風(fēng)場信息的測量是氣象或空氣動(dòng)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(shí)空分辨率高、機(jī)動(dòng)性能好的優(yōu)點(diǎn)，其在風(fēng)場精準(zhǔn)探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)分子及氣溶膠運(yùn)動(dòng)粒子的后向散射信號(hào)Doppler 頻移來實(shí)現(xiàn)，即通過探測目標(biāo)與激光發(fā)射信號(hào)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(jì)算獲得大氣的徑向風(fēng)速。

圖1 Doppler 激光測風(fēng)雷達(dá)基本原理圖

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(hào)中，主要包含的是氣溶膠的散射信號(hào)和分子散射信號(hào)。大氣中的粒子無法自行發(fā)射激光，要測量大氣粒子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)的最大速度約為400m/s，這相當(dāng)于1GHz的Doppler頻移。

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(shí)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(bǔ)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

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(huì)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(shí)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！

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（1）溫度測量范圍：-30 to +80℃

（2）濕度測量范圍：0 to 100 % RH

（3）露點(diǎn)測量范圍：-60 to +80℃

（4）氣壓測量范圍：600 to 1100 hPa

（5）通訊協(xié)議：ModBus RTU 和研華 ADAM 兼容協(xié)議

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工業(yè)級溫度、濕度、氣壓變送器-RS232輸出，外置探頭。

（1）溫度測量范圍：-30 to +105℃

（2）濕度測量范圍：0 to 100 % RH

（3）露點(diǎn)測量范圍：-60 to +80℃

（4）氣壓測量范圍：600 to 1100 hPa

（5）通訊協(xié)議：ModBus RTU 和研華 ADAM 兼容協(xié)議

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