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UAT-2型超声风速温度仪和湍流专用局域网测量系统——中国科学院大气物理研究所成果展示
2013-03-20
一、项目背景
超声风速温度仪是一种利用声学方法测量三维风、温脉动的仪器，其声阵由三个空间位置精确相关的声程组成，沿声程方向的风速值与超声沿声程顺风和逆风传播所需的时间差倒数成正比，测出超声波沿声程顺风和逆风传播所需时间，即可得到沿声程方向的风速，测得三个声程风速，再经计算就能得到三维风速值。超声风速温度仪测量系统的研制是一项气象学、空气动力学、电子技术、计算机技术、传感器技术和网络技术等多学科交叉的难度较大的工作，目前国外能生产高性能超声风速温度仪的主要是美国、英国和日本。中国科学院大气物理研究所是国内仅有数十年坚持超声风速温度仪的研制和小批量生产的单位，2010年7月，他们负责中国科学院重大创新装备研制项目“UAT-2型超声风速温度仪和湍流专用局域网测量系统”顺利结题。2012年10月通过中国科学院有关主管局主持的成果鉴定会。
二、技术创新
1．该系统把先进的超声测风技术、电子技术、计算机技术、通讯技术和网络技术紧密地结合起来，以国际标准化组织（ISO）颁布的开放系统模型（OSI）标准为基础，结合系统自身的特点，率先在国内外大气探测领域设计完成UAT-2超声风速温度仪GPS同步、专用、开放、主从分布式局域网络，可实现某一特定区域，风速和温度脉动场结构的精细测量。
2．在全向非正交三维声阵的设计中，不但减少声阵带来的阴影效应问题，且在保证超声接收信号信噪比的前提下，大大缩短了传感器和相关机电装置的过渡过程时间，系统采样频率可达100次／秒，标志着声阵和超声整体系统设计和功能先进，对大气湍流的研究具有重要意义。
3．为了同时完成系统复杂的控制功能和通讯功能，设计了超声专用嵌入式系统（UES），它是计算机软硬件技术发展到更高阶段的产物，是后PC时代的标志。UES既突出了超声对实时性、可靠性、开放性和组网观测的要求，又满足了仪器对价格（高性价比）、体积（18cm×12cm×1.5cm）和功耗（4W）的严格限制。同时采用多个国际标准和专用标准以及BSP局域网通讯规程，这些标准和相应先进技术的采用大大加强了系统的功能，达到了替代通用PC机的目的。系统开放、快速、可靠，性价比高，功耗低。
4．系统设计了用户专用芯片（ASIC）。实现了以先进的基于芯片的设计方法代替传统的基于电路板设计方法的技术跨越，保证了专用系统速度更快、可靠性更高、运行更安全。
5．特殊干扰问题的解决
（1）高塔复合型干扰。以北京气象塔280米为实验平台，采用多种抗干扰技术，解决了比一般野外环境强度更高、来源更为复杂的复合型干扰给系统带来的各种问题。
（2）干旱地区系统接地问题。按国家标准，通用仪器的接地电阻要小于1欧姆，在沙漠地区根本达不到这个要求，而该系统的野外实验证明该系统解决了这一技术难题。
（3）解决了边远地区电源过低、过高和浪涌的干扰。通过上述措施解决了比一般野外环境强度更高、来源更为复杂的复合型干扰给系统带来的各种问题。可充分确保系统在条件恶劣的野外环境中长期、稳定、可靠地工作。仪器设计还充分考虑了可维性（可视、可达、可测、可修），提高了系统的可用性。
6．系统设计了专用接口：引进GPS秒信号作为系统的时基，可保证多地、多个局域网实现实时、同步观测，对特定区域风速、温度的时空结构的精细测量具有重要意义。
7．可实时采集声阵倾角数据（100Hz），大大提高了三维风速，特别是垂直风速的测量精度。
8．可实时采集CO2和H2O测量数据（20HZ），完成CO2和H2O的通量测量。
三、推广应用情况
（1）目前国外使用超声风速温度仪已非常普遍，使用单位可以说数不胜数，如国际上建立的数百个通量观测站（FluxNet）中，每个入网的观测站都安装了多台超声风速温度仪，更不用说各种名目繁多的观测计划和观测项目了。在我国凡与风温脉动测量有关的行业对超声风速温度仪都有着大量和日益增长的需求。但由于从国外进口超声风速温度仪的价格十分昂贵，仪器老化部分和损坏的配件也必须从国外进口，维修非常困难，而且总是被动地跟踪国外公司的产品更新换代，并付出大量金钱和时间的代价，大大制约了超声风速温度仪的推广、应用。特别是在超声风速温度仪易于损坏的自然条件恶劣的地区（沿海、沙漠、高原）同时使用多台超声风速温度仪开展观测更是困难重重。因此自行研制高性能超声风速温度仪，使其完全国产化是十分必要的，只有这样才能满足我国大气科学、环境科学和其他相关的行业大量使用超声风速温度仪的需求，具有重要的科研意义、直接的经济效益和社会效益。
（2）超声风速仪已基本具备批量生产、推广、应用的基础。经过一定的“孵化”，UAT－2 型超声风速仪可做到产品化、系列化，替代同类进口产品，尽快摆脱国外产品的控制。超声风速仪在天气、气候、大气 、污染、工程气象（例如风能开发）、航天（神舟飞船发射安全保障）、航空（风切变）、高速铁路（安全标准）等众多研究领域得到了广泛的应用，在各种复杂下垫面条件和许多极端气象条件下（沙尘暴、极地考察）都展现出很大的优越性。随着国民经济的发展，科研工作的深入，超声风速仪还会在高效农业、公路、铁路、桥梁、隧道建设、竟技体育、大型购物中心、军事装备升级、风切变预警、核危急处理等领域得到推广应用。例如，“UAT-2型超声风速温度仪和湍流专用局域网测量系统”在2010年7月通过验收后，就承担了国家973项目“生态和环境过程模式的研制与改进”在甘肃省民勤县沙漠地区的观测实验任务，实现了某一特定空间（水平梯度为观测塔之间的距离，垂直高度为50米的立体空间）风场的时空结构的精细测量。
机构简介
中国科学院大气物理研究所在我国最早开始超声风速仪的研究和应用，具有三十多年的技术和经验积累。早期研制的第一代（Fw－11）和第二代（UAT－1）超声风速仪在我国的北京325米气象塔长期担任连续观测工作，并在西太平洋科学考察、北极科学考察、青藏高原地气交换观测、中国气象局沙尘暴监测系统、神州飞船发射安全保证以及航空气象保障、高速铁路安全规范制定和国家及地方的环境保护等项目中获得广泛应用，受到了使用者的好评。
