēng)的輻射防護(hù)罩設(shè)計(jì)用于保護(hù)直徑為 13 至 18 毫米的氣象傳感器。
（1）多層太陽(yáng)輻射百葉罩用于保護(hù)天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并提供最準(zhǔn)確的氣候測(cè)量結(jié)果。該*設(shè)計(jì)的防護(hù)罩可最大限度地減少到達(dá)傳感器的太陽(yáng)輻射，減少保護(hù)罩吸收的輻射，并增加氣象站傳感器周?chē)沫h(huán)境空氣流量。
（2）暴露在陽(yáng)光下的表面由高反射紫外線和長(zhǎng)期穩(wěn)定的 ASA 塑料制成。屏幕的內(nèi)表面由啞光黑色塑料制成，以最大限度地減少內(nèi)部反射。
（3）210mm 直徑的 14 塊板旨在為天氣傳感器提供全面保護(hù)。
（4）優(yōu)秀的黃蜂和蟲(chóng)子威懾力。精密的設(shè)計(jì)可防止昆蟲(chóng)在內(nèi)部筑巢，從而避免降低測(cè)量性能。
（5）史蒂文森篩網(wǎng)的低成本穩(wěn)定替代品，與傳統(tǒng)的史蒂文森篩網(wǎng)相比，由于時(shí)間常數(shù)低，可減少維護(hù)并提高性能。
（6）尺寸 250 毫米（直徑），396 毫米（高度）
參考文獻(xiàn)
[1]趙文凱,趙世軍,單雨龍,孫學(xué)金.激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)性能評(píng)估[J].中國(guó)測(cè)試,2022.
[2]范二榮. 一種355nm主動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的研制[D].合肥工業(yè)大學(xué),2018.
[3]張飛飛. 高時(shí)空分辨率多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2015.
[4]景旭陽(yáng). 相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)回波特性及風(fēng)速估計(jì)算法研究[D].山東大學(xué),2021.
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