专利名称：Gps多功能湍流探空仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种探空仪及测法，尤其是GPS多功能潘流探空 仪及其测量方法。
背景技术：
随着光电技术的迅速发展，光学湍流的重要性越来越得到人 们的重视。在激光传输的过程中，湍流效应引起光束的溧移和扩展；在图象 应用中，湍流效应引起图象的抖动和变形；湍流还会降低天文望远镜的分辨 率。为定量研究激光通过蕭流大气时的各种现象，以解决和这些现象有关的 各种光学工程问题，必须深入研究光路的光学湍流结构，研究其变化规律和 统计特征。获取的湍流资料，可为自适应光学、髙分辨率天体观察、激光大 气传输等领域服务。由此，人们为了解整层大气湍流，即从地面到髙空的整 层大气温度起伏的特征，常使用探空仪测量大气湍流，如在本申请人的于
20(B年6月18曰公告的中国实用新型专利说明书CN 2556655Y中曾描述过 的一种"大气湍流探空仪"。它意欲提供一种精度高、工作稳定、重量轻的測 量大气中湍流、温度和气压的仪器。它由依次串接且均与电源电连接的传膝 部件、信号变换部件和发射机构成，其中的传感部件由湍流传感器、温度传 感器AD590和气压传感器KY-O. lMPa组成。探空时，由气球将其带入大气中，
信号变换部件将传感部件输出的电信号变换成由两种频率信号构成的数据串 送往发射机发送至地面。但是，这种探空仪存在着不足之处，首先，功能单 一，虽能测量大气中的湍流、温度和气压，却不能同时给出是于何地测得的， 更谈不上精确地给出测量时的坐标点；其次，智能化程度不高，不能实时地 对测量到的各种信号及时的进行处理和分析，尤为不能实时地获得大气中的
风速、风向，而这一点对于湍流的成因和发展趋势的分析是至关重要的；再
次，回收不易，气球携带的探空仪在大气中是随风飘动的，因无探空仪的坐 标信息，故其飘落至何处是不得而知的
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提
供一种实用性.强、智能化程度高，使用方便的GPS多功能湍流探空仪及其测
量方法。
GPS多功能湍流探空仪包括依次串接的传感部件、信号变换部件和发射 部件，以及与上述各部件电连接的电源，其中，传感部件含有温度脉动传感 器、大气压力传感器和大气温度传感器，发射部件含有发射机，特别是(a) 所说传感部件还含有GPS传感器,用于将待测点的坐标量变换成电信号；(b) 所说信号变换部件含有模数转换器MAX197和单片机AT89C2051，用于将传感 部件输出的电信号变换成数字信号和对其进行运算、分析和编码；(c)所说 发射部件还含有电平转换器，用于将信号变换部件处理后的频率信号转换成 发射机所需的电平。
作为GPS多功能湍流探空仪的进一步改进，所述的GPS传感器为TrimWe 公司的微型GPS接收机；所述的信号变换部件的模数转换器MAX197的脚0、
a和0分别接温度脉动传感器、大气压力传感器和大气温度传感器，用于接 收上述传感器逸来的模拟信号，单片机AT89C20S1的脚②接GPS传感器，用 于真接获得卫星定位的数字信号，单片机AT^aOSl的控制端口脚⑧、 、 0) 和G与模数转换器MAX197的控制端口①、④、⑤和Q脚连接，用于控制模数 转换器MAX197分时接收各传感器的信号，模数转换器MAX197的数地总线端 口①~ Q脚接单片机AT89C2051的数地总线端口脚G ~ G,用于将转换的数 字信号输出至单片机AT89C2051，单片机AT89C2051的输出端口脚⑨接发射 部件的输入端，用于输出处理后的频率信号；所述的电平转换器为电压放大 器；所述的单片机AT89C2051的脚④、 和 间接有片外时钟振荡器，用于 调整单片机AT89C205i的工作频率。
GPS多功能湍流探空仪的测量方法包括接收传感器的信号和输出数字信 号，特别是它是按以下步骤完成的分别设定采集传感器输出的时间片、釆 集的次数，产生一个分时采集的时间基准和釆集次数最多的传感器输出的时 间段，其中，对于湍流釆集500次，对于气压和温度分别釆集16次，对于 GPS釆集1次；根据采集传感器的对象，确定各传感器间的采集比例系数， 产生一个分时采集的工作时序，其中，釆集比例系数以湍流、气压和温度为 一组、GPS为另一组来确定；对转换成数字信号的数据进行处理，即对于湍 流的数据求其方差，对于气压和温度的数据，按大小排序，在舍去头尾各一 次的数据后，求其均值，对于GPS的数据，保留并由其和前次保留的数据计
算出风向和风速；按采集比例系数，将经过处理的数据编码成频率信号后送 往发射部件发射。。
作为GPS多功能湍流探空仪的测量方法的进一步改进，所述的湍流、气 压和温度组与GPS组间的采集比例系数为10: 1;所述的频率信号的编码为 将数据中的0和1分别对应的编制成2KHz和2. 4KHz的方波信号。
相对于现有技术的有益效果是，其一，于传感部件中新增的GPS传感器， 通过其将探空仪当时所处的精确坐标信息送往信号变换部件，既扩展了探空 仪的功能，使其能有机地结合测得的湍流、气压和温度而精确地得出测量时 探空仪所处地球的确切位置处高度上大气的湍流、气压和温度值，又提升了 探空仪的实用性，实时地一步到位地全面提供湍流、气压和温度的所有信息， 不需事后或另行再结合探空仪放空区域对测得的湍流、气压和温度的信息进 行整合，还提高了探空仪的测量精度，避免了事后或另行再对测量信息整合 时的误差累积；其二，使用模数转换器MAX197和单片机AT89C2051作为信号 变换部件，极大地提髙了探空仪的智能化程度，它不仅能对测得的湍流、气 压和温度的信息分别进行求其方差、均值的运算处理，以提髙测量的精确度， 还能根据GPS的信息实时地自行计算出探空仪所处位置处的凤向和风速，即 由两次GPS的信息得出探空仪移动的距离、方位，并据此算出风向和凤速， 且随后即将所处理得到的数字信号编码送发射机发射，以使地面即刻获知所 需的信息；其三，使用方便，探空仪只要一升空，无论飘到哪里，放飞者均 知其位于何处；其四，单片机AT89C2051中驻有的工作方法的程序，除使本 发明探空仪具有智能化的功能外，且同时还使其上位计算机的程序的模块化 得到了改善，控制算法、运行速度也变得简单和获得了较大的提高；其五， 使用软件将经过处理的数据编码成频率信号，并用此频率信号直接去调制发 射机，除能实现调制发射机的功能外，还省却了调制器模块，简化了整机的 结构，降低了造价。
作为有益效果的进一步体现， 一是选用Trimble公司的徽型GPS接收机 作为GPS传感器，充分地发挥其适宜于各类嵌入式移动设备、手持设备使用 的特点，将其与单片机AT89C2051连接，既实时地获得了坐标的信息，又满
足了探空仪体积小、功耗低的客观需要，还有着工作稳定、制作成本低的特点；二是以模数转换器MAX197和单片机AT89C2051为主构成的倌号变换部件， 使其具备了功能强、易编程、耗电低、工作稳定、兼容性好等特点；三是电 平转换器采用电压放大器8050,使得单片机AT89C2051输出的0 ~ 5v的TTL 信号能与发射机所需的土12v输入信号相匹配，易于发射机不失真地发射信 号；四是单片机AT89C2051的脚④、 和G间接有的片外时钟振荡器，使信 号变换部件的工作调整变得简单易行；五是湍流、气压和温度组与GPS组间 的釆集比例系数为10: l的比例，完全满足了确切位置处对大气中动态测量 湍流、气压和温度的精度要求；六是频率信号的编码为将数据中的0和1分 别对应的编制成2KHz和2. 4KHz的方波信号，使其与现有的地面接收设备所 使用的解调器的频率相同，充分地兼顾了与已有设备的兼容.性。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步'详细的描述。
图i是本发明的一种基本电路原理示意图； 图2是本发明测量方法的工作流程图3是使用本发明测得的申请人所在合肥地区的温度脉动图，其中，(a) 图为&垂直廓线原始图，(b)图C、滑动平均图4是使用本发明测得的申请人所在合肥地区的气压廓线图； 图5是使用本发明测得的申请人所在合肥地区的温度廓线图。
具体实施方式
参见图l,GPS多功能湍流探空仪包括一个由温度脉动传 感器ll、大气压力传感器12、大气温度传感器13和GPS传感器14组成的传 感部件1，用于将待测点的物理量和坐标量变换成电信号； 一个含有模数转 换器MAX197和单片机AT89C2051的信号变换部件2，用于将传感部件1输出
的电信号变换成数字信号和对其进行运算、分析和编码； 一个含有电平转换 器和发射机31的发射部件3,用于将信号变换部件2处理后的频率信号转换 成发射机31所需的电平并发射出去； 一个电源4。该电源4分别与传感部件 1、信号变换部件2和发射部件3电连接。其中，模数转换器MAX197的脚0、 ffi和Q分别接温度脉动传感器U、大气压力传感器12和大气温度传感器13， 用于接收上述三个传感器送来的温度脉动、气压和温度的模拟电信号。单片 机AT89C2051的脚②接GPS传感器14，用于直接获得卫星定位的数字信号； 其中，GPS传感器14选用Trimble公司的微型GPS接收机。单片机AT89C2051
的控制端口脚⑧、 、⑦和0与模数转换器MAX197的控制端口③、④、O和 Q脚连接，用于控制模数转换器MAX197分时段地接收温度脉动传感器11或 大气压力传感器12或大气温度传感器13或GPS传感器14的信号。模数转换 器MAX197的数地总线端口 ~ G脚接单片机AT89C2051的数地总线端口脚 G ~ C3，用于将已转换成数字形式的温度脉动或气压或温度或坐标的信号输 出至单片机AT89C2051。单片机AT89C2051的输出端口脚⑨经作为电平转换 器的电压放大器8050后接发射机31，用于输出处理后的频率信号。单片机 AT89C2051的脚④、⑤和O间接有片外时钟振荡器，用于调整其工作频率。
参见图2， GPS多功能湍流探空仪的测量方法的工作流程如下对GPS 多功能湍流探空仪通电后，单片机AT89C2051给其自有的功能部件和内存中 驻有的各个子程序，以及模数转换器MAX197预置初始值，即设定其初始工作 状态，如给16位记时器/计数器设定lOflis的定时中断值，以作为分时采集数 据的时间片，给采集温度脉动、气压、温度和坐标的计数器分别赋值为500、 16、 16和1等(步骤110)。接着，在步骤120中，单片机AT89C2051将湍流、 气压和温度的采集分为一组、GPS的采集分为另一组，两组间的采集比例系 数确定为10: 1，即对采集比例系数计数器I赋值为10.之后，单片机 AT89C2051检查温度脉动计数器的值是否等于0 (步骤130 ) 即对于湍流来 说，是否已釆集了 500次并且运算完。若为非，则继续采集温度脉动传感器 11的数据。若温度脉动计数器的值巳等于O，则调用计算方差1/iix i:(T广T2) 2的子程序，以求出已采集的温度脉动数据的方差，公式中的T,、 L为两点的 温度差(由温度脉动传感器11直接输出)、n为采集到的个数，现为500。然 后，在步骤140，将湍流的方差值送湍流发射暂存区存储。接着，单片机 AT89C2051检查气压计数器的值是否等于0 (步骤150) 即对于气压来说， 是否已采集了 16次并且运算完。若为非，则继续釆集大气压力传感器12的 数据。若气压计数器的值已等于0，则将采集到的气压的数据按其大小进行 排序，在舍去头尾各一次的数据后，求其均值。之后，于步骤160,将气压 的均值送气压发射暂存区存储。然后，单片机AT89C2051检査温度计数器的 值是否等于0 (步，170) 即对于温度来说，是否已采集了 16次并且运算 完。若为非，则继续采集大气温度传感器13的数据。若温度计数器的值已等
于o,则将采集到的温度的数据按其大小进行排序，在舍去头尾各一次的数 据后，求其均值。之后，于步骤180,将温度的均值送温度发射暂存区存储。 接着，在步骤190，单片机AT89C2051将湍流发射暂存区、气压发射暂存区 和温度发射暂存区中存储的湍流的方差值、气压和温度的均值编码成频率信 号后送往发射部件发射，其中，频率信号的编码为将方差值和均值数据中的 0和1分别对应的编制成2KHz和2. 4KHz的方波信号。之后,单片机AT89C2051 检查采集比例系数计数器I的值是否等于0(步骤200 ) 即对于以湍流、气 压和温度为一组的采集是否已进行了 10次？若为非，则转回步骤130，继续 采集湍流、气压和温度的数据并运算。若为是，则于步骤210采集GPS传感 器14的数据，将采集到的数据保留后，再将其与前次保留的数据一起计算出 风向和风速，之后，编码成频率信号后送往发射部件发射。然后，单片机 AT89C2051转向步骤130继续新一轮的处理。地面接收站收到探空仪发射的 信号后，就可获得如图3、图4和图5所示的温度脉动、气压廓线和温度廓 线图。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的GPS多功能湍流探空仪及其测 量方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发 明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发 明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1、一种GPS多功能湍流探空仪，包括依次串接的传感部件(1)、信号变换部件(2)和发射部件(3)，以及与上述各部件电连接的电源(4)，其中，传感部件(1)含有温度脉动传感器(11)、大气压力传感器(12)和大气温度传感器(13)，发射部件(3)含有发射机(31)，其特征在于(a)所说传感部件(1)还含有GPS传感器(14)，用于将待测点的坐标量变换成电信号；(b)所说信号变换部件(2)含有模数转换器MAX197和单片机AT89C2051，用于将传感部件(1)输出的电信号变换成数字信号和对其进行运算、分析和编码；(c)所说发射部件(3)还含有电平转换器，用于将信号变换部件(2)处理后的频率信号转换成发射机(31)所需的电平。
2、 根据权利要求1所述的GPS多功能湍流探空仪，其特征是GPS传感器 (14)为Trimble公司的微型GPS接收机。
3、 根据权利要求1所述的GPS多功能湍流探空仪，其特征是倌号变换部 件(2)的模数转换器MAX197的脚0、 fi)和Q分别接温度脉动传感器(11)、 大气压力传感器(12 )和大气温度传感器(13 )，用于接收上述传感器送来的 模拟信号；单片机AT89C2051的脚②接GPS传感器(14 ),用于直接获得卫星 定位的数字信号；单片机AT89C2051的控制端口脚⑧、 、 O和O与模数转 换器MAX197的控制端口③、@、⑤和Q脚连接，用于控制模数转换器MAX197 分时接收各传感器的信号;模数转换器MAX197的数地总线端口⑦~ G脚接单 片机AT89C2051的数地总线端口脚G ~ G，用于将转换的数字信号输出至单 片机AT89C2051;单片机AT89C2051的输出端口脚⑨接发射部件(3 )的输入 端，用于输出处理后的频率信号。
4、 根据权利要求3所述的GPS多功能湍流探空仪，其特征是电平转换器 为电压放大器8050。
5、 根据权利要求1所述的GPS多功能湍流探空仪，其特征是单片机 AT89C2051的脚④、 和G间接有片外时钟振荡.器，用于调整单片机 AT89C2051的工作频率。
6、 根据权利要求1所述的GPS多功能湍流探空仪的测量方法，包括接收 传感器的信号和输出数字信号，其特征在于分别设定采集传感器输出的时间片、采集的次数，产生一个分时采集的 时间基准和釆集次数最多的传感器输出的时间段，其中，对于湍流采集500 次，对于气压和温度分别采集16次，对于GPS采集1次；根据采集传感器的对象，确定各传感器间的采集比例系数，产生一个分 时采集的工作时序，其中，采集比例系数以湍流、气压和温度为一组、GPS 为另一组来确定；对转换成数字信号的数据进行处理，即对于湍流的数据求其方差，对于 气压和温度的数据，按大小排序，在舍去头尾各一次的数据后，求其均值， 对于GPS的数据，保留并由其和前次保留的数据计算出风向和风速；按采集比例系数，将经过处理的数据编码成频率信号后送往发射部件发射。
7、 根据权利要求6所述的GPS多功能湍流探空仪的测量方法，其特征是 湍流、气压和温度组与GPS组间的采集比例系数为10: 1。
8、 根据权利要求6所述的GPS多功能湍流探空仪的测量方法，其特征是 频率信号的编码为将数据中的0和1分别对应的编制成2KHZ和2. 4KHz的方波信号。
全文摘要
本发明公开了一种GPS多功能湍流探空仪及其测量方法。探空仪包括含有温度脉动传感器(11)、大气压力传感器(12)、大气温度传感器(13)和GPS传感器(14)的传感部件(1)、含有模数转换器MAX197和单片机AT89C2051的信号变换部件(2)、含有电平转换器和发射机(31)的发射部件(3)，以及电源(4)，用于将传感器输出的电信号变换成数字信号和对其进行运算、分析和编码后发射；方法包括接收传感器的信号和输出数字信号，特别是分别设定采集传感器输出的时间片、采集的次数，根据采集传感器的对象，确定各传感器间的采集比例系数，对转换成数字信号的数据进行处理后将其编码成频率信号送发射部件发射。它能精确地定位测量大气湍流和测量点处的风向、风速。
文档编号G01W1/00GK101191840SQ20061009773
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者余申伟, 刚 孙, 翁宁泉, 肖黎明 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所