光子学报
2023, 52(12): 1201001
1 中电科芯片技术(集团)有限公司, 重庆 401332
2 重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044
为了能够在复杂环境下实现风速风向的高精度和高稳定性测量, 在基于声学共振原理的风传感器系统的基础上, 采用闭环控制扫描技术改进了系统的性能指标。采用声学共振的方式, 同时对换能器产生的信号进行频率调制和强度调制, 实现对超声换能器的线型扫描。频率调制解决了在不同压力、温度等环境因素影响下导致的共振频移的问题, 强度调制解决了换能器性能随时间衰减问题, 极大地提高了信噪比。实验结果表明, 采用闭环控制的方法可以准确测量风速风向。风速测量范围0~50 m/s, 风速测量精度为±0.5 m/s(≤15m/s)/±5%(＞15 m/s且＜35 m/s)/±9%(＞35 m/s)。改进后的系统在复杂环境下受环境变化影响小、精度高、稳定性好、抗干扰能力强。
闭环控制 频率调制 线型扫描 共振频移 风速测量 closed-loop control frequency modulation linear scanning resonance frequency shift wind speed measurement
杨靖 1,2,3韩於利 1,2,3薛向辉 1,2,3陈廷娣 1,2,3[ ... ]孙东松 1,2,3
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽 合肥 230026
3 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 亳州 233527
4 北京遥测技术研究所，北京 100076
准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。
平流层飞艇 激光风速仪 法布里-珀罗标准具 液晶相位延迟器 stratospheric airships laser wind velocimetry Fabry-Perot etalon liquid crystal variable retarder 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220642
成都师范学院史地与旅游学院, 四川 成都 611130
为研究气象因素对成都市大气细颗粒物 (PM2.5)、可吸入颗粒物 (PM10) 的影响，收集了2015―2018年成都市PM2.5、PM10的月平均浓度，采用Pearson相关分析法，分析了成都市PM2.5、PM10与气象条件的关系。结果表明：(1) 2015―2018年，成都市PM2.5、PM10年平均浓度虽然年际间差别较小，但整体呈现逐年缓慢下降趋势，2015年以来成都市的一系列大气污染控制措施是PM2.5、PM10逐年缓慢下降的原因；2015―2018年成都市PM2.5、PM10浓度季节变化特征整体表现为冬季 > 春季 > 秋季> 夏季。(2) 不同气象因素对成都市PM2.5、PM10月平均浓度的影响程度不同，降水量与气温是影响成都市PM2.5、PM10月平均浓度的主要因素，两者与PM2.5、PM10呈较高的负线性相关，其中PM2.5、PM10与降水量的相关系数均为 -0.612，与月平均气温的相关系数分别为 -0.822、-0.776，降水会通过捕获大气中的颗粒物来去除PM2.5、PM10，而温度的升高会加强PM2.5、PM10等污染物在垂直方向上的对流运动，从而对成都市污染物浓度的降低起到重要作用；日照时数、月平均风速、相对湿度等与PM2.5、PM10月平均浓度整体也呈现负相关，但与降水量和气温相比，日照时数、月平均风速与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性较低，而相对湿度与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性则更加微弱，表明相对湿度的变化对成都市PM2.5、PM10的积累和扩散影响很小。
细颗粒物 可吸入颗粒物 气温 降水量 风速 fine particulate matter inhalable particles temperature precipitation wind speed
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230031
在中国南部热带海域，基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数，结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数，其中温度和湿度对的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定，与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析，得到平均相关系数为0.85，最高可达0.99，最低为0.71；通过误差分析，可得平均为0.3。研究表明：超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况，利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应，实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。
大气光学 光学湍流 超声风速仪 风速结构常数 折射率结构常数
1 北京城市气象研究院, 北京 100089
2 北京市气象探测中心, 北京 100176
利用北京国家基本气象站内多普勒测风激光雷达和 L 波段探空系统在 2020 年 1 月 1 日至 5 月 31 日期间进行了同步观测试验, 在经过观测数据时间和空间匹配的基础上, 以后者测风数据为参照标准, 从探测风廓线的高度、风向和风速三个方面的一致性分析了激光雷达的测风数据质量。结果显示: 在观测试验期间, 激光雷达 56.5% 的观测时间里最大探测高度不低于 2000 m, 2.9% 的观测时间最大探测高度不足 1000 m; 激光雷达探测获取的水平风向、风速与 L 波段探空系统具有较好的一致性, 针对匹配得到的 8491 组对比观测数据, 其风向和风速数据拟合总相关系数分别为 0.965 和 0.986; 总体风向、风速的平均偏差和均方根误差分别为 -1.3° 和 16.1°、0.21 m·s-1 和 1.06 m·s-1; 在 2000 m 以上高度, 由于激光雷达观测数据的信噪比偏弱, 获得可信的观测数据量减少, 会对风向、风速一致性比对造成不利影响。
多普勒测风激光雷达 L 波段探空 风速 风向 Doppler wind lidar L-band radiosonde wind speed wind direction 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 494
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
使用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月Version 4.10星载激光雷达CALIOP Level 1B和Version 4.20 Level 2的日夜数据反演全球海面风速，选用准同步观测的Version 8.2 AMSR-2的海面风速值进行对比。在前人利用CALIOP无云数据进行海面风速反演的基础上，进一步将透明云层的数据用于风速反演，在明显增加数据量的同时，保持了相当的反演精度。探究不同的海面斜率分布模型的差异对CALIOP海面风速反演的影响，给出了夜间和日间有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型。结果显示，高斯模型整体的误差相对较小，但近似Gram-Charlier模型修正了偏度和峰度的影响，在较低风速（小于3 m·s-1）和较高风速（大于13 m·s-1）情况下表现更好。采用有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型：利用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月的夜间数据反演的标准偏差分别为1.22，1.33，1.20，1.39 m·s-1，相关系数分别为0.92，0.91，0.92，0.90；利用日间数据反演的标准偏差分别为1.41，1.45，1.86，1.69 m·s-1，相关系数分别为0.90，0.89，0.86，0.87。
遥感 星载激光雷达 海面后向散射 海面风速 海面斜率分布 光学学报
2022, 42(18): 1828007
1 安徽省气象局安徽省大气探测技术保障中心, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
利用 2014-2020 年 O3 浓度监测资料和同期自动气象站气象数据, 研究了合肥地表 O3 浓度的日变化和月变化规律, 分析了温度、湿度、风速等气象要素对 O3 浓度的影响。研究结果表明: 合肥地区 O3 浓度具有典型的单峰型日变化特征, 通常在 15:00 左右达到峰值, 在 07:00 左右降至日最低值; 最大 8 h 滑动平均值 (O3-8h) 月均浓度变化呈“M”型, 一般在 6 月和 8 月达到全年最高, 在 1 月和 12 月降为最低; O3-8h 月均最高值是最低值的 2.8~3.7 倍, 平均为 3.1 倍; 受气象要素影响, O3 浓度年变化规律与温度基本一致, 与湿度的变化趋势关系不明显。
臭氧 温度 湿度 风速 相关 ozone temperature humidity wind speed correlation 大气与环境光学学报
2022, 17(2): 205
1 广东工业大学 信息工程学院, 广州 510006
2 广东工业大学 广东省信息光子技术重点实验室, 广州510006
针对现有的波长解调型光纤布喇格光栅(FBG)风速计系统成本高、操作不方便等问题, 提出一种基于FBG啁啾效应的强度解调型光纤热式风速计。使用泵浦激光对长度为15 mm的FBG进行非均匀加热后, 使其产生明显的啁啾效应, 利用啁啾化FBG在风速作用下温度梯度降低导致啁啾程度减弱, 其反射光功率也随之减小的原理, 成功实现了强度解调型的FBG风速测量。实验结果表明: 风速计的测量范围达0~11 m/s, 在风速为0.1 m/s时风速计的灵敏度高达-28.60 μW/(m·s-1), 其动态响应时间小于1 s(低风速到高风速约为0.3 s, 高风速到低风速为0.9 s)。
热式风速计 光纤布喇格光栅 啁啾效应 强度解调 thermal anemometer, fiber Bragg grating, chirp eff
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
利用单通道恒温热线仪获取采样频率为4000 Hz的风速脉动数据,得到包括含能区、惯性子区以及耗散区的完整风速脉动功率谱。基于功率谱分析法得到近地面大气风速湍流内尺度和湍流动能耗散率随时间的变化规律,分析湍流内尺度和湍流动能耗散率与大气稳定度的相关性,并与三维超声风速计的测量结果进行比较。结果表明:近地面湍流动能耗散率在10 -4~10 -1 m 2/s 3之间,内尺度在10 -3~ 10 -2 m之间;当大气处于稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0146 m 2/s 3,平均内尺度为0.0089 m;当大气处于不稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0592 m 2/s 3,平均内尺度为0.0077 m。由于功率谱分析法是直接测量湍流内尺度,因此计算的内尺度最为准确。
大气光学 湍流 内尺度 湍流动能耗散率 大气稳定度 功率谱 热线风速仪 超声风速仪 光学学报
2022, 42(12): 1201002
