雷暴云内电场及水成物粒子探空仪系统的设计

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1、雷暴云内电场及水成物粒子探空仪系统的设计张廷龙¨，张金生∞，张茂华1’王康平1)1)海南省防雷中心，海口，5702032)兰州火学，兰州。730000摘要：本文介绍J，一种球载探空仪系统的设计，实现对雷暴云中垂直电场及水成物粒子的图像拍摄和相关大气参数的数据采集，并根据探空仪前端信号传输需求，提出无线图像模拟传输和无线数据传输的混合无线传输方案。根据远距离传输需求，设计了带有自动跟踪功能的定向天线接收系统，将探空仅拍摄的图像和采集的数据可靠地传输到地面，在测控计算机中进行相关处理、陶形化显示和数据存储。关键词：探空仪，垂直电场，水成物粒子，自

2、动跟踪1引言随着科学技术的进步，人类活动对气象信息的依赖性越来越强。无论军事、航天等科学研究工作，还是农业以及人们的日常出行都受到天气的重大影响。因此，各类气象活动的研究越来越受到重视，尤其是大气强对流引起的冰雹、雷暴、闪电等现象更是深受关注。闪电是雷暴云内的一种自然放电现象，其产生与发展和雷暴云内的电荷结构密切相关，自18世纪以来，科学界就对其起电机制进行了大量的研究和探讨，雷暴云内电荷结构的研究一直是大气电学科的一个重要研究方向。尽管国际上针对此类现象，进行了长期观测和研究，取得了～定的成果，却由于受到观测手段、传感器技术等方面因素的制约

3、，对雷暴云中的电荷结构形成机制的认识仍然十分有限““。目前的研究方法主要有：理论探讨、数值模拟以及实验室内的模拟实验，虽然提出多种起电机制，但是都没能够完全解释雷暴云起电的机制。随着信息技术的发展，数值预报技术已被广泛运用，人们在对天气的数值模拟研究过程中发现：雷暴云内微粒物理运动过程不仅受宏观热运动的影响，而一嚣．具有很强的反馈作用”。由于缺乏云层一手数据资料，目前数值模拟该现象仍处于定性分析阶段，数值模拟的结果无法真实反映微粒物理结构和运动过程，模拟实验和雷暴云的真实情况存在+定的差异，极大的阻碍了研究工作的进展。因此，开发新一代探空仪，

4、采集雷暴云中温湿度信息、微粒的相态与尺寸以及荷电信息等现场数据，对于雷暴云内放电现象的理解和电荷结构的研究具有非常重要的促进作用，具有很高的科学价值。目前，大气数据采集方法主要是利用载体把探空仪装置送入云层，探空仪在云层中运动的过程中，利用探空仪上的传感器装置或者遥感技术获取云层中的相关数据。根据探空仪载体的不同可以分为：火箭法、飞机法、探空气球法等旧、5。。飞机法和火箭法将探空仪送入云层的高度容易控制、成功率大、可靠性高，但是其造价太高，不适合常规应用。探空气球法‘国家自然科学蘩金面上项同(批准号：41375011)资助。放球入云较难，对释

5、放探空气球的时机和技术要求较高，但性价比离，实际应用最为普遍。2总体方案设计通过对探空仪采集数据类型的分析可知，系统需要传输的信号不仅有模拟信号，还有数字信号。因此，无论选择无线模拟传输方式还是无线数据传输方式，都必须在传输前对其中一种信号进行数据类型变换。为了减轻探空仪前端信号处理的难度，降低无线传输系统上的设计复杂度，我们采用无线模拟视频传输和无线数字信号传输方式相结合的混合无线传输系统。这样，在探空仪前端就不必设计模数变换处理电路，只需将探空仪信号整合后分类传输，将需要处理的传感器信号传输到地面，进行统一处理。系统利用无线图像发送模块的

6、视频通道传输探空仪CCD摄像机拍摄的微粒图像信号，音频通道用来传输微粒电量传感器采集的音频脉冲信号。经过接收端无线图像接收模块解调后，图像信号通过视频采集卡进入测控计算机，进行显示和存储，音频脉冲信号经过处理电路后，送入单片机，进行采样处理。并将采样结果送入测控计算机，进行显示和存储。GPS接收机信号和温湿度信号通过无线数据发送模块发送至地面接收端。通过串口送入测控计算机，进行相关的数据运算、显示、处理和存储。无线传输系统框图如下：}模拟传感器』ll无线视频Il发射模块l＼◆测控计算机．网l无线传输方案原理框图FiglTheblockdiag

7、ramfarWirelesstransmissionschemeofsystem2．1探空仪数据类型分析实际应用中，探空仪采集的数据不仅有来自图像传感器的模拟信号，还有温湿度传感器、GPS接收机等采集设备的数字信号，课题要求把这些信号传输到地面测控计算机进行相关处理。为了确定无线传输方案，需要分析一下探空仪前端传感器信号的种类和传输数据的类型及要求，包括三个方面。(1)探空仪CCD高清摄像机拍摄的微粒图像，为模拟信号，要求传输到地面测控计算机，进行显示并存储：(2)电场、温、湿度传感器采集的云层温湿度信息，为数字信号，采样速率不低于2Hz。进

8、行图形化显示并存储：(3)GPS接收机提供的探空仪GPS定位数据，数据更新频率不低于IHz，为数字信号，传送到地面测控计算机，提取所需要的数据，并进行图形化显示。2