激光測風雷達中準確監(jiān)測溫度、濕度和氣壓的重要性及影響因素分析
引言
風場信息的測量是氣象或空氣動力學領(lǐng)域的重要工作內(nèi)容之一，其測量的精確性對于氣象研究尤為重要。
激光測風雷達作為新型測風技術(shù)，利用多普勒（Doppler）原理獲取風向、風速信息，具有能夠探測晴空風場、測風范圍廣、探測精度高、時空分辨率高、機動性能好的優(yōu)點，其在風場精準探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[1]。
Doppler 激光雷達風速測量原理
激光多普勒測風雷達是指利用多普勒效應(yīng)獲取探測目標運動信息的激光雷達系統(tǒng)。多普勒效應(yīng)由奧地利物理學家 Doppler 于1842 年提出，指在波源與觀測者有相對運動時，觀測者接收到的波的頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。風速的測量可通過測量大氣中的大氣運動分子及氣溶膠運動粒子的后向散射信號 Doppler 頻移來實現(xiàn)，即通過探測目標與激光發(fā)射信號間的相互作用來獲得大氣或氣溶膠的后向散射特性，進而通過其后向散射的頻率檢測獲得大氣徑向風速的多普勒頻移，再計算獲得大氣的徑向風速。如圖（1）所示為Doppler激光測風雷達的基本原理圖。
圖 1 Doppler 激光測風雷達基本原理圖[2]
溫度、濕度和氣壓對激光測風雷達的影響
溫度
激光雷達接收后向散射信號中，主要包含的是氣溶膠的散射信號和分子散射信號。大氣中的粒子無法自行發(fā)射激光，要測量大氣粒子的運動速度，需要從激光雷達發(fā)射機發(fā)射激光與之相互作用，接收粒子“發(fā)射的激光”（散射光）。此過程分為兩步，一是運動速度為v的大氣粒子接收頻率為f激光；二是接收機接收運動速度為v的大氣粒子發(fā)射的頻率為的(1+v/c)f0激光。
則Doppler頻移與粒子運動速度的關(guān)系為：
大氣中的氣溶膠粒子，如云、灰塵等，隨著風或湍流運動，其速度約為~1 m/s或~10 m/s。
由于在大氣中，分子不停地在做無規(guī)則熱運動，分子的無規(guī)則熱運動的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，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的最大速度約為400m/s，這相當于~1GHz的Doppler頻移[3]。
濕度
有研究人員測試了后向散射系數(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。在大風速以及大風區(qū)長度下，系數(shù)最大。在小風速情況下，氣溶膠的產(chǎn)生主要起源于破裂氣泡的薄膜碎片，由于濕度較大時導致粒子與水滴吸附，導致吸收變大，但是風速較小不能補充更多其他組分粒子，從而導致散射減小[4]。
圖 2 后向散射系數(shù)隨濕度的變化[4]
由此可見溫度和濕度都是直接影響激光測風雷達測得結(jié)果的重要參數(shù)，其在測風雷達中準確監(jiān)測的重要性不言而喻。除此以外，溫度，濕度，大氣壓都是氣象監(jiān)測中的重要參數(shù)，在氣象研究中有重要作用，大氣壓也會影響大氣環(huán)境中的溫度和濕度，其三者之間息息相關(guān)。
如何準確監(jiān)測溫度，濕度和氣壓？
既然在激光測風雷達中準確監(jiān)控溫度，濕度和氣壓具有重要意義，那么，如何才能實現(xiàn)他們的準確監(jiān)控呢？——虹科Comet 監(jiān)測系統(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、濕度計和氣壓計。T7310內(nèi)置相對濕度、溫度和大氣壓力傳感器。T7311外接傳感器。可搭載到激光測風雷達中，體積小，穩(wěn)定性好。測量值還可轉(zhuǎn)換為其他濕度表示形式：露點溫度、絕對濕度、比濕度、混合比、比焓。二者都是通過RS232輸出，實時監(jiān)控環(huán)境中的溫度，濕度和氣壓。
虹科Comet T7310——工業(yè)級溫度、濕度、氣壓變送器-RS232輸出。用于環(huán)境監(jiān)測的天氣傳感器，目前市場上最好且應(yīng)用最廣泛的氣壓計之一。
（1）溫度測量范圍：-30 to +80℃
（2）濕度測量范圍：0 to 100 % RH
（3）露點測量范圍：-60 to +80℃
（4）氣壓測量范圍：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)級溫度、濕度、氣壓變送器-RS232輸出，外置探頭。
（1）溫度測量范圍：-30 to +105℃
（2）濕度測量范圍：0 to 100 % RH
（3）露點測量范圍：-60 to +80℃
（4）氣壓測量范圍：600 to 1100 hPa
（5）通訊協(xié)議： ModBus RTU 和研華 ADAM 兼容協(xié)議
虹科COMETEO氣象傳感器的專業(yè)太陽輻射保護罩
專業(yè)的輻射防護罩，用于保護溫度傳感器或組合式溫濕度傳感器。被動、自然通風的輻射防護罩設(shè)計用于保護直徑為 13 至 18 毫米的氣象傳感器。
1. 多層太陽輻射百葉罩用于保護天氣監(jiān)測系統(tǒng)并提供最準確的氣候測量結(jié)果。該獨特設(shè)計的防護罩可最大限度地減少到達傳感器的太陽輻射，減少保護罩吸收的輻射，并增加氣象站傳感器周圍的環(huán)境空氣流量。
2. 暴露在陽光下的表面由高反射紫外線和長期穩(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。
4. 優(yōu)秀的黃蜂和蟲子威懾力。精密的設(shè)計可防止昆蟲在內(nèi)部筑巢，從而避免降低測量性能。
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，由于時間常數(shù)低，可減少維護并提高性能。
6. 尺寸 250 毫米（直徑），396 毫米（高度）
實際應(yīng)用圖片：
參考文獻
[1]趙文凱,趙世軍,單雨龍,孫學金.激光測風雷達風場探測性能評估[J].中國測試,2022.
[2]范二榮. 一種355nm主動激光測風雷達光學系統(tǒng)的研制[D].合肥工業(yè)大學,2018.
[3]張飛飛. 高時空分辨率多普勒測風激光雷達系統(tǒng)研究[D].中國科學技術(shù)大學,2015.
[4]景旭陽. 相干多普勒測風激光雷達回波特性及風速估計算法研究[D].山東大學,2021.
風場信息的測量是氣象或空氣動力學領(lǐng)域的重要工作內(nèi)容之一，其測量的精確性對于氣象研究尤為重要。
激光測風雷達作為新型測風技術(shù)，利用多普勒（Doppler）原理獲取風向、風速信息，具有能夠探測晴空風場、測風范圍廣、探測精度高、時空分辨率高、機動性能好的優(yōu)點，其在風場精準探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[1]。
Doppler 激光雷達風速測量原理
激光多普勒測風雷達是指利用多普勒效應(yīng)獲取探測目標運動信息的激光雷達系統(tǒng)。多普勒效應(yīng)由奧地利物理學家 Doppler 于1842 年提出，指在波源與觀測者有相對運動時，觀測者接收到的波的頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。風速的測量可通過測量大氣中的大氣運動分子及氣溶膠運動粒子的后向散射信號 Doppler 頻移來實現(xiàn)，即通過探測目標與激光發(fā)射信號間的相互作用來獲得大氣或氣溶膠的后向散射特性，進而通過其后向散射的頻率檢測獲得大氣徑向風速的多普勒頻移，再計算獲得大氣的徑向風速。如圖（1）所示為Doppler激光測風雷達的基本原理圖。
圖 1 Doppler 激光測風雷達基本原理圖[2]溫度、濕度和氣壓對激光測風雷達的影響
溫度
激光雷達接收后向散射信號中，主要包含的是氣溶膠的散射信號和分子散射信號。大氣中的粒子無法自行發(fā)射激光，要測量大氣粒子的運動速度，需要從激光雷達發(fā)射機發(fā)射激光與之相互作用，接收粒子“發(fā)射的激光”（散射光）。此過程分為兩步，一是運動速度為v的大氣粒子接收頻率為f激光；二是接收機接收運動速度為v的大氣粒子發(fā)射的頻率為的(1+v/c)f0激光。
則Doppler頻移與粒子運動速度的關(guān)系為：
大氣中的氣溶膠粒子，如云、灰塵等，隨著風或湍流運動，其速度約為~1 m/s或~10 m/s。
由于在大氣中，分子不停地在做無規(guī)則熱運動，分子的無規(guī)則熱運動的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，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的最大速度約為400m/s，這相當于~1GHz的Doppler頻移[3]。
濕度
有研究人員測試了后向散射系數(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。在大風速以及大風區(qū)長度下，系數(shù)最大。在小風速情況下，氣溶膠的產(chǎn)生主要起源于破裂氣泡的薄膜碎片，由于濕度較大時導致粒子與水滴吸附，導致吸收變大，但是風速較小不能補充更多其他組分粒子，從而導致散射減小[4]。
圖 2 后向散射系數(shù)隨濕度的變化[4]由此可見溫度和濕度都是直接影響激光測風雷達測得結(jié)果的重要參數(shù)，其在測風雷達中準確監(jiān)測的重要性不言而喻。除此以外，溫度，濕度，大氣壓都是氣象監(jiān)測中的重要參數(shù)，在氣象研究中有重要作用，大氣壓也會影響大氣環(huán)境中的溫度和濕度，其三者之間息息相關(guān)。
如何準確監(jiān)測溫度，濕度和氣壓？
既然在激光測風雷達中準確監(jiān)控溫度，濕度和氣壓具有重要意義，那么，如何才能實現(xiàn)他們的準確監(jiān)控呢？——虹科Comet 監(jiān)測系統(tǒng)為您提供優(yōu)秀的解決方案！
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（1）溫度測量范圍：-30 to +80℃
（2）濕度測量范圍：0 to 100 % RH
（3）露點測量范圍：-60 to +80℃
（4）氣壓測量范圍：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)級溫度、濕度、氣壓變送器-RS232輸出，外置探頭。
（1）溫度測量范圍：-30 to +105℃
（2）濕度測量范圍：0 to 100 % RH
（3）露點測量范圍：-60 to +80℃
（4）氣壓測量范圍：600 to 1100 hPa
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1. 多層太陽輻射百葉罩用于保護天氣監(jiān)測系統(tǒng)并提供最準確的氣候測量結(jié)果。該獨特設(shè)計的防護罩可最大限度地減少到達傳感器的太陽輻射，減少保護罩吸收的輻射，并增加氣象站傳感器周圍的環(huán)境空氣流量。
2. 暴露在陽光下的表面由高反射紫外線和長期穩(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。
4. 優(yōu)秀的黃蜂和蟲子威懾力。精密的設(shè)計可防止昆蟲在內(nèi)部筑巢，從而避免降低測量性能。
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，由于時間常數(shù)低，可減少維護并提高性能。
6. 尺寸 250 毫米（直徑），396 毫米（高度）
實際應(yīng)用圖片：
參考文獻
[1]趙文凱,趙世軍,單雨龍,孫學金.激光測風雷達風場探測性能評估[J].中國測試,2022.
[2]范二榮. 一種355nm主動激光測風雷達光學系統(tǒng)的研制[D].合肥工業(yè)大學,2018.
[3]張飛飛. 高時空分辨率多普勒測風激光雷達系統(tǒng)研究[D].中國科學技術(shù)大學,2015.
[4]景旭陽. 相干多普勒測風激光雷達回波特性及風速估計算法研究[D].山東大學,2021.
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