探空数据（精选7篇）
探空数据 篇1
截止目前, 全国气象部门的地面测报均已普及自动站, 但大部分自动气象观测站都不能实现云、能、天的观测;尤其是云的观测关系到天气的演变, 更为重要;“云是天气的招牌”[1], 云的形成和演变, 是大气中错综复杂的物理过程的具体表现之一, 也是预示未来天气变化的重要征兆;云天观测是台站预报的重要依据[2]。
云的观测主要包括:判定云状、估计云量、测定云高和选定云码[3];目测均可解决云量、云状的观测, 但云高目力估测误差较大, 而器测云高受到台站条件的限制, 大部分台站还广泛采用目力估测云高;本站设有高空观测, 探空气球释放后, 探空仪器入云时, 湿度会发生突变, 温度也会有相应的变化, 故可借用探空数据中的湿度以及温度的变化来确定云底的高度范围, 对云高的观测进行校对。
台站名:童丘国家气象观测站一级站2007/05/15/19:15:25
1 采用高空数据中湿度、温度变化校对云高的原因
云是悬浮在天空中的大量微小的水滴或冰晶。形成云的条件有三个:一是充足的水汽, 二是有足够的凝结核, 三是使空气中的水汽凝结 (或凝华) 成水滴 (或冰晶) 时所需的足够的冷却[1]。由此可以看出, 云中的湿度较大, 当探空气球入云时, 湿度会发生明显的突变;而温度也会有相应的降低, 只是变化比较小, 不易看出;故可用高空数据中湿度变化, 参考温度的变化, 来校对云高的观测。
2 资料与方法
采用2007年有代表性的同一时段L波段二次测风雷达观测的高空湿度资料以及相应的温度对数压力图中的露点温度与温度的变化情况, 结合地面目测云状的资料和当地云高范围进行校对观测, 增加目测云高的准确性;分晴朗和雨雾两种天气条件下的校对观测进行举例分析, 阐明探空资料校对云高的可行性。
3 资料分析
(1) 天气晴朗时的校对观测, 用2007年5月15日20时释放的探空气球资料, 如图1。
结合相应的温度对数压力图, 如图2。
由上两图可以进行分析, 从高空气象探测系统数据处理软件中, 用数据辅助处理结合图1, 可知气球升到3分57秒时, 湿度开始突变升高, 表明气球刚入云, 探空数据处理软件中点击任意时刻、高度、气压的气象要素值, 输入时间便可得到如表1的数据表, 计算出此时的高度为1680米。
尽管从图1可以计算出云高, 但是单从一方面的变化还不能足以说明问题, 而且从图1中温度变化很难看出云底在什么地方, 此时可以结合T-Ln P图 (见图2) 进行分析;图2中温度的变化就较明显, 温度突然发生了折变, 说明此处有气团存在, 气团内的温度变化和气团外的温度变化会有明显的区别;再看一下露点温度的变化, 由于露点温度表示的是空气的湿度特征, 在压力一定的情况下, 露点的高低只与空气的水气含量有关, 水气含量越多露点也就愈高[1], 由此可以看出, 当探空气球入云时, 露点温度便会升高或者是降低速度变慢, 图2中可以明显看出, 大约在气压830hpa左右, 露点温度发生变化, 从这个高度以上, 降低比较少, 基本上没有变化, 结合温度变化, 此处可定为云底的范围。
由图1所形成的表中, 可知气球入云时的气压为828hpa, 由图2分析云底范围处的气压大约为830hpa, 两者非常吻合。最后再结合07年5月15日20时地面目测的的云状:阴暗的大条形云状, 云底个体起伏明显, 闭光无缝隙, 云块视宽度大于5°, 符合低云SC OP, 而低云的云高范围是600~2500米;由以上几点可确定, 经过分析计算出的云底高度1680米即为当时观测的云高。
(2) 有雾或有雨的特殊天气条件下的校对观测。
在天气晴朗的条件下, 用探空数据来校对云高, 非常的可行, 但在有雾或有雨时, 地面和空中湿度都较大时, 是否可行呢?用2007年10月23日08时的探空数据进行分析。
在图3中, 根据湿度变化线, 很难分辨出哪一点是表明气球入云, 温度更是难以分辨, 因此不能用探空软件来计算云高。但由此做出的T-Lnp图 (见图4) , 可以看出在820hpa左右露点温度折变比较明显, 但其在920hpa左右也有折变的表现, 而温度没有什么明显的变化, 因此也很难确定到底那个部位是云底。这说明, 观测时空气湿度大, 用探空数据来确定云高不可行, 只能通过人工目测来确定, 尤其是有雾时, 云高的目测误差较大, 到目前也是一个很难解决的问题, 有待进一步的寻求好的方法。
4 结语
通过资料的分析对比可得出以下结论。
(1) 由于云内的湿度比周围空气中的湿度大, 露点变化较小, 在天气晴朗时可用L波段探空资料中湿度的变化结合T-Lnp图中露点和温度的变化, 利用目测的云状, 来确定云高, 证明是准确可行的。
(2) 在特殊天气下, 即有降水、雾、霾的天气现象出现时, 由于这几种现象出现时, 整个空气中湿度都较大, 湿度、温度均没有明显的变化;则不能用L波段探空资料来对地面观测中的云高进行校对。
参考文献
[1]邬平生, 袭潜江, 等.气象学[M].北京:农业出版社, 1979, 1:182.
[2]谭海涛, 王贞岭, 余品伦, 等.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社, 1986, 12:109.
[3]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社, 2003, 11:11.
探空信号的信道建模及仿真 篇2
大气中各个高度上的温度、湿度和气压随时间和空间分布的资料,是研究大气中各种热力、动力过程以及天气分析和预报的最基础的资料。测量三维空间温、湿、压分布的方法多种多样:由探空气球携带无线电探空仪升空;由气象卫星装载的各种遥感仪器反演温度、湿度以及风速的廓线;由地基遥感设备来进行高空间和时间密度的探测。其中,无线电探空方法是最主要的资料获取途径。由于越来越复杂的电磁环境,探空仪与地面的数据传输也会受到干扰,不利于探空数据的传输。因此,对探空信号的信道特点进行分析,建立信道的数学模型来描述它的传播特性,对于研究其信号衰减过程以及采取何种对抗措施是非常重要的。
1探空信号传输的特点
为了分析复杂电磁环境对探空仪数据传输的影响,对探空信号传输系统的抗干扰性能进行分析,必须要建立一个适当的信道模型。近年来对无线信道模型的探讨比较多,但大多基于陆地移动通信,对像探空仪与地面接收机之间这样的地空传输信道研究较少,资料也较为缺乏[1]。要对探空信号传输的信道进行研究,必须先了解其信号传输的特点。
探空仪悬挂在探空气球上升空(或由定高气球、飞机、火箭上下投),能测定各个高度上的风向、风速、温度、湿度和气压。配有无线电发射装置向地面发送采集到的数据,上升高度一般可达到30～40 km,是高空气象观测的主要工具。现在使用的探空仪与地面接收站之间的信号传输主要采用P波段(400～406 MHz)以及L波段(1 660～1 690 MHz)的FM/FSK调制方式[2]。
探空仪的发射机部分是探空仪载波信号发生的单元,编码器上的信号对它进行某种形式的调制后向地面发送。要求发射功率达到500 mW,以保证在200 km距离内能使地面收到信号[2]。
信号从发射端送出之后,在到达接收端之前所经过的所有路径,统称为无线信道。探空仪信号传输与卫星通信、移动通信有相似之处,也有明显不同,主要表现在:
① 发送端始终在接收端上方并且以一定速度上升,且速度相对恒定;
② 接收机信噪比变化较大;
③ 高仰角情况下对地理因素的敏感度相对较小。
探空仪的地面接收站接收到的信号包括较强的视距信号分量和一定的高斯白噪声,同时也存在较强的地面反射分量和由于不同传播路径引起的多径分量。由于探空气球以300～400 m/min的速度上升,由此还会会产生较小的多普勒频移,在信道计算中可以忽略不计。
2探空信号传输的信道建模
基于上述因素考虑,建立探空信号传输信道的两径模型。如图1所示,接收天线接收到的信号主要由直射分量和地面反射分量组成。根据麦克斯韦尔定理,可以获知直射分量表示为:
undefined。 (1)
通常写成增益形式:
undefined
式中,P0为接收到的功率;Pt为发射天线发射的功率;λ为载波的波长;GT为发射天线增益;GR为接收天线的增益;d1为直射路径距离。
地面反射波主要与地面环境、入射角和极化方式有关,反射波的功率可以用平面波的反射定律来计算(虽然电磁波是球面波,但在反射点可以近似的认为是平面波),表示为直射分量、天线增益与地面反射系数的乘积[3]。其中需要计算地面的反射系数,反射系数的表示方式为:
undefined。 (3)
式中,εeff为地面的介电系数;θ为入射角,在高仰角情况下θ角可以近似为0°。地球表面介电常数的一些实际测量值如表1所示。
地面反射波的功率为:
undefined。 (4)
直射路径距离d1与反射路径距离d2相差很小,可以视为d1≈d2,接收机收到的信号总功率可以表示为:
undefined。 (5)
应用到达电场强度的混叠法则,ΔΦ=2π(d2-d1)λ为直射波与反射波之间的相位差[2]。地面反射波在小入射角时,相位差约为π[3]。
引入信号功率衰减参数β:
undefined
根据测量的入射波仰角和传输距离,可以得到信号功率衰减参数的统计估计值,如图2所示。
图2中,信号的载频取400 MHz,即波长为0.75 m,发射天线及接收天线增益均取1,信号入射角θ和传输距离d由100组高空气象探测资料统计得出。可以看出信号的衰减有2个明显的特征,即由传播距离的增大而产生的慢衰落和由于地面反射信号干扰引起的快衰落。快衰落的幅度可能达到几十dB,取决于接收天线的增益方向图。在图2中,接收天线直射信号与反射信号方向上的增益比设为2。
接收天线接收到的信号还包括了各种噪声,设为n(t),则接收信号可表示为:
式中,β为信道对信号的衰减参数;a·s(t)为发射信号。
可以看出,在地面反射系数一定的情况下,探空信号到达天线的功率P为距离d的函数,可以简化为时间的函数。这样,随时间变化,接收端信号噪声Eb/N0产生了变化。
在设计或评述一个通信系统时,往往要涉及通信系统的主要性能指标,否则就无法衡量其质量的优劣。在数字通信系统里,主要的性能指标有传输速率和差错率。根据通信原理的分析,采用同步检测的二进制频移键控(2FSK)系统的误码率Pe和接收端信噪比Eb/N0的关系为[4]:
undefined。 (8)
3模型的Simulink仿真
Simulink是Matlab Works公司的MATLAB&Simulink产品家族的重要组成部分。Simulink提供了通信系统和无线射频的建模、仿真和分析优化的专业库——Communications Blockset和RF Blockset,这些专业库给通信仿真提供了方便的途径[5]。
利用Simulink建立探空信号传输的两径信道模型:由Bernoulli Binary Generator模块产生随机二进制数序列经过2FSK Modulator调制模块后在文中建立的两径信道中传播,在信道中经过两径衰减并加入噪声后送入解调器2FSK Demodulator,在接收端将解调出来的序列与源序列进行误码率计算,同时将结果发送到Matlab工作台以供误码率分析工具Bertool进行差错分析。Bertool的信噪比参数设置为AWGN Channel中加入的信噪比。两径信道模块是根据前面分析的接收机总能量的表达式而建立的S函数,主要参数有发射功率、载波频率、传播距离以及天线增益和天线方向参数等。
通过对以上分析的信道模型进行系统误码率的仿真。设置载波频率为400 MHz,调制方式为2FSK,发射功率为500 mW,传播距离为30 km,天线方向增益比为2(直射信号方向增益与反射信号方向增益之比为2),同时假设载波和位定时完全同步,误码率仿真结果如图3所示。横坐标为信噪比(dB),纵坐标为误码率仿真结果。
图3中同时还给出了理想AWGN信道和理想Rayleigh信道的误码率仿真曲线以用于对比。曲线由上至下分别为理想Rayleigh信道仿真结果、探空信号的两径模型仿真结果和理想高斯白噪声信道仿真结果。由仿真结果对比可以看出,两径模型与理想高斯白噪声信道相比,最主要的差别来自于地面反射分量的影响。由于存在地面反射,并且反射分量与直射分量之间有相位差,减弱了接收机有用信号功率,从而降低了接收端的信噪比。为解决这一问题,最有效的办法就是在接收端采用信道均衡技术,以去除多径干扰。采用方向性好的接收天线也会取得一定的改善效果。
4结束语
无线信道的建模和仿真的关键是小尺度衰落模型的建立。本文从探空信号传输的实际情况出发,分析它的特点,根据实际高空探测资料建立了探空信号传输的两径信道模型,并设定了实际应用中的相关参数,给出仿真结果,分析其特性成因,为进一步研究探空信号收发机制和抗干扰措施提供了理论依据。
参考文献
[1]胡文静.无人机通信信道的建模与仿真[C].北京:系统仿真技术及其应用学术交流会论文集,2006:158-161.
[2]张霭琛.现代气象观测[M].北京:北京大学出版社,2000.
[3]TKN Telecommunication Networks Group.Wireless Channel Models[M].Berlin:Technical University,2003.
[4]樊昌.通信原理(第5版)[M].北京:国防工业出版社,2001.
浅谈影响探空气球施放高度因素 篇3
1 影响探空气球施放高度的几个要素
(1) 气球的存放:气球应存放于通风良好、阴凉干燥的库房内。气球应放置离地面20 cm以上的货架上, 堆垛不宜过大, 堆垛间应有适当距离, 以保持通风良好。放置气球的地方要离热源1 m以外。气球在贮存过程中要每3个月须将装成品的木、纸箱翻动一次。贮存期以不超过18个月为宜。
(2) 充气前气球的检查:充气前观察球皮外形是否有补丁, 划痕或厚薄明显不均匀的地方, 不应任意拉扯球皮和使球皮受压、揉搓等, 应小心轻放在地面, 检查有无沙眼等, 勿使球皮接触表面粗糙、锋利与勾爪物体, 不得使气球在强烈的日光下暴晒。
(3) 控制充灌速度:气球充气时应缓慢, 充气流量不能过大, 一般750 g球以20 min左右为宜。
(4) 充气量的控制:天气晴好时, 充气量不宜太多, 遇有降水气球表面结冰时, 可多充些气使其控制在标准升速内。风大时也不宜充得过大, 大风时气球很难被人控制, 易出现球着地或被地面物体刮破等意外。
(5) 气球的扎系:在系气球时尽量往下系靠近球嘴处, 这样可使气球受力面积增大, 在上升过程中球皮缓慢均匀地膨胀, 增大气球的膨胀空间, 延缓爆炸, 从而提升了飞升高度。
(6) 氢气纯度:氢气是比重最轻的气体, 现在我国探空站使用的氢气, 有的站是化学制氢, 有的站是电解水制氢, 电解水制氢的氢气纯度最高, 一般可达99%以上, 安全系数也相对较高, 为大多数探空站所用。同一球皮, 充入纯度低的氢气比充入纯度高的氢气, 爆炸高度要低。
(7) 电池的浸泡:探空仪升空至球炸, 主要靠电池供电, 电池电压的高低决定了探空信号的好坏, 因此电池的浸泡显得极为关键。在1 L水中加入少量盐并用温水, 冬季40℃左右将电池浸泡5 min取出自然滴去多余水分, 测量电池电压并赋能20 V左右, 夏季温度较高, 水温在35℃左右, 浸泡5 min, 赋能18~19 V左右较好。
(8) 仪器的装配:仪器的装配也是一项非常仔细的过程, 为保证探空信号的正常, 应注意以下几点:仪器装配好后再次检查探空仪序号是否一致, 发射板与智能板连接处是否插紧, 电池、传感器插口连接是否牢固, 必须将探空仪保温盖盖严, 温度支架外伸, 用线绳固定, 扣紧铁片扣。
2 结论
本文从探空气球存储、保管, 使用等方面分析了影响气球上升高度的多个因素旨在提高探空气球施放高度和质量, 以获取更高更全面的高空大气资料。
参考文献
[1]气象气球使用说明书.
[2]中国气象局气象探测中心.“L”波段高空气象探测雷达、探空仪、基测箱使用说明书.
对探空值班过程出现问题的探讨 篇4
1 探空仪问题
1.1 基测不合格。基测是是高空气象探测工作的最基础步骤, 基测不合格的仪器绝对不能施放。基测时, 经常会遇到湿度片不合格。①湿度片本身的质量问题, 需更换湿度片;②干燥剂没有按规范规定及时更换;③如果更换多片湿度片仍不合格, 应该更换探空仪;④春秋季节, 空气干燥, 湿度片的升湿时间不够, 不容易合格, 值班员应根据当天的天气情况, 把湿度片提前置于高湿瓶中, 增加老化时间, 以备下个班次使用。
1.2 探空仪在基测时信号、亮线都很好, 可是装配好置于室外后信号突变。出现这种问题处理的方法是:①探空仪的智能转换部分连接不好, 把感应器插头拔出重插即可。②电池与探空仪发射机、智能转换器插头不吻合, 应换仪器或更换电池。
1.3 基测时计算机接收不到探空信号或者找不到探空仪序列号的处理方法, 运行放球软件后, 探空仪序列号显示区显示的不是当前所插的探空仪序列号时, 要调整雷达发射频率调整后, 雷达摄像头尽量对准仪器, 或者把探空仪插头与基测箱重新连接紧。如果此现象还存在就要按关机顺序关闭雷达和计算机, 10s后重新启动即可。
2 旁瓣抓球
2.1 测高旁瓣。
旁瓣抓球, 雷达的探测距离大大缩短, 而且测角误差较大, 故雷达测高与气高差异很大。手动抓球后, 距离跟踪对准凹口, 且气压值正常时, 雷达的状态监视、控制界面上的警示灯不停地闪烁, 可怀疑旁瓣抓球。
2.2 凹口判断。
旁瓣抓球时, 应答器的凹口较粗躁, 凹口较浅、窄。手动抓球后, 距离跟踪对准凹口, 且气压值正常, 雷达的状态监视、控制界面上的警示灯不停地闪烁, 可怀疑旁瓣抓球。
3 雷达近地面过顶丢球
当L波段雷达仰角达到85°以上时, 雷达报警提示气球过顶, 此时, 值班员应密切注意雷达方位的跟踪情况, 达到93°时, 雷达天线就会卡死, 此时气球的方位变化很快, 雷达不能自动跟踪气球, 造成气球过顶丢球, 而此时能见度不好或气球入云无法进行人工室外指挥抓球。雷达综合探测丢球时, 此时应立刻将天控置手动, 值班员根据本站上空的天气系统决定气球的移动方向, 快速转动雷达天线。在保证斜距和探空信号正常的情况下, 根据此时气高的高度来确定气球的仰角 (H=sin仰角*斜距~500m) , 然后转动雷达天线方位, 使探空、距离信号处于最强, 天线置自动, 点击天线扇扫控制。如果雷达天线方位与气球方位偏差不大, 雷达可以自动跟踪气球。对于但测风, 因没有气高做参考, 值班员须根据气球飞行速度决定仰角, 天控置自动后, 密切注意气球的升速。雷达正常跟踪气球时, 升速400m·rain I1左右, 如果是旁瓣抓球, 气球的升速很快, 而且随时间的推移偏差越来越大。
4 雷达常见故障
4.1仰角断断续续出现卡死, 有时lmin卡死多次, 需要重新启动驱动箱开关。原因是由于南方湿度大, 汇流环与刷架之间的摩擦产生的碳粉不能自然掉落而越积越多形成碳垢, 造成天线转到某个角度时出现信号接触不好, 从而导致仰角卡死。定期清洗汇流环可避免此故障的产生。
4.2天线仰角显示及俯、仰正常, 雷达天控置自动时, 雷达就处于正常状态, 在天控置手动, 方位角转不动且驱动箱显示A报警, 故障显示主驱动模块及11~6板故障, 更换11~6板后, 故障依旧。故障原因是减速箱方位柔轮有裂纹造成齿轮不吻合而卡死转轮。更换柔轮, 雷达恢复正常。
4.3雷达工作过程中, 探测的气高与气压反算高度相差太大, 雷达报警红灯闪烁不停, 瞄远镜里气球偏离十字中心很大, 用经纬仪观测球影, 雷达仰角读数与经纬仪仰角读数偏差较大, 调整和差环使气球处于瞄远镜中心, 经纬仪对比合格。雷达正常工作不久, 以上故障重复出现, 且在跟踪气球的过程中, 当仰角上升时, 雷达可以正常跟踪, 气球仰角下降, 雷达仰角却不能随气球仰角下降而下降, 而是一直上升。雷达通电, 检查天馈线, 当把雷达和差环下相与天线接头拧开, 雷达天线无任何反应, 故障部位应在此处, 用电表测量和差环的管套开关, 无故障, 用示波器测量波形, 正常, 拧开和差箱与馈线的接头, 铜管里面有水滴滴出, 用电吹风吹干铜管里面的水汽, 雷达正常工作。
摘要：针对探空值班过程中经常会出现的一些问题提出相应的解决办法, 以便大家在今后的工作中共同学习和提高。
提高探空探测高度的压力调节器 篇5
我们现今的台站使用的探空气球是由天然橡胶或氯丁合成橡胶制作而成, 根据橡胶的膨胀原理, 天然橡胶虽然在零下70℃仍然能够保持很好的弹性, 但在高温下, 其弹性会发生很大的变化, 影响其弹性, 随之也会影响气象气球的探测高度。氯丁合成橡胶也有其形似的特性。
在探测过程中, 随着探空气球的升高, 高空气压的降低, 探空气球自身不断地膨胀, 直至达到探空气球自身膨胀的极值, 探空气球爆破, 探空资料数据的采集宣告终止。如此方法, 探空的高度和探空资料采集的多少, 完全取决于探空气球的质量, 也就是说取决于探空气球本身膨胀系数。
采用压力调节的方法不仅可以提高探测的高度 (从理论上来讲, 完全可以将探测高度达到或超过规定的5pb) , 还可以使探空气球在升空过程中保持相对的匀速上升, 使得探空气球所携带的探空仪中的各种感应元件能够在一个相对均衡的外部条件下进行工作。
压力调节器是根据标准压力弹簧的自身压力特性而设计的, 利用密封压力开关和气体排泄孔来调节气球内部的压力。由于气球在上升过程中, 始终是外部气体压力降低, 内部气体压力增加的过程, 所以, 该压力调节器只是采用单向压力调节, 使得装置本身结构和原理都变得简单, 在制作和使用时也更利于在高空探测的工作中应用。
我国现在的探空台站已经普遍使用GFW (L) 1型或2型二次测风雷达, 该雷达相对应的数字探空仪, 其感应元件对外部环境的稳定 (或均衡) 有一定的要求, 在不同的升速下, 感应元件的感应灵敏度会有微弱的变化, 这一点在湿度感应上显现的比较明显。如果能够保证探空气球始终保持一个相对稳定的升速下进行探测, 这对我们采集的数据会有更高的准确性。探空气球压力调节器经会有效地解决这一问题, 在保证探空气球探测高度的同时, 更能够使探空气球在上升的过程中保持相对稳定的匀速上升。
图1、2是探空气球压力调节器。
以一个标准压力弹簧作为气体压力调节的主要部件。弹簧采用标准钢质弹簧, 在弹簧的上部由一金属球与顶部的橡胶通道相连接, 作为标准状态下的封闭作用, 作为一定压力下的气体封闭, 保证在本地正常气压下气体不会外泄。
图2所示为该装置的外部底座, 其中, 四周为八个排气孔, 中间为压力弹簧调接螺栓, 该螺栓可以根据地面气压状况来调整, 以保证探空气球的净举力始终在一个标准状态。
应用此项装置完全可以将探空气球中的气体压力保证在一个恒定的范围, 同时, 减少对探空气球质量的要求, 并使探测数据始终能保持一个完整性和全面性。
摘要：探空气球的高度确定了高空气象要素资料采集的多少, 在每一次探测活动中, 其探测能够收集到更多的气象要素, 是对气象预报航空航天等相关工作有着积极的作用。在我们搜集的高空要素中, 是很难达到5Pb的, 这是因为, 我们现在采用的气球自然膨胀并破碎的探测方法限制了我们在更高的高度上的气象要素的数据收集。采用压力调节器, 可以有效并简单的使探测的高度达到高空气象规范所规定的5pb的高度。
关键词：探空台站,探测,压力调节器
参考文献
[1]遥感遥测, 1990, 3.
[2]压力容器规范标准.
[3]外螺纹紧固件用标准丝.联盟标准.
探空仪高空传热与温控策略研究 篇6
探空仪采用无线遥测技术,由探空气球携带无线电探空仪升空,由其内部自带的温度、气压、湿度传感器在高空大气层进行测量记录,再利用地面雷达等设备对探空仪进行空中定位,从而可探测从地面到30 km高度的大气温度、湿度、气压、风向、风速等数据,以供气象部门和民航机构参考[1]。
在传统的探空仪设计制作过程中,往往看轻或忽略了探空仪随着上升高度的增加而受周围环境变化尤其是温度对探空仪内部像气压、湿度传感器灵敏度的影响。比如像在中纬度地区,从12 km—25 km大气层环境温度会降到约-80℃不变,考虑到探空仪约以400 m/min速度上升,则探空仪整体处于-80℃的环境中时间长达半个小时以上,这对于为了使灵敏度和测量精度保持准确性而需工作温度在-30℃—85℃之间的传感器来说无疑有着一定的影响。
ANSYS是一种通用的有限元仿真分析软件,具有很强的热分析功能。本文应用ANSYS有限元计算软件,仿真分析了外部大气温度对探空仪实体模型的影响,对实际探空仪的设计和制作有着指导意义。
1 探空仪实体模型的研究
1.1探空仪传热实体模型的简化
对探空仪传热实体模型的假设如下:
(1)探空仪在20 km高空与周围的流体即空气之间以强制对流换热方式进行传热,且此时空气流体温度恒定在-80℃。
(2)探空仪外表与周围空气的热量转化是以热对流方式进行而内部则以热传导的形式进行。
(3)不考虑传热过程中的探空仪自身辐射散热和外界对其的热辐射的影响。
在以上基本假设的基础上,为了简化探空仪的实体模型的建立,我们以芬兰维萨拉RS92型GPS探空仪(如图1)为参照[2],因为该型号的探空仪目前应用于中国高空探测较为普遍,所以有一定的代表性。现将探空仪中所有焊接在PCB板上的传感器简化为一整个80 mm×66 mm×5 mm的PCB板,然后PCB板由两块5 mm×5 mm×5 mm的绝热材料与80 mm×76 mm×100 mm大小、厚2 mm的外壳相连,忽略其传感器探头和挂钩部分,最终建立实体模型如图2所示。
1.2传热数学模型
1.2.1 热传导傅里叶定律
式(1)中:负号表示热量传递方向和温度梯度的正方向相反。比例系数λ为导热系数(或称热导率),单位是W/(m·k)。
1.2.2 二维,稳态,无内热源的边界层换热微分方程组
连续性方程
动量守恒
能量守恒方程
式(3)中
1.2.3 常见的三种边界条件
(1) 第一类边界条件
规定了边界温度保持常数,即:tw=f(x,y,z) (5)
鉴于本文研究的探空仪与周围空气流体进行着强制对流换热,所以在此不考虑第一类边界条件。
(2) 第二类边界条件
规定了边界上的热流密度值,即:
由于探空仪内部PCB板表面安放着处于工作状态的传感器,这些传感器肯定有着一定的热功耗,假设它们均匀分布在PCB板表面,因此就会对整个PCB表面产生恒定的热流密度q。
(3) 第三类边界条件
规定了边界上物体与周围流体间的热对流系数h及周围流体的温度tf,即:
因为探空仪始终在以一定的速度往上升,所以可以把它周围的空气看成是流体,因而探空仪和空气之间的传热是以强制对流换热形式进行的,于是需要加载热对流系数h和流体温度为-80 ℃的边界条件。
1.3有限元热分析流程
1.3.1 建立模型及定义材料属性
由于模型结构上的对称性,所以可取探空仪实体模型的横截面进行热分析,且采用Solid Quad 4nodes(PLANE55)单元,其属性如表1[3]。
而对于探空仪实体模型建立时使用的外壳材料、绝热材料、PCB板材料、20 km高空空气的具体物理参数如表2所示。
1.3.2 划分网格
在对所建模型进行网格划分时,考虑到因为探空仪内部重点为等效的PCB板,所以对该部分面元采用线单元0.002 m单元尺寸,而其余部分均采用线单元为0.004 m单元尺寸,这样既节约计算机存储空间,又能保证计算精度,从而较好地刻画出探空仪整体传热特征,建好的网格划分以及边界条件加载如图3所示。
1.3.3 施加载荷
(1) 热流密度q(单位W/m2)的确定
根据热流密度的定义可知,PCB板表面所受的热流密度为:
式(8)中:P为热功率(W),S为面积(m2)。
考虑到探空仪自身的重量要尽可能减轻,因而电源的重量也将尽可能减小,所以在设计探空仪时所用器件均是低功耗的,估算整个探空仪内部元器件功耗总和约250 mW,可得出对于面积为80 mm×66 mm的PCB板的热流密度约为47.35 W/m2。
(2) 高空空气热对流系数h(单位 W/(m2·℃))的确定
根据1976年美国标准大气可知在20 km高空空气热导率λ为0.019 533 W/(m·K),运动黏度ν为0.000 161 48 m2/s,考虑到探空仪上升速度u为6.67 m/s,可求出热对流系数h为7.4 W/(m2·℃)[4]。
2探空仪内部温度场有限元求解
通过利用ANSYS对自然情况下探空仪升到环境温度为-80℃时的稳态温度场来计算求解可得探空仪内部温度场分布情况如图4所示。
从图4可以看出,颜色冷暖色调的变化对应着探空仪内部不同位置温度的不同,根据图底温度等值线可以知道探空仪内部温度分布情况,探空仪外壳最左侧温度是最低的-79.801 ℃,最高温度-44.396 ℃则在探空仪内部PCB板表面中心,而PCB板边缘温度大致为-56.2 ℃,这意味着PCB板上的传感器实际工作温度要比其正常工作温度-30 ℃—85 ℃低很多,所以必须加以辅助的热源对探空仪内部进行加热,以提高其内部整体环境温度。
增加对PCB板表面的热流密度至105 W/m2,仍由ANSYS对环境为-80 ℃时的探空仪作稳态温度场求解,可得探空仪内部温度场分布情况如图5所示。
由图5可以看出,探空仪内部最高温度即PCB板表面中心的温度已经升到-1.047 ℃,而PCB板边缘温度也升至约-27.2 ℃,这表明PCB板上的传感器的工作温度已达到了正常工作的温度范围之内。再选取PCB板表面中心点为观察点,利用瞬态分析该点从未加热自然情况-80 ℃时的稳态温度场变化至热流密度从47.35 W/m2增至105 W/m2时的稳态温度场所需时间,其瞬态分析结果如图6所示。
由图6可以看出,在多加载了57.65 W/m2热流密度后,只需约12 s探空仪内部温度即可达到稳态,相对于探空仪要在近半小时-80 ℃的环境来说这个升温时间是较短的,所以可以认为一旦有热流密度加载后其探空仪内部环境温度可立刻变化至加热后的稳态。因此只需对PCB板的热流密度增至105 W/m2以上,则可认为探空仪内部像压力、湿度等传感器就可以稳定地工作在正常温度范围之内,这样也就达到了能保证这些传感器的灵敏度和测量精度准确性的要求。
3结语
将热流密度从47.35 W/m2升至105 W/m2,可以外加功耗约300 MW的发热并联电阻阵列,对于控制并联电阻的通断则可采用脉冲宽度调制(PWM)。
由于探空仪从地面上升到30 km大概需要75 min的时间,从地面常温升到对流层顶-80 ℃需要30 min左右,而处于-80 ℃约为30 min,继续升高时外部环境温度则会相应地下降,但下降速度较慢,这段时间大概为15 min,为了使探空仪在整个上升过程中内部环境温度能保持一个合理的温度,则需要制定可行的温控策略。
当探空仪上升15 min时,由于此时外部环境温度已经降到约-30 ℃,可通过PWM控制打开150 MW的加热电阻对探空仪内部加热,等到上升了30 min时则打开所有的加热电阻,这样一来整个探空仪升空过程内部传感器的都可在不低于-30 ℃的条件下工作,以确保测量数据的准确性。
本文通过研究应用ANSYS有限元分析软件对探空仪在高空较低温度场稳态模拟,提出可行的利于探空仪改善其内部环境温度以使内部传感器正常工作的温控策略,对于提高探空仪整体的测量精度上有着较大的裨益,有利于气象测报业务质量的提高。
参考文献
[1]路传彬,董海林,陈娟.TD2-A型数字探空仪在高空测报中的应用.气象海洋水文仪器,2009;12(4):137—138
[2] Vaisala.RS92-SGP Datasheet in English.http://www.vaisala.com/en/products/soundingsystemsandradiosondes/radiosondes/Pages/RS92.aspx,2010
[3]张朝晖.ANSYS热分析教程与实例解析.北京:中国铁道出版社,2007:26—30
探空数据 篇7
1 故障的现象、影响及分析
1.1 低仰角丢球且重复出现
现象:放球中期 (仰角不大于80度) 四根亮线瞬间跳变, 随后不能恢复, 天线随机转向它处, 高差报警探空数据变得混乱无序, 造成丢球。手动抓球后恢复正常, 但有概率再次出现上述现象并丢球。
影响:造成丢球时段内的测风和探空数据丢失, 由于丢球出现在放球过程的中后期, 抓球难度较大, 不能及时抓球可能导致重放球。
分析:此故障出现多为冬季, 而且出现时表现为整机不能正常工作, 但出现时间极短。放球结束后对各系统进行排查时不能发现任何问题, 用常规的定位分析方法很难找出故障的关键位置, 所以从整体情况分析:故障发生短促且可以恢复正常工作状态, 不因是电子元件彻底损坏导致, 故障多发为冬季, 所以故障与低温有关系。故障出现时探空测风均不能正常工作, 故判断雷达信号时整体受到影响。测量室内部分均正常, 测量地下电缆, 和差箱内前置高放、差环环、限幅器以及各连接导线、基座内高频组件连接线缆阻值匹配损耗均在正常范围, 最后将故障锁定为和差箱与高频旋转关节连接的WT8线缆接触不良。WT8线缆负责将前置场放大后的信号送入基座中的高频旋转关节, 雷达的发生信号与接收信号均要通过此线路。WT8线缆是一根同轴电缆随着雷达的仰角俯仰有一定的扭转拉伸动作。同轴电缆外有铜丝金属屏蔽层, 连接处金属屏蔽层的铜丝通过接口处于机壳接地相连接。冬季气温低线缆外层橡胶保护层变硬导致雷达仰角变化时线缆的芯体和屏蔽层铜丝相对移动, 多次摩擦后铜丝断裂并掉落在芯线和屏蔽层中间, 造成WT8中大功率的发射信号与屏蔽层之间打火以及接收信号从屏蔽层直接被接地, 是雷达不能接受探空信号同时不能继续自动跟踪。并且随着俯仰变化掉落的铜丝会随机地导致雷达不能正常工作。
排除:拆开WT8线的管套, 打开接头部分, 发现屏蔽层铜丝大部分断裂, 芯线和屏蔽层之间有明显打火痕迹, 用烙铁将WT8线头部取下, 将屏蔽层铜线向下拓展, 并用小刀割去多余的介质层, 用线钳剪短中心的铜质导线, 将其插入WT8线缆头部, 用烙铁风枪灌锡固定后, 将屏蔽层铜丝均匀分布在压片的四周, 重新安装好WT8的接口。制作接口部分需注意介质层和中心铜质导线截取的长度, 要保证接口处连接紧密, 冬季焊接时室外气温低, 有条件可以搭建小型温室, 制作完毕后注意涂抹硅胶防潮。
1.2 放球过程中天线抖动剧烈
现象:放球前自动跟踪有源目标物时天线不断抖动, 放球后出现同样的情况, 在瞄准望远镜中观察发现雷达跟踪有明显滞后、摇摆。
影响:降低测风精度, 且放球后期信号变弱时摆动加剧造成丢球。
分析:雷达未运行是摇动天线, 发现方位间隙较大, 紧固方位电机螺丝后恢复正常, 但数天内方位间隙会再次增大, 根据经验判断应是方位电机固定部分损坏, 导致方位电机和传动齿轮间隙过大, 雷达天线方位转动时来回摇摆。
排除:卸下方位电机, 发现方位电机与基座固定螺丝未损坏, 但中间的两颗定位销钉已经彻底断裂, 拆下方位电机的固定端, 取下断裂销钉, 用白纸描下定位孔的孔径, 测量定位孔的长度, 用车床车出销钉, 再打入定位孔安装好方位电机后, 故障排除。值得注意的是这个故障是由于值班员操作雷达快推快放时巨大惯性导致固定销钉受力过大造成的, 如出现过此故障的台站需对值班员进行操作培训, 做到缓推慢放。
1.3 四根亮线顶部有虚线 (非频率问题)
现象:放球整个过程中四根亮线顶部均有虚线, 有规律的起伏。
影响:放球后期探空数据接收异常, 飞点显著增多, 雷达仰角和方位数据均有抖动, 影响测风精度。
分析:对雷达的接收系统全部线路原件进行检查, 未见异常, 怀疑是外部干扰, 用示波器检查11-6板四路方波, 发现方波上同样有附加杂波, 且室内驱动箱电源箱的外壳也测量到相同波形杂波, 故干扰源应在室内。
排除:查找干扰源的过程相对繁琐, 杂波的频率不能准确测定, 排除了供电系统交流干扰的可能, 以及室内其他用电器可能产生的干扰。由于故障是近期发生的, 所以要缩小范围考虑最近安装的用电器, 最后排除了其他可能, 只有在室外新安装了一盏LED照明路灯, 其开关在探空组室内, 打开开关后发现, 在闭合状态下, 此开关有微弱的打火现象, 产生随机无规律的电磁干扰。换开关后, 雷达不再受到干扰, 四根亮线恢复正常, 故障排除。此故障告诫广大机务工作者, 要时刻关注雷达对周边的电磁环境, 以免造成对探测环境的破坏。
2 结束语
以上故障的分析和排除过程均是本人对实际工作的归纳总结, 期间得到了新疆自治区气象局装备中心工作人员的大力帮助和支持, 希望能对广大L波段雷达机务工作者起到一定帮助和借鉴作用。
摘要：通过分析若羌站L波段气象探空雷达在2009年至2012使用过程中出现的各种故障, 探索L波段气象探空雷达的维修维护方法, 为今后类似的雷达故障分析提供借鉴。
关键词：L波段探空雷达,故障分析,维修
参考文献