CN102323627A - 一种多通道气象探空*** - Google Patents

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宣越健
马舒庆
赵宇
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Abstract

多通道气象探空***，由多频点探空仪、接收天线、多通道探空接收机和数据采集处理微机组成。多个多频点探空仪将各自测量的温度、湿度、气压以及GPS信息原始数据，经调制后以每秒一组的频次通过不同频点的无线电发射机下传。地面接收天线接收到下传的探空仪信号送入多通道接收机，经低噪声放大器功率放大后由多路功分器分成多路，由信号处理单元将对应频点的探空信号解调，最后由多路通讯卡再传至数据采集处理微机。微机软件程序对来自不同通道的原始数据进行处理和计算，输出、记录并显示实时的探空仪所在高度的温度、湿度、气压、风速和风向值。

Description

一种多通道气象探空***
技术领域
本发明涉及一种多通道气象探空***，可作为高空气象温度、湿度、气压、风速和风向测量的实用装置，特点是可以在一个站点同时进行多个气球探空的测量。
背景技术
无线电探空是获取高空(地面至约30km)温度、湿度、气压、风速和风向的一种通用和比较经济的技术，全球无线电探空站网是当代综合气象观测***中的一个重要组成部分。
发明内容
本发明的目的是提供一种作为高空气象探测中可以在一个站点同时进行多个气球探空测量而只需要一套接收装置的测量***。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种多通道气象探空***，由探空仪、接收天线、多通道接收机和数据采集处理微机组成。
所述探空仪为多频点无线电探空仪；所述多通道接收机为多频点组合式接收机，每个通道对应接收某一相应频点的无线电信号；接收天线将接收的多个频点的无线电探空信号分别传送到多通道接收机对应频点的通道中，经解调后传至数据采集处理微机中；所述多频点无线电探空仪包括空气温度传感器、空气湿度传感器、GPS接收模块、调制模块和无线电发射机，发射频点位于400.15～406MHz，同时释放的多个探空仪采用不同的频点，每个探空仪在气象探空专用频带400.15～406MHz内占用的带宽为20kHz，各探空仪每秒均发射一组温度、湿度、GPS经度、GPS纬度及海拔高度原始数据；上述多通道接收机在收到各探空仪下发原始数据后传送到数据采集处理微机，由软件处理不同通道的原始数据，对原始数据进行初步质量控制和订正，然后根据海拔高度和温度计算大气气压，根据探空仪位置变化计算风速和风向；接收的原始数据和处理后得到的温度、湿度、高度、风速、风向和气压数据分别存储在两个文件中，微机显示屏上可选择显示不同探空仪的温度、湿度、气压、风速和风向这五个参数的垂直分布。
上述多通道接收机3由前置低噪声放大器9、多路功分器10、多路信号处理单元11和多路通讯卡12组成；多通道接收机将接收天线传来的信号经低噪声放大器进行功率放大，再由多路功分器分为多路，分别传送至各对应的信号处理单元，各信号处理单元对相应频点的信号进行解调，由多路通讯卡出口，传送至计算机。多路功分器可以根据信号频点不同将其分别传送至处理相应频点信号的信号处理单元。
多通道探空接收机可以同时接收多个所述探空仪下发的原始数据，每个探空仪在气象探空专用频带400.15～406MHz内占用的带宽仅20kHz，调开每个探空仪的发射频点避免同频干扰，就可以同时释放多个探空仪，实现对小尺度天气***的同时多探空仪加密观测。
多通道气象探空***由多频点探空仪(1)、接收天线(2)、多通道接收机(3)和数据采集处理微机(4)组成。多个多频点探空仪将各自测量的温度、湿度、气压以及GPS信息原始数据，经调制后以每秒一组的频次通过无线电发射机下传。地面接收天线接收到下传的探空仪信号送入多通道接收机，经低噪声放大器功率放大后由多路功分器分成多路，由信号处理单元将对应频点的探空信号解调，最后由多路通讯卡传至数据采集处理微机。
多频点探空仪(1)与当前先进的GPS数字探空仪类似，采用数字式传感器(5)测量温度、湿度和气压这些气象参数，采用GPS(6)位置变化信息计算风速和风向，但探空仪采用的发射机(8)带宽窄、频率飘移小，并可在400.15～406MHz内对发射机频点进行选择；同时释放的探空仪采用不同的频点，避免了同频干扰的问题。
接收天线(2)是一个八木天线，质量轻、体积小，便于运输和安装。
多通道接收机(3)由前置低噪声放大器(9)、多路功分器(10)(图中以五路为例)、五路信号处理单元(11)和多路通讯卡(12)组成。多通道接收机将接收天线传来的信号由低噪声放大器进行功率放大，再由多路功分器分为多路，传送至不同接收频点的信号处理单元，各信号处理单元对相应频点的信号进行解调，由多路通讯卡出口，传送至计算机。
数据采集处理微机(4)对由多路通讯卡进入的原始数据记录，并进行处理。采用气象数据常用的判据，由程序对温度、湿度和气压数据进行合理性判别，去掉可能的飞点数据(极少出现)；对GPS数据进行判别，与地基参考测量值以及前面的测量值进行比较，去掉位置变化不合理的值，从探空仪位置(经度、纬度和高度)合理的变化值计算风速和风向，还计算探空气球的升速或下降速度；用压力-高度公式对GPS高度进行修正，或根据温度测值以及GPS高度测量验算大气气压值。软件程序将测量高度上有效的温度、湿度、气压、风速和风向数值输出并记录，同时在计算机屏幕上显示随时间或高度变化的这些气象要素数值。点击不同的通道可显示不同探空仪的时间序列或随高度变化的气象要素测值。气球达到最高高度***后，程序在屏幕上显示提示语“气球已炸”并输出最大高度值；然后进入探空仪下降段的数据接收与处理。
本专利中“频点”的含义为：在400.15～406MHz频率范围内的一个固定频率，我们称为频点，如：401.20MHz；探空仪中发射机发射频点可调，每个探空仪频点间隔为20kHZ(即大于发射机带宽)，也就是说，每个频点在在400.15～406MHz频率范围内占用的带宽为20kHZ。且每个频点均对应于多通道接收机内相应信号处理单元的接收频率。
由于采用上述的技术方案，本发明具有的有益效果是：多通道气象探空***可以在一个站点同时进行多个气球探空仪的测量(可多达12个)，获得较小空间尺度上气象要素变化的测量资料，这类数据不仅有利于大气层结结构、大气湍流特征和对流现象等研究，也有利于短期数值天气预报水平的提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的多通道气象探空***示意图；
图2是本发明的探空仪的结构示意图；
图3是本发明的五通道探空接收机的结构图；
图4是本发明的探空数据处理程序流程图。
具体实施方式
参见附图，对本发明进行详细描述。
参见附图1，多通道气象探空***由多频点探空仪(1)、接收天线(2)、多通道接收机(3)和数据采集处理微机(4)组成。
参见附图2，多频点探空仪(1)，采用数字式传感器(5)测量温度、湿度和气压参数，采用GPS(6)位置变化信息计算风速和风向；探空仪采用的发射机(8)带宽窄、频率飘移小，并可在400.15～406MHz内对发射机频点进行选择；同时释放的探空仪采用不同的频点，避免了同频干扰的问题。其技术指标如下(注：测量精度满足或略优于高空气象观测规范要求)。
温度传感器(Temperature sensor)
类型(Type：)：珠状热敏电阻(bead resistance)
测量范围(Measurement range)：+50℃～-90℃
分辨率(Resolution)：0.1℃
不确定度(Uncertainty in sounding)：0.2℃
湿度传感器(Humidity sensor)
类型(Type)：薄膜电容(thin-film capacitor)
测量范围(Measurement range)：0～100％RH(相对湿度)
分辨率(Resolution)：1％RH
不确定度(Uncertainty in sounding)：5％RH
气压测量(由GPS高度反算或气压传感器)
Pressure Measurement(derived from GPS heights or pressure sensor)
测量范围(Measurement range)：1080hpa to 3hpa
分辨率(Resolution)：0.1hpa
不确定度(Uncertainty in sounding)：
1080hpa to 500hpa：2hpa
500hpa to 5hpa：1hpa
风速和风向测量(Wind Measurement)
风速不确定度(Velocity measurement uncertainty)：0.3m/s
风向不确定度(Directional measurement uncertainty)：3°
干电池(Dry-cell Batteries)
电压(Voltage)：9VDC
供电时间(Duration time)：140mins
遥测(Telemetry)
频率范围(Frequency Range)：400.150 to 406.000MHz
输出功率(Output power)：100mW(max)
数据传输速率(Data downlink)：1200bit/s
测量周期(Measurement cycle)：1s。
参见附图3和附图4，多通道接收机(3)为多个频点(通道)接收机的组合。接收天线(2)将同时接收的多个频点的无线电探空信号，传送到多通道接收机的低噪声放大器(9)进行功率放大；由多路功分器(10)分成多路(理论上可达12路)，传送至处理不同频点信号的信号处理单元(11)，输出对应频点的探空仪原始数据，经解调后由多路通讯卡传至数据采集处理微机中。其技术指标如下。
接收频率范围：400.15MHz～406MHz
单接收机(各路处理单元)带宽：25kHz
接收灵敏度：-124dbm
单路接收工作电流：≤32mA
接收单元总体：接收距离：≥90km
接收***功耗：2W
天线-接收机电缆最大长度：30m
接收天线技术指标：
天线增益：8db
放大器噪声系数：≤0.5db
放大器增益：≥25db
输出阻抗：50Ω
使用环境温度：-30℃～60℃；湿度：0％～95％
数据接口：RS232C
参见附图5，微机数据采集存储及处理过程。探空程序运行后，首先对多通道通讯状态进行检测，检查各路探空数据接收和通讯是否正常，如果不正常程序给出指示，需人工干预，检查接收机与计算机的硬件连接与通讯设置；如果数据传输正常，调用传感器标校数据检测探空仪数据是否正常(使用传感器出厂时的或使用前重新标校的)，方法是依次点击“初始数据”及“编辑选取数据”，对比所用探空仪与先期输入标校参数的探空仪编号，如果不对，人工调整探空仪编号；如果正常则关闭检测状态，进入探空仪监视状态，对接收机过来的每组数据进行预处理，使用各传感器的标校参数计算温度、湿度和气压，根据探空仪GPS位置变化信息计算水平风速和风向(要有连续的多组GPS数据)，最后输出探空仪所在高度(层)的温度、湿度、气压、风速和风向数值，实时显示从气球释放开始的这些气象要素随高度(或时间)的分布图，并实时存储各探空仪测量参数，最终形成数据文件。此探空数据处理程序软件可以同时监视多个探空(每个特定探空仪有固定编号)，可以在不同高度同时测量的几个探空仪之间切换。软件还有常规探空报表生成(标准层、特性层和对流层顶计算等)、结果回放和多点平滑等功能。

Claims (3)

1.一种多通道气象探空***，其特征在于：由探空仪、接收天线、多通道接收机和数据采集处理微机组成。
所述探空仪为多频点无线电探空仪；所述多通道接收机为多频点组合式接收机，接收天线将接收的多个频点的无线电探空信号分别传送到多通道接收机对应频点的通道中，经解调后传至数据采集处理微机中；所述多频点无线电探空仪包括空气温度传感器、空气湿度传感器、GPS接收模块、调制模块和无线电发射机，发射频点位于400.15～406MHz，同时释放的多个探空仪采用不同的频点，每个探空仪在气象探空专用频带400.15～406MHz内占用的带宽为20kHz，各探空仪每秒均发射一组温度、湿度、GPS经度、GPS纬度及海拔高度原始数据；上述多通道接收机在收到各探空仪下发原始数据后传送到数据采集处理微机，由软件处理不同通道的原始数据，对原始数据进行初步质量控制和订正，然后根据海拔高度和温度计算大气气压，根据探空仪位置变化计算风速和风向；接收的原始数据和处理后得到的温度、湿度、高度、风速、风向和气压数据分别存储在两个文件中，数据采集处理微机显示屏上可选择显示任意一个探空仪温度、湿度、气压、风速和风向这五个参数的垂直分布。
2.根据权利要求1所述的多通道气象探空***，其特征在于：上述多通道接收机(3)由前置低噪声放大器(9)、多路功分器(10)、多路信号处理单元(11)和多路通讯卡(12)组成；多通道接收机将接收天线传来的信号经低噪声放大器进行功率放大，再由多路功分器分为多路，分别传送至各对应的信号处理单元，各信号处理单元对相应频点的信号进行解调，由多路通讯卡出口，传送至计算机。
3.根据权利要求1所述的多通道气象探空***，其特征在于：多通道探空接收机可以同时接收多个所述探空仪下发的原始数据，每个探空仪在气象探空专用频带400.15～406MHz内占用的带宽仅20kHz，调开每个探空仪的发射频点避免同频干扰，就可以同时释放多个探空仪，实现对小尺度天气***的同时多探空仪加密观测。
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