基于透射原理的大气流场测量系统的研制

发布时间：2020-06-29 15:42

【摘要】：大气能见度与大气湍流强度是气象学中两个关键的气象要素,在光通讯,大气边界层,海陆空交通以及军事活动等领域中的作用不可忽视。低能见度造成交通不便甚至威胁人身安全。湍流的存在是光在传播过程中发生畸变的重要原因,一直是天文观测中的阻碍。并且湍流与能见度之间存在着复杂的联系,是影响能见度测量的因素之一。因此,为了探测和研究大气能见度与大气湍流特征,必须考虑大气湍流气团运动与气溶胶粒子之间存在的复杂关系。但是传统仪器只单独地测量能见度或者大气湍流强度,设计者未能考虑到二者的相互作用。传统仪器制造复杂,造价昂贵,且不能同步测量湍流与能见度,为了突破这个难关,本课题详细论述了一个可以同时检测大气能见度与大气湍流的测量系统,该系统包括I/V转换电路,放大滤波电路,数字控制电路以及上位机软件设计。具体研究工作如下:(1)首先,对大气能见度仪器与湍流测量仪器的发展现状与常用测量方法进行分析,从大气辐射传输理论与光的波动理论找到这两个参数测量的内在联系,从理论上证明同步测量的可行性与准确性。(2)在此基础上提出了硬件模块电路总体设计方案,包括I/V转换电路,放大电路,滤波电路,电源电路主控电路与数字传输电路。对各电路单元,仔细对比不同型号的芯片的指标参数,反复比较不同的电路拓扑结构,最终确定出最适合项目要求的电路结构与核心器件。并对整个系统的功能逻辑进行分析,编写单片机固件程序,控制整个系统运行。(3)接着对上位机软件需求进行分析,采用C#编写软件,结合实际应用需要,设计一款专门为整个系统运作的软件,以便对数据进行显示、计算、分析与处理。(4)完成电路板设计、制作与焊接调试,进行软硬件联调。最后对整个系统进行场外测试,分析测试结果,并与已有仪器进行比较。结果表明,系统可以在晚间进行工作,测量结果与现有仪器测量结果保持一致。课题设计并成功研制了大气能见度与湍流强度同步测量系统。采集冬夏两季测量数据进行分析,并与现有仪器进行比较,测量结果表明系统可用,并且相对于传统仪器设计性价比更高。为今后研究湍流强度对能见度提供了科学依据。同时,该系统也为研究边界层湍流与气溶胶粒子之间的相互作用提供了全新的手段。对于大气环境检测与大气质量估计有很大的参考价值。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P412
【图文】：

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应用于港口、公路、机场等，且有进一步普及的趋势。逡逑（２）改进的前向散射双光路方案逡逑国内早就有相关学者深入探讨过双光路方案［２２：。如图１－２所示是Ｋ／ＸＹＮ０１型能见逡逑度仪，由江苏无线电厂研发，图中可以看到两个发射器与两个探测器呈一定角度对称放逡逑置，只要两个发射器交替发射？次，探测器１，２分别测量两次得到的光强，一次透射光逡逑强，一次散射光强，散射系数可以这四个光强表示出来。这种方案消除了光源不稳定的逡逑影响，无需测量原始光功率。理论上不需要对发射端做非常严格的校正，性能比较稳定。逡逑４逡逑

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＇逦发射逡逑图１－１散射原理示意图逡逑前向散射仪在国外比较典型的有德国的ＩｍｐＷｓｐｈｙｓｉｋ的ＦＳＭ，美国的Ｂｅｌｆｏｒｔ公司逡逑的ＣＡＴ．邋ＮＯ．邋６１〗３，还有芬兰Ｖａｉｓａｌａ的ＦＤ１２Ｐ。前向散射仪的散射角很多都取在２０°Ｃ逡逑而在国内对于能见度仪器的检测指标也没有一个统一的标准，其中洛阳凯迈测控有逡逑限公司对于前向散射式能见度仪器的研制技术较为领先，其研制的ＣＪＹ－１Ｃ型前向散射逡逑能见度仪选用的俄产Ａ川４８二极管，ＯＳＤ３５邋—邋７ＣＱ光电探测器件，可连续检测与分析。逡逑由于发射器光源经过调制是一定频率的脉冲，所以接收器那边可以很大程度的减少环境逡逑噪声的影响。算是目前国内气象局比较认可并且投入了使用的国内生产的能见度仪器。逡逑前向散射仪种类有许多，有些仪器的散射角可以根据当地的能见度情况或者测量环境的逡逑需要调整

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