[发明专利]一种高空垂直剖面激光调制吸收湿度测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于高空湿度测量技术，特别涉及一种高空垂直剖面激光调制吸收湿度测量装置及方法。

背景技术

目前我国气象领域，已经使用无人机搭载湿度传感器进行高空湿度探测，但仅作为试验。据文献调研，目前技术方案通过小型无人机作为载荷平台，因此对于传感器重量、功耗均有要求，同时小型无人机无法达到3km以上，无法获取全面的气象信息。

气球作为常规的高空探测手段，携带湿敏电容进行高空探测，但是上升路径不可控，无法探测垂直剖面信息。

无论是气球还是无人机平台，携带的湿度传感器均为湿敏电容方式，该类传感器响应时间慢，约20~30秒，因此在无人机高速飞行或气球快速上升过程中，采集信息迟滞，位置信息和湿度信息不重合。

发明内容

本发明的目的是提出一种高空垂直剖面激光调制吸收湿度测量装置及方法，通过串联结构的抗振动的光-光耦合长光程气室，在气室外设计一种靠负压吸入空气的导流罩，避免高速飞行的空气正面冲击传感器；传感器自带存储器实时存储湿度信息。同时依据无人机通信链路，设计了传感器数传程序模块，读取飞机的GPS信息，将位置信息和气象信息同步采集，实现地理信息与气象信息融合。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种高空垂直剖面激光调制吸收湿度测量装置，包括一个用于安装测量飞机背部的一个平面基座，基座上水平安装一个测量仓，测量仓中设置与TDLAS系统和无线数据传送模块连接的光纤湿度传感器，无线数据传送模块将接收的湿度传感器数据传递至地面接收站，其中，所述测量仓中水平设置有一个光程气室，光纤湿度传感器设置在光程气室中，光程气室前端与外界空间连通，在光程气室后端连接有一个气流负压仓，测量仓外的气体由负压仓中流动气流产生的负压从光程气室的前端流入。

方案进一步是：所述负压仓外为一个整流罩，整流罩中心轴线与光程气室长度方向中心轴线重合，整流罩的前端为一个凸起的圆弧面，整流罩的上下左右是与圆弧面平滑连接的平面，整流罩后端与光程气室后端连接，在所述整流罩的左右两侧平面分别设置有与负压仓连通的通孔，通孔口连接一个垂直于平面的气流导管，导管口为一个迎风面高、背风面低的坡口，当飞机带动的测量仓在向前运动时，导管口背风面产生负压带动负压仓气流顺导管口吸出，进而使测量仓外的气体由负压仓中流动气流产生的负压从光程气室的前端流入。

方案进一步是：所述整流罩前端圆弧面上下两侧弧面上设置有弧面气孔，在整流罩的上下平面上分别设有与弧面气孔连通的通孔，通孔口连接一个垂直于平面的气流导管，导管口为一个迎风面高背风面低的坡口，当飞机带动的测量仓在向前运动时，导管口背风面产生负压引导整流罩前端圆弧面的气流一部分从上下两侧平面气流导管流出，减少由于飞机带动的测量仓在向前运动时对光程气室前端与外界空间连通的进气口产生进气影响。

方案进一步是：所述光程气室为横截面为矩形的长条空间，垂直于长条空间中间轴线均匀分布设置有多个矩形框架，所述光纤湿度传感器沿所述矩形框架相对的两个边框相互间隔均匀缠绕在框架上，相邻框架上缠绕的光纤首尾相连接相互串联。

方案进一步是：所述多个框架相互串联的光纤总长度至少是1000mm。

方案进一步是：所述相对的两个边框上设置有光耦合件，所述光纤通过光耦合件穿过边框缠绕在框架上。

方案进一步是：所述相互串联的光纤至少设置两组。

一种高空垂直剖面激光调制吸收湿度测量方法，将所述的湿度测量装置水平安装在飞机背部，所述装置的负压仓外为一个整流罩，整流罩中心轴线与光程气室长度方向中心轴线重合，整流罩的前端为一个凸起的圆弧面，整流罩的上下左右是与圆弧面平滑连接的平面，整流罩后端与光程气室后端连接，在所述整流罩的左右两侧平面分别设置有与负压仓连通的通孔，通孔口连接一个垂直于平面的气流导管，导管口为一个迎风面高、背风面低的坡口，当飞机带动的测量仓在向前运动时，导管口背风面产生负压带动负压仓气流顺导管口吸出，进而使测量仓外的气体由负压仓中流动气流产生的负压从光程气室的前端流入；所述方法是：将装置整流罩的凸起圆弧面朝向飞机机头向安装，飞机离开跑道开始起飞，开始测量；飞机上升的轨迹是以盘旋的轨迹上升，每盘旋一周上升的高度为800米至1000米，实时读取湿度传感器数据、飞机GPS定位数据，并将两者结合，形成带有定位信息的气象数据信息后发送至地面站。