近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院(空天院)研究員祁志美團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蔡榕領(lǐng)導(dǎo)的浮空器團(tuán)隊(duì)，利用自主研發(fā)的聲學(xué)法布里-珀羅諧振式溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)在最高海拔5200米條件下，大氣溫度隨海拔變化的實(shí)時(shí)測(cè)量。相關(guān)研究成果于2025年2月以“Passive acoustic measurements of air temperature at various altitudes”為題發(fā)表在聲學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《The Journal of the Acoustical Society of America》第157卷第2期，并被選為封面文章。
高空大氣溫度的變化對(duì)于氣象預(yù)報(bào)、氣候變化研究以及大氣動(dòng)力學(xué)分析至關(guān)重要。準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高空氣溫不僅能提高天氣預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度，還能輔助評(píng)估極端天氣的形成機(jī)制。傳統(tǒng)的電子溫度計(jì)不僅易受太陽(yáng)輻照影響，而且因高海拔空氣稀薄，需要較長(zhǎng)時(shí)間與環(huán)境建立熱平衡，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差；紅外測(cè)溫儀雖然無(wú)需接觸即可測(cè)溫，但不適合直接測(cè)量氣體溫度。與此相比，聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)可直接探測(cè)大氣溫度，具有高精度、寬量程、抗干擾、極端環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的聲學(xué)測(cè)溫方法需要使用分離的揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)，兩者距離需精確控制，增加了維護(hù)成本，降低了泛用性。
為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出一種無(wú)源聲學(xué)測(cè)溫方法。該方法通過(guò)聲波導(dǎo)與麥克風(fēng)組合構(gòu)建聲學(xué)法布里-珀羅諧振器，利用環(huán)境白噪聲激勵(lì)諧振器的各階諧振模態(tài)，通過(guò)測(cè)量不同模態(tài)的諧振頻率，以此反演氣體溫度。該技術(shù)已經(jīng)在室內(nèi)環(huán)境得到充分驗(yàn)證，測(cè)量過(guò)程無(wú)需已知聲源，是一種低功耗、非接觸式、無(wú)源聲學(xué)快速測(cè)溫技術(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)在喀什和橫店兩地多次開(kāi)展浮空器搭載的空中聲學(xué)氣溫測(cè)量試驗(yàn)。他們將聲學(xué)法布里-珀羅諧振式溫度傳感器掛載于浮空器載荷倉(cāng)外，在升降和駐留過(guò)程中，通過(guò)快速探測(cè)不同海拔的環(huán)境白噪聲，確定聲學(xué)諧振頻率與諧振模態(tài)階數(shù)的線性曲線斜率，進(jìn)而求得不同海拔的大氣溫度。
測(cè)試結(jié)果顯示傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量隨高度變化的溫度分布，與電子溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果的差異不超過(guò)0.5 ℃。在不同海拔、不同氣候條件下進(jìn)行的多次高空測(cè)溫比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)源聲學(xué)測(cè)溫傳感器的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，功耗低(包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 < 2.5W)，非常適合作為無(wú)人飛行器的探測(cè)載荷，用于大氣科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、高空及臨近空間探測(cè)等領(lǐng)域，為精細(xì)化氣象監(jiān)測(cè)和高空氣象數(shù)據(jù)獲取提供新的技術(shù)手段。這種無(wú)源聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)還可以與聲源定位、聲學(xué)測(cè)風(fēng)等技術(shù)組合，構(gòu)建多參數(shù)高空聲學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
該項(xiàng)研究工作由空天院九室和十部團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成，空天院博士生岳研為第一作者，祁志美為通訊作者，喬濤、王軍波、蔡榕等為共作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目資助。
圖1 聲學(xué)法布里-珀羅諧振式溫度傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其處理流程
圖2 系留氣球升降過(guò)程中由聲學(xué)法布里-珀羅諧振式溫度傳感器測(cè)得的氣溫變化曲線
(a: 2023年8月18日喀什，b：2023年8月19日喀什，c：2024年6月28號(hào)橫店)
