虹科分享 | 激光測風(fēng)雷達(dá)中準(zhǔn)確監(jiān)測溫度、濕度和氣壓的重要性

更新時間：2022-11-04 點擊次數(shù)：2069

引言

風(fēng)場信息的測量是氣象或空氣動力學(xué)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(fēng)雷達(dá)作為新型測風(fēng)技術(shù)，利用多普勒（Doppler）原理獲取風(fēng)向、風(fēng)速信息，具有能夠探測晴空風(fēng)場、測風(fēng)范圍廣、探測精度高、時空分辨率高、機(jī)動性能好的優(yōu)點，其在風(fēng)場精準(zhǔn)探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[1]。

Doppler 激光雷達(dá)風(fēng)速測量原理

激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)是指利用多普勒效應(yīng)獲取探測目標(biāo)運動信息的激光雷達(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(fēng)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(biāo)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(jìn)而通過其后向散射的頻率檢測獲得大氣徑向風(fēng)速的多普勒頻移，再計算獲得大氣的徑向風(fēng)速。如圖（1）所示為Doppler激光測風(fēng)雷達(dá)的基本原理圖。

圖 1 Doppler 激光測風(fēng)雷達(dá)基本原理圖[2]

溫度、濕度和氣壓對激光測風(fēng)雷達(dá)的影響

溫度

激光雷達(dá)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(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(jī)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(fēng)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(dāng)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(fēng)速以及大風(fēng)區(qū)長度下，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]

由此可見溫度和濕度都是直接影響激光測風(fēng)雷達(dá)測得結(jié)果的重要參數(shù)，其在測風(fēng)雷達(dá)中準(zhǔn)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(zhǔn)確監(jiān)測溫度，濕度和氣壓？

既然在激光測風(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，如何才能實現(xiàn)他們的準(zhǔn)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(fēng)雷達(dá)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。