探空气球及高空气象探测系统的制作方法

本发明涉及高空气象探测设备技术领域，尤其是涉及一种探空气球及高空气象探测系统。

背景技术：

高空气象探测是边界层大气研究的重要手段，其主要是通过探空气球携带的探空仪器进行高空气象要素的测量和数据采集。探空气球用于携带各类无线电探空仪器或其他电子设备升空进行温度、大气压力、湿度、风速风向等气象要素测量的气球，在气象学发展和天气预报工作中起到了重要作用。在使用探空气球探测高空大气的过程中，通常需要实时调整探空气球所处的高度，以便携带的探空仪器或电子设备能够采集不同高度下的大气数据。但目前高空气象探测领域普遍使用的一次性的探空气球不能满足实时调整探空气球高度的要求，而且该探空气球不方便回收，增加了高空探测的成本。

针对上述问题，现有技术提供了一种改良的探空气球，在普通的探空气球的尾部加设线绳，操作人员手持线绳，通过放线、收线来对高空中的探空气球进行高度调整，探测结束后，通过操作人员拉扯线绳来回收探空气球及探空气球携带的探空仪器和电子设备等。这种通过线绳控制探空气球的方式，极大的限制了探空气球的活动空间，不能真正实现远程控制，且线绳本身容易发生断裂或缠绕，容易发生探空气球及探空仪器的丢失。

综上所述，现有技术中不能有效解决在使用探空气球的过程中无法实现远程控制、实时调整探空气球所处的高度的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种探空气球，以解决在使用探空气球的过程中无法实现远程控制、实时调整探空气球所处的高度的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的探空气球，包括：气囊、重料囊、排气阀、排料阀、无线通讯模块、高度传感器以及控制器，其中：

所述排气阀与所述气囊连通，所述排料阀与所述重料囊连通；

所述排气阀、所述排料阀、所述无线通讯模块、所述高度传感器分别与所述控制器信号连接。

优选地，还包括基座，所述基座设置在所述气囊内，所述重料囊位于所述气囊内并设置在所述基座下方，所述无线通讯模块、所述高度传感器以及所述控制器均设置在所述基座上。

优选地，还包括位置传感器，所述位置传感器设置在所述气囊内，所述位置传感器与所述控制器信号连接。

优选地，还包括温度传感器以及加热装置，所述温度传感器以及所述加热装置均设置在所述气囊内且均与所述控制器信号连接。

优选地，还包括气压传感器，所述气压传感器设置在所述气囊内并与所述控制器信号连接。

优选地，还包括充气阀以及进料阀，所述充气阀与所述气囊连通，所述进料阀与所述重料囊连通。

优选地，还包括柔性太阳能电池板以及充电电池，所述柔性太阳能电池板设置在所述气囊外表面并与所述充电电池电连接，所述充电电池设置在所述气囊内并与所述控制器电连接。

优选地，所述重料囊内填充有不冻液。

优选地，所述气囊内填充有氦气。

相对于现有技术，本发明所述的一种探空气球具有以下优势：

本发明提供了一种探空气球，在使用前，先根据首次探测高度以及最高探测高度来计算配比充入气囊内的填充气体的充气量以及填入重料囊所需填充重料的质量，并将所需填充气体填充入气囊内，将所需填充重料填充入重料囊内。以上准备工作完成后，释放探空气球，填充气体为探空气球和其携带的探空仪器提供浮力，同时探空气球自身和其携带的探空仪器均受到重力。在探空气球位于地表附近时，由于探空气球周围环境的空气密度较大，探空气球受到的浮力大于自身受到的重力及携带的探空仪器所受到的重力之和时，探空气球上升。由于高空大气的空气相对稀薄，空气密度较低，使得在探空气球持续上升的过程中所受到的浮力逐渐降低，当探空气球自身和其携带的探空仪器所受到的重力与探空气球受到的浮力相等时，探空气球将不再上升而悬停于高空的某一高度处。高度传感器监测到探空气球所处高度后，将高度信号传输至控制器，控制器作出命令通过无线通讯模块发射该高度信号，地面控制装置接收到该信号后，调整探测高度，并向探空气球发射调整探测高度信号。如调整探测高度大于当前探空气球所处高度时，探空气球的无线通讯模块接收到调整探测高度信号并传输至控制器，控制器控制与之信号连接的排料阀打开，填充在重料囊的填充重料从重料囊中排出，重料囊中的填充重料减少，使得探空气球受到的重力减小，进而使得探空气球与探空仪器的重力之和小于所受到浮力，探空气球上升，以便能够到达更高的探测高度，进而能够对更高的高空气象数据进行收集，当达到调整探测高度后，高度传感器将当前高度通过无线信号传输至控制器，控制器自动作出关闭排料阀命令，排料阀关闭；如调整探测高度大于当前探空气球所处高度时，探测气球的无线通讯模块接收到调整探测高度信号并传输至控制器，控制器控制与之信号连接的排气阀打开，填充在气囊的填充气体从气囊中排出，气囊中的填充气体减少，使得探空气球受到的浮力减小，进而使得探空气球所受到浮力小于探空气球与探空仪器的重力之和，探空气球下降，当达到调整高度后，高度传感器将当前高度通过无线信号传输至控制器，控制器自动作出关闭排气阀命令，排气阀关闭。探空气球降低后能够降低探测高度，进而能够将探空气球下降至较低的探测高度，能够对较低的高空气象数据进行收集，同时，还能够通过排出气囊内的填充气体来回收探空气球及探空仪器。相比较现有技术，本发明提供的探空气球通过设置重料囊、无线通讯模块及控制器，来实现对探空气球及其携带的探空仪器的探测高度的远程控制与实时调节，调节效果好，实用性强，同时还能方便快捷地回收探空气球及其携带的探空仪器，使其能够重复利用，从而节约成本。

本发明的另一目的在于提出一种高空气象探测系统，以解决在使用探空气球的过程中无法实现远程控制、实时调整探空气球所处的高度的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的高空气象探测系统，包括：地面控制装置以及上述技术方案所述的探空气球，所述探空气球与所述地面控制装置信号连接。

所述高空气象探测系统与上述探空气球相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的探空气球的主视图；

图2为图1所示的探空气球的俯视图；

图3为图1所示的探空气球沿A－A面的剖视图；

图4为图2所示的探空气球沿B－B面的剖视图。

图标：101－气囊；102－重料囊；103－排气阀；104－排料阀；105－无线通讯模块；106－高度传感器；107－控制器；108－基座；109－位置传感器；110－温度传感器；111－加热装置；112－气压传感器；113－充气阀；114－进料阀；115－柔性太阳能电池板；116－充电电池；117－不冻液；118－氦气。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1为本发明实施例一提供的探空气球的主视图；图2为图1所示的探空气球的俯视图；图3为图1所示的探空气球沿A－A面的剖视图；图4为图2所示的探空气球沿B－B面的剖视图。如图1－4所示，本实施例一提供的探空气球，包括气囊101、重料囊102、排气阀103、排料阀104、无线通讯模块105、高度传感器106以及控制器107，其中：排气阀103与气囊101连通，排料阀104与重料囊102连通；排气阀103、排料阀104、无线通讯模块105、高度传感器106分别与控制器107信号连接。

本发明实施例一提供了一种探空气球，包括气囊101、重料囊102、排气阀103、排料阀104、无线通讯模块105、高度传感器106以及控制器107，其中，无线通讯模块105、高度传感器106、控制器107以及重料囊102均可设置在气囊101内部，也可设置在气囊101外表面并与气囊101连接。

其中，排气阀103、排料阀104、无线通讯模块105与高度传感器106分别与控制器107信号连接。信号连接可为通过导线、无线电等方式的信号连接，探空气球设有供电设备为上述装置提供电力保证其正常工作。本实施例一中的控制器107可为微控制单元，能够对无线通讯模块105、高度传感器106传输的信号进行处理，并且能够对排气阀103、排料阀104、无线通讯模块105作出相关命令。无线通讯模块105具有收发无线信号的功能，能够根据控制器107命令将高度传感器106监测到的数据通过无线信号发射出去，地面的操作人员可通过无线信号接收设备接收该信号。无线通讯模块105还能够接收无线信号，并将接收到的无线信号传输至与之信号连接的控制器107，控制器107根据该信号作出开闭排气阀103和排料阀104的命令。

其中，气囊101内填充有填充气体，填充气体可为氢气、氦气118等密度较空气小的气体，为探空气球增加浮力，排气阀103与气囊101连通并能够实现排放气囊101内的填充气体，也可通过该排气阀103向气囊101内充入填充气体。本发明实施例一中的重料囊102内设囊腔，填充重料填充在重料囊102的囊腔中，排料阀104设置在进料囊的下方，以便在排出填充重料时更加顺畅。填充重料可以是液体或细小颗粒状固体，为探空气球增加重力。排料阀104与重料囊102连通并能够实现排出重料囊102内的填充重料，也可通过该排料阀104向重料囊102内充入填充重料。

在使用本发明实施例一提供的探空气球之前，先根据首次探测高度以及最高探测高度来计算配比充入气囊101内的填充气体的充气量以及填充重料囊102所需填充重料的质量，并将所需填充气体填充入气囊101内，将所需填充重料填充入重料囊102内。以上准备工作完成后，释放探空气球，填充气体为探空气球提供浮力，同时探空气球自身和其携带的探空仪器均受到重力。在探空气球位于地表附近时，由于探空气球周围环境的空气密度较大，探空气球受到的浮力大于自身受到的重力及携带的探空仪器所受到的重力之和时，探空气球上升。由于高空大气的空气相对稀薄，空气密度较低，使得在探空气球持续上升的过程中所受到的浮力逐渐降低，当探空气球自身和其携带的探空仪器所受到的重力与探空气球受到的浮力相等时，探空气球将不再上升而悬停于高空的某一高度处。高度传感器106监测到探空气球所处高度后，将高度信号传输至控制器107，控制器107作出命令通过无线通讯模块105发射该高度信号，地面控制装置接收到该信号后，调整探测高度，并向探空气球发射调整探测高度信号。

如调整探测高度大于当前探空气球所处高度时，探空气球的无线通讯模块105接收到调整探测高度信号并传输至控制器107，控制器107控制与之信号连接的排料阀104打开，填充在重料囊102的填充重料从重料囊102中排出，重料囊102中的填充重料减少，使得探空气球受到的重力减小，进而使得探空气球与探空仪器的重力之和小于所受到浮力，探空气球上升，以便能够到达更高的探测高度，进而能够对更高的高空气象数据进行收集，当达到调整探测高度后，高度传感器106将当前高度通过无线信号传输至控制器107，控制器107自动作出关闭排料阀104命令，排料阀104关闭，探空气球排出填充重料期间也可由地面控制装置作出关闭排料阀104命令；如调整探测高度大于当前探空气球所处高度时，探测气球的无线通讯模块105接收到调整探测高度信号并传输至控制器107，控制器107控制与之信号连接的排气阀103打开，填充在气囊101的填充气体从气囊101中排出，气囊101中的填充气体减少，使得探空气球受到的浮力减小，进而使得探空气球所受到浮力小于探空气球与探空仪器的重力之和，探空气球下降，当达到调整高度后，高度传感器106将当前高度通过无线信号传输至控制器107，控制器107自动作出关闭排气阀103命令，排气阀103关闭，探空气球排放填充气体期间也可由地面控制装置作出关闭排气阀103命令。探空气球降低后能够降低探测高度，进而能够将探空气球下降至较低的探测高度，能够对较低的高空气象数据进行收集，同时，还能够通过排出气囊101内的填充气体来回收探空气球及探空仪器。相比较现有技术，本发明实施例一提供的探空气球通过设置重料囊102、无线通讯模块105及控制器107，来实现对探空气球及其携带的探空仪器的探测高度的远程控制与实时调节，调节效果好，实用性强，同时还能方便快捷地回收探空气球及其携带的探空仪器，使其能够重复利用，从而节约成本。

优选地，本发明实施例一提供的探空气球还包括基座108，基座108设置在气囊101内，重料囊102位于气囊101内并设置在基座108下方，无线通讯模块105、高度传感器106以及控制器107均设置在基座108上。

其中，基座108设置在气囊101内并与气囊101连接，连接方式可为粘接或通过绳索连接。本实施例一中，基座108可为由塑料或木料等轻质材料制成的板状结构，置于气囊101内并将气囊101分为上下两个部分，重料囊102位于气囊101内并且设置在基座108的下方，如此设置的目的是方便重料囊102向下排出重料。

其中，无线通讯模块105、高度传感器106以及控制器107均设置在基座108上，使得上述装置能够在稳固地固定在基座108上，避免了在探测过程中受到风吹等因素影响，导致上述装置掉落或装置之间的连接断开，影响对高空气象的探测。此外，基座108上可开设多个通孔，便于气囊101内各个部位的气压平衡。

值得一提的是，本发明实施例一提供的探空气球还包括位置传感器109，位置传感器109设置在气囊101内，位置传感器109与控制器107信号连接。位置传感器109是指能够测量自身或其他被测物的位置并转换成可输出信号的传感器。本发明实施例一中，位置传感器109与控制器107信号连接并能够将测量到的自身的位置转换成位置信号传输给控制器107，再通过控制器107作出命令将位置信号通过无线信号通讯模块发射到地面控制装置以便于操作人员能够及时掌握探空气球的所在位置，在对高空大气探测结束后，能够更加准确地了解到探空气球的降落地点，方便回收再利用。

进一步地，本发明实施例一提供的探空气球还包括温度传感器110以及加热装置111，温度传感器110以及加热装置111均设置在气囊101内且均与控制器107信号连接。温度传感器110是能够测量周围环境温度并转换成可输出信号的传感器。在本发明实施例一提供的探空气球中，可利用与温度传感器110信号连接的控制器107预先设定好温度区间，当温度传感器110测量的温度小于温度区间内的最小温度时，温度传感器110将该温度信号传输至控制器107，控制器107控制加热装置111工作，使得气囊101内的温度提高。加热装置111持续加热，探空气球内温度升高，当温度传感器110测量的温度等于该温度区间内的最高温度时，温度传感器110将该温度信号传输至控制器107，控制器107控制加热装置111停止工作。

为了解决探空气球上升过程中周围环境气压逐渐减小从而导致气囊101内压力增大的问题，本发明实施例一提供的探空气球还包括气压传感器112，气压传感器112设置在气囊101内并与控制器107信号连接。气压传感器112是能够测量周围空气压力并转换成可输出信号的传感器。在本实施例一中，气压传感器112用于测量气囊101内的气压进行实时测量，气压传感器112与控制器107信号连接，并能够将实时测量的气压数据通过转换成可输出信号传输至控制器107，控制器107将该信号通过无线通讯模块105传输至地面控制装置，方便地面操作人员实时掌握探空气球内的气囊101内气压状况，进而便于对气囊101内的气压进行调整。当气囊101内气压升高，接近气囊101所能承受的压力值时，地面操作人员能够向无线通讯模块105发射调压信号，再由无线通讯模块105将该信号传输给控制器107，控制器107控制排气阀103排出气囊101内的填充气体。还可利用与气压传感器112信号连接的控制器107预先设定可承受最大压力值，当气压传感器112测量的气囊101内气压大于可承受最大压力时，温度传感器110将该气压信号传输至控制器107，控制器107控制排气阀103排出气囊101内的填充气体，降低气囊101内的气压，以保障探空气球的安全。在其他实施方式中，气压传感器112还可以设置在重料囊102中以实时测量重料囊102内压力。

为了方便向气囊101内充入填充气体和向重料囊102内填入填充重料，本发明实施例一提供的探空气球还包括充气阀113以及进料阀114，充气阀113与气囊101连通，进料阀114与重料囊102连通。其中，充气阀113与气囊101连通，在需要向气囊101充入填充气体时，将充气阀113打开，操作人员可将填充气体充入气囊101中，将气囊101填充完毕后，关闭充气阀113即可。充气阀113上还可连接有充气管，以方便将填充气体充入气囊101。进料阀114与重料囊102连通，在需要向重料囊102填入填充重料时，将进料阀114打开，操作人员可将填充重料填入重料囊102中，将重料囊102填充完毕后，关闭进料阀114即可。进料阀114上还可连接有进料管，以方便将填充重料充入重料囊102。此外，充气阀113和进料阀114均可由具有止回功能的其他装置代替。本实施例一通过在气囊101上加装充气阀113以及在重料囊102上加装进料阀114，能够达到简单便捷地对气囊101充入填充气体，对重料囊102填入填充重料的目的。

进一步地，本发明实施例一提供的探空气球还包括柔性太阳能电池板115以及充电电池116，柔性太阳能电池板115设置在气囊101外表面并与充电电池116电连接，充电电池116设置在气囊101内并与控制器107电连接。

其中，柔性太阳能电池板115是一种可弯曲折叠的太阳能电池板，能够弯曲成曲面状或任何不规则形状。在本发明实施例一中，将柔性太阳能电池板115铺设在本实施例一提供的探空气球的气囊101外表面，以便太阳光能够直接照射在柔性太阳能电池板115上，充分利用丰富的太阳能并将其转化成电能。此外，本发明实施例一提供的探空气球还包括充电电池116，充电电池116能够贮存电能也可为用电装置供电。柔性太阳能电池板115与充电电池116电连接并将利用太阳能转化的电能为充电电池116充电，充电电池116与控制器107连接并为控制器107提供电力。需要说明的是，由于本发明实施例一提供的探空气球装设有柔性太阳能电池板115，能够在光照充足的条件下为探空气球供电，满足了探空气球在探空过程中的电力需求，故在本发明实施例一中，可采用蓄电量较低的充电电池116作为备用能源，在光照不足的条件下为探空气球供电，在光照充足时再通过与其连接的柔性太阳能组件115为其充电。本发明实施例一所采用的充电电池116蓄电量相对较低，故其体积较小重量较低，相对普通探空设备装设的体积大且笨重的电池不仅节省占用空间，而且降低了探空气球的整体重量，更便于探空气球升空。如本发明实施例一中的充气阀113、排气阀103、进料阀114、排料阀104、无线通讯模块105、高度传感器106、温度传感器110以及气压传感器112均无独立供电设备为其供电，也可将充电电池116分别与上述装置电连接并提供电力。在本发明实施例一中，将充电电池116设置在气囊101内，具体地，充电电池116可设置在气囊101内的基座108上，以避免直接将其暴露在外时，充电电池116受到雨雪影响造成短路或漏电，从而影响充电电池116性能的情况发生。

需要说明的是，重料囊102内填充有不冻液117。不冻液117具有较低的凝固点，常温下呈液态，在高空等环境温度较低的条件下也能保持液态。重料囊102填充不冻液117，能够避免本发明实施例一提供的探空气球在上升到较高的高度后由于周围温度较低而使得重料囊102内填充的液体凝结成为固体，从而导致排料困难的情况发生。同时，排出的不冻液117也不会污染环境。在其他实施方式中，不冻液117可由酒精、浓盐水等具有较低的凝固点并且在常温条件下同样呈液态的物质代替，此外，还可使用颗粒较小的固体代替，如细砂。

值得一提的是，气囊101内填充有氦气118。氦气118的密度低于地表附近空气的密度，本发明实施例一提供的探空气球的气囊101内填充有氦气118，能够为探空气球提供浮力，帮助探孔气球顺利升空。此外，氦气118的化学性质极不活泼，不易于其他物质发生反应，使用氦气118填充在气囊101内十分安全。

实施例2

本实施例二提供的高空气象探测系统，包括地面控制装置以及上述实施例所述的探空气球，探空气球与地面控制装置信号连接。

本发明实施例二提供的高空气象探测系统，包括有探空气球以及用于操控探空气球的地面控制装置，探空气球与地面控制装置信号连接。具体地，探空气球内设有高度传感器106、控制器107以及无线通讯模块105，将探空气球以及探空仪器等得位置数据信号发送至与之连接的控制器107，控制器107再将该信号传输至无线通讯模块105并通过无线通讯模块105发射至地面控制装置，地面控制装置发出指令信号，探空气球的无线通讯模块105接收到该指令信号，传输至控制器107，再由控制器107控制排气阀103或是排料阀104的开合调整探空气球以及探空仪器所处的高度。本发明实施例二提供的高空气象探测系统通过探空气球以及与之信号连接的地面控制装置，来实现对探空气球及其携带的探空仪器的探测高度的远程控制与实时调节，实用性强，效率高，调节效果好，同时还能方便快捷地回收探空气球及其携带的探空仪器，使其能够重复利用，从而节约成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。