近地面湍流廓线仪及其测量方法

摘要

本发明公开了一种近地面湍流廓线仪及测量方法。廓线仪包括置于测量杆上的温度、湿度、超声风速、温度脉动传感器(16，17，19，20)，以及与其电连接的计算机(23)和电源(22)，特别是测量杆的底座(3)上置有滚轮和其上装有升降台(1)的液压升降器(2)，升降台(1)按2n (n＝0，1，2，3，4)米的高度设置其上置有前述各传感器的测杆(18)，各传感器与计算机(23)间串接有接口部件(21)。方法包括接收传感器的模拟量信号和对其进行处理，特别是分别设定需采集的传感器及其参数、时间片，根据采集传感器的对象，确定采集的次数，对转换成数字量的数据进行处理后送至计算机输出装置。它结构简单、实用，便于对近地面湍流进行实测。

说明书

技术领域  本发明涉及一种湍流仪及测法，尤其是近地面湍流廓线仪及测量方法。

背景技术  无时无刻不处于湍流运动状态的地球大气，其结构和物理参数经历着空间与时间各种尺度上的随机变化。这种变化引起了大气中能量、动量与物质成分等新的输送过程，它被称之为湍流输送，其输送速率比分子热运动引起的输送要大几个数量级。光波在大气中传播时，会受到大气湍流的影响而产生各种效应，如闪烁、相位起伏等，因此在研究这些问题时，大气湍流的研究始终是必须且重要的。首先，由于大气湍流对光波的传播起着破坏性作用，故若能充分掌握湍流效应的规律，就可为正确和妥善地使用激光工程提供依据，同时也可为利用湍流效应提供的信息进行湍流特征和大气性质的遥感探测提供理论基础。其次，大气湍流对声波、电磁波与光波等在大气中的传播都有着极为重要的影响，尤其是随着现代非线性动力学的进展，大气湍流在各种时空尺度大气过程的突变及其可预报性中可能扮演着重要的角色。因此，大气湍流研究在大气科学中的地位与意义日益突出，而作为大气湍流重要部分之一的近地面大气湍流运动，因其受地面的影响较大，局地性较强，对激光的传输有较大的影响，故目前人们为了了解和掌握其光学湍流的运动、分布、扩散的规律，作了各种尝试和努力，如在1998年7月出版的《大气科学》杂志第22卷第4期中“由地基遥感资料确定大气边界层特征”一文曾公开了一种使用先进的大气遥感探测设备来对大气湍流进行观测，这些大气遥感探测设备分别为法国Remtech公司的相控阵声雷达、美国Radian公司的低层大气风温廓线仪和意大利Irone公司的无线电声雷达，但是，它们因受其最低测量高度分别为100米、60米和100米的制约，而无法观测到60米以下空间的大气湍流，更谈不上观测距地表16米的近地面的大气湍流，其探测的盲区完全覆盖了远比高空湍流强几个数量级的近地面湍流。虽有可观测超低空湍流的装置，如在2000年12月出版的《气候与环境研究》杂志第5卷第4期中“1998年南海季风爆发期间近海面层大气湍流结构和通量输送的观察研究”一文描述的一种铁塔观测装置，该装置高18米，建于海岛礁盘的边缘，在其的多只伸臂上安装有温度、湿度、超声风速和温度脉动传感器。但是，这种装置也存在着不足之处，一是铁塔的建造成本太高，且不能随意移动，无法满足根据需要在不同的场地进行观测的要求；二是对塔上传感器的维修、更换也很不方便。

发明内容  本发明要解决的技术问题为克服上述各种现有技术方案的局限性，提供一种结构简单、实用，使用方便的近地面湍流廓线仪及测量方法。

近地面湍流廓线仪包括置于测量杆上的温度、湿度、超声风速、温度脉动传感器，以及与其电连接的计算机和电源，特别是(1)、所说测量杆的底座上置有滚轮和液压升降器，所说液压升降器上装有升降台，所说升降台按2ⁿ(n＝0，1，2，3，4)米的高度设置测杆，所说测杆上分别置有温度、湿度、超声风速、温度脉动传感器；(2)、所说温度、湿度、超声风速、温度脉动传感器与所说计算机间串接有接口部件，所说接口部件由工作电压转换分配器、传感信号转接器和液压升降控制器构成；(3)、所说液压升降控制器经发射天线与所说液压升降器的液压升降控制接收器相连接。

作为近地面湍流廓线仪的进一步改进，所述的底座的下部带有活动支架和滚轮，所说活动支架的一端经转轴与底座动配合连接、另一端经支撑架与液压升降器相连接，所说滚轮为转动轮和转向轮，所说转动轮置于底座和活动支架连接处，所说转向轮分别置于底座和活动支架的另一端；所述的底座的四个侧面均带有折式支撑横杆，所说支撑横杆的一端经转轴和定位销与底座相连接、另一端置有其上带有支撑盘的螺旋调节杆；所述的升降台为套叠式伸缩支架，所说伸缩支架的顶端带有平台；所述的1米高度的测杆上置有温度和湿度传感器，8米高度的测杆上置有温度、湿度、超声风速传感器，1米、2米、4米、8米和16米高度的测杆上均置有温度脉动传感器；所述的工作电压转换分配器为USB2006JD端子板，所说USB2006JD端子板的输入端接电源、输出端的J28脚接上述各个传感器的地线、J29脚接温度传感器、J30脚接湿度传感器、J31脚接超声风速传感器、J32脚接温度脉动传感器；所述的传感信号转接器为USB2006JD端子板，所说USB2006JD端子板的J1～J5脚分接五只温度脉动传感器、J6、J7脚分接两只温度传感器、J8、J9脚分接两只湿度传感器、J10脚接超声风速传感器，USB2006JD端子板的输出端接USB2006数据采集卡的输入端；所述的液压升降控制器为发射频率150MHz的通用无线电波发射机，所说发射机的发射信号输入端接计算机的USB接口，液压升降控制接收器的输出端与液压升降器的液压泵电连接。

近地面湍流廓线仪的测量方法包括接收传感器的模拟量信号和对其进行处理，特别是它是按以下步骤完成的：(1)、分别设定需采集的传感器、该传感器的参数、该传感器输出的时间片，产生一个分时采集该传感器的时间基准；(2)、根据采集传感器的对象，确定采集的次数，对于温度或湿度或风速和风向，采集20次或40次，对于温度脉动，则采集500次；(3)、对转换成数字量的数据进行处理，即对于温度或湿度或风速和风向的数据，按大小排序，在舍去头尾各四次的数据后，求其均值，对于温度脉动的数据求其方差；(4)、将处理后的数据发送至计算机的输出装置。

作为近地面湍流廓线仪的测量方法的进一步改进，所述的计算机的输出装置为屏幕显示器。

相对于现有技术的有益效果是，其一，将安装有温度、湿度、超声风速、温度脉动传感器的测杆按2ⁿ(n＝0，1，2，3，4)米的高度置于升降台上，而升降台又为套叠式伸缩支架，且与固定在带有滚轮的底座上的液压升降器相连接，这就使其既能探测近地面16米以下的大气湍流，又可根据需要方便地转移至不同的场所进行湍流的探测，其造价还低，对其上传感器的维护也便捷；其二，各传感器与计算机间设置接口部件，不仅使相互间的连接变得简单易行，且接线也因分门别类而规范、整齐，还可易于针对不同的传感器和其与供电电源间距离的大小来提供相应等级的工作电压；其三，决定升降台升降的液压升降器受接口部件中的液压升降控制器的无线遥控，除可进行远距离的控制外，且同时还省却了其间的连线，避免了低电压的控制信号经长距离的传输极易产生衰减的难题；其四，带有活动支架和转动轮、转向轮的底座，以及与其经转轴和定位销相连接的折式支撑横杆、位于伸缩支架顶端的平台，使测量杆既结构简单、便于移动，又可于其上的套叠式伸缩支架和测杆完全伸展开后，在不需外力的协助下，就自行稳固地耸立住，还易于及时地对测杆上的各传感器进行检修、保养，极大地提升了使用的方便性；其五，工作电压转换分配器和传感信号转接器均选用USB2006JD端子板，使其的电气连接部分也简洁得多，大大地降低了故障率；其六，计算机中驻有的测量方法程序，保证了在已有设备的基础上，能真实地探测并记录下近地面湍流的客观情况。

附图说明  下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明中测量杆的一种基本结构示意图；

图2是图1中测量杆的展开示意图；

图3是本发明的一种实施例电路结构图；

图4是本发明测量方法的流程图；

图5是使用本发明测量一天中的温度变化曲线图，其中，横坐标为时间，纵坐标为温度；

图6是使用本发明测量一天中的湿度变化曲线图，其中，横坐标为时间，纵坐标为湿度；

图7是使用本发明测量一天中的风向变化曲线图，其中，横坐标为时间，纵坐标为角度；

图8是使用本发明测量一天中的风速变化曲线图，其中，横坐标为时间，纵坐标为速度；

图9是使用本发明测量一天中的温度脉动变化曲线图，其中，横坐标为时间，纵坐标为C_n²/m^-2/3。

具体实施方式  参见图1、图2和图3，底座3上固定连接着其上装有升降台1的液压升降器2，升降台1为四面体的五节套叠式伸缩支架，其顶端带有平台10，在该五节套叠式伸缩支架上按1米、2米、4米、8米和16米的高度分别设置了五根测杆18，其中，1米高度的测杆18上置有温度传感器16和湿度传感器17，8米高度的测杆18上置有温度传感器16、湿度传感器17、超声风速传感器19，1米、2米、4米、8米和16米高度的测杆18上均置有温度脉动传感器20。底座3的下部分别装有转动轮5、转向轮4和经转轴6与其动配合连接的活动支架7，活动支架7另一端的下部装有转向轮4、上部装有支撑架9，并经其与液压升降器2相连接，在活动支架7与液压升降器2间还置有液压撑架8。底座3的四个侧面均带有折式支撑横杆11，此支撑横杆11的一端经转轴14和定位销15与底座3相连接、另一端置有其上带有支撑盘12的螺旋调节杆13。前述五根测杆18上的温度、湿度、超声风速、温度脉动传感器(16，17，19，20)与计算机23间串接有由工作电压转换分配器211、传感信号转接器212和液压升降控制器213构成的接口部件21，其中，工作电压转换分配器211为USB2006JD端子板，该USB2006JD端子板的输入端接电源22、输出端的J28脚接上述各个传感器的地线、J29脚接温度传感器16、J30脚接湿度传感器17、J31脚接超声风速传感器19、J32脚接温度脉动传感器20；传感信号转接器212与工作电压转换分配器211同用一块USB2006JD端子板，该板的J1～J5脚分接五只温度脉动传感器20、J6、J7脚分接两只温度传感器16、J8、J9脚分接两只湿度传感器17、J10脚接超声风速传感器19，USB2006JD端子板的输出端接USB2006数据采集卡的输入端，USB2006数据采集卡的输出端接计算机23的USB接口；液压升降控制器213为发射频率150MHz的通用无线电波发射机，其经发射天线与液压升降器2的液压升降控制接收器相连接，此发射机的发射信号输入端接计算机23的另一USB接口，液压升降控制接收器的输出端与液压升降器2的液压泵电连接。

参见图4，近地面湍流廓线仪的测量方法和仪器的工作流程如下：对近地面湍流廓线仪通电后，计算机23给其自有的功能部件和内存中驻有的各个子程序，以及USB2006数据采集卡等预置初始值，即设定其初始工作状态(步骤100)。接着，在步骤110中，计算机23等待用户的选择，若用户选择参数设定，则计算机23再次等待用户选择如下之一或之二或全选(步骤170)：①分别对需采集的10只传感器的通道进行设定(步骤180)，即设定两只温度传感器16、两只湿度传感器17、超声风速传感器19和五只温度脉动传感器20所用的通道及对其进行采集时的顺序，②对各同种类传感器于同环境下实测标定后的误差进行修正(步骤190)，③设定对各种传感器采集的时间片(步骤200)；之后，返回步骤110。若用户选择采集，则计算机23运行到步骤120，检查10个通道是否全部都采集完？若未完，则进行数据采集(步骤130)；然后，计算机23检查正在采集的传感器的时间片是否为零(步骤140)？即对于温度或湿度或风速和风向，是否已采集了20次或40次？对于温度脉动，是否已采集了500次？若为非，则转回步骤130继续进行采集；若为是，则在步骤150对已采集的数据进行处理，即对于采集到的温度或湿度或风速和风向的数据，按其大小进行排序，在舍去头尾各四次的数据后，求其均值。对于采集到的温度脉动的数据，调用计算方差1/n×∑(T₁-T₂)²的子程序，以求出已采集的温度脉动数据的方差，公式中的T₁、T₂为两点的温度差(由温度脉动传感器20直接输出)、n为采集到的个数。接着，转回步骤120；若在步骤120检查10个通道已全部采集完，则转步骤160，将所采集和处理后的数据送计算机23的屏幕显示器显示和硬盘存储器储存，并将通道计数器清零后转向步骤120，继续循环采集10个通道的数据；其一天的探测结果如图5～9所示。若在步骤110中用户选择退出，则转步骤210，计算机23结束工作。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的近地面湍流廓线仪及测量方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。