用于南極天文選址的移動(dòng)式大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

吳曉慶

(中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

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用于南極天文選址的移動(dòng)式大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

吳曉慶

(中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

選擇最好的天文臺(tái)址放置大口徑望遠(yuǎn)鏡一直是天文學(xué)家追求的目標(biāo).我國(guó)在南極的天文項(xiàng)目近幾年得到了快速發(fā)展，對(duì)南極區(qū)域的光學(xué)湍流時(shí)空分布進(jìn)行測(cè)量和分析，是一項(xiàng)亟待開(kāi)展的基礎(chǔ)性天文工作.本文主要介紹研制的移動(dòng)式大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，用于南極天文選址，得到了在泰山站近地面常規(guī)氣象參數(shù)和大氣湍流的初步測(cè)量結(jié)果.

天文選址；光學(xué)湍流；移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)

引 言

1 理論背景

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(2)

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超聲風(fēng)速計(jì)是利用多普勒效應(yīng)以及聲速是溫度和濕度的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量三個(gè)非正交軸上一定距離的超聲波脈沖傳輸時(shí)間，通過(guò)坐標(biāo)變換，得到風(fēng)速的三個(gè)分量以及超聲氣溫.超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)得超聲氣溫Ts與氣溫T有如下關(guān)系[8]:

(4)

(5)

t1、t2為兩束超聲波脈沖反向通過(guò)聲程為d時(shí)的傳輸時(shí)間，Vn是與聲程d垂直的水平風(fēng)速大小.q為比濕.在干燥的情況下, 超聲氣溫Ts與氣溫T相差很小.

(6)

式中τ是時(shí)間間隔.通常取空間長(zhǎng)度為1m，τ的大小由實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速V確定.

2 移動(dòng)式大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 安裝在泰山站移動(dòng)式大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

針對(duì)南極低溫環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成時(shí)采取如下措施：

采用低溫型數(shù)據(jù)采集器和485傳輸模塊，低溫型500米長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸線和低溫型電纜.采用工業(yè)級(jí)直流穩(wěn)壓電源，并配有保溫防護(hù)箱.

重新對(duì)溫度脈動(dòng)儀電路排版，關(guān)鍵元件采用工業(yè)級(jí)元器件，并采用防護(hù)性能更好的儀器盒.

所有傳感器與采集器、采集器與傳感器的供電、以及數(shù)據(jù)傳輸線等都采用高級(jí)航空插頭插座方式連接.

裝有LoggerNet應(yīng)用軟件的室內(nèi)計(jì)算機(jī)通過(guò)485模塊與外部設(shè)備數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)下載以及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè).

針對(duì)現(xiàn)有溫度脈動(dòng)儀測(cè)量近地面光學(xué)湍流強(qiáng)度易受環(huán)境影響限制，超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的超聲虛溫?zé)o法直接得到光學(xué)湍流強(qiáng)度，我們提出一種超聲風(fēng)速計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)湍流強(qiáng)度的新方法，采用高精度超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的聲虛溫，通過(guò)對(duì)聲虛溫修正得到氣溫，在泰勒假定下，將空間一點(diǎn)測(cè)量的氣溫時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成空間兩點(diǎn)通過(guò)溫差，實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)湍流，為全天侯、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地獲取光學(xué)湍流強(qiáng)度提供了保證.

3 初步測(cè)量結(jié)果

本文分析的數(shù)據(jù)是2013年12月30日系統(tǒng)安裝完成開(kāi)始觀測(cè)至2014年2月10日科考人員返回帶回的部分?jǐn)?shù)據(jù)[10].

圖2 實(shí)驗(yàn)期間超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量與溫度脈動(dòng)儀比較

圖3 實(shí)驗(yàn)期間超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量頻數(shù)分布與溫度脈動(dòng)儀比較

4 結(jié)論

致謝：特別感謝中國(guó)極地中心的大力支持，以及中國(guó)南極第30次科考隊(duì)員金鑫淼在測(cè)量系統(tǒng)安裝維護(hù)中發(fā)揮的重要作用.

[1] 侯金良.天文選址的主要參數(shù)及測(cè)量方法.天文學(xué)進(jìn)展，1994,12(2)：127-132.

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[3] MICHEL R, ECHEVARRIA J， COSTERO R, HARRIS O. The seeing at san pedro martir observatory as measured using the DIMM method[J]. Rev Mex Astron Astrofis， 2003,19:37-40.

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[6] 吳曉慶，錢(qián)仙妹，黃宏華，汪平，崔朝龍，青春.麗江高美古視寧度等暈角相干時(shí)間的探空測(cè)量[J].天文學(xué)報(bào),2014，55(2):144-153.

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[10] 吳曉慶，田啟國(guó)，姜鵬，等.超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量南極泰山站近地面光學(xué)湍流的新方法.極地研究，2014 (待發(fā)表).

AMobileAtmosphericParameterMeasuringSystemforAntarcticAstronomySiteTesting

WU Xiao-qing

(Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China)

Astronomers have always sought the best locations for their large aperture telescopes. Chinese Antarctic astronomy began to flourish in recent years, for the measurement and analysis of optical turbulence temporal and spatial distribution in Antarctic region,as well as beginning a site testing programme to assess the quality of the plateau for astronomy, is an urgent need to carry out the basic astronomical work. This paper introduces a mobile atmospheric parameter measuring system for Antarctic astronomy site testing, and preliminary measurement results of atmospheric turbulence in surface layer at Antarctic Taishan Station.

astronomical site testing; optical turbulence; mobile measuring system

2014-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275020)資助.

吳曉慶(1963-)，男，安徽宣城人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師.主要從事大氣邊界層、大氣湍流測(cè)量與模式研究.

吳曉慶.用于南極天文選址的移動(dòng)式大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，37(6)：511-514.

T425.2+2

：A

：1001-2443(2014)06-0511-04