【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院(空天院)研究員祁志美團隊聯(lián)合蔡榕領(lǐng)導的浮空器團隊，利用自主研發(fā)的聲學法布里-珀羅諧振式溫度傳感器，實現(xiàn)在最高海拔5200米條件下，大氣溫度隨海拔變化的實時測量。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于氣象預報、氣候變化研究以及大氣動力學分析至關(guān)重要。準確監(jiān)測高空氣溫不僅能提高天氣預報的精準度，還能輔助評估極端天氣的形成機制。傳統(tǒng)的電子溫度計不僅易受太陽輻照影響，而且因高海拔空氣稀薄，需要較長時間與環(huán)境建立熱平衡，從而導致實時性較差；紅外測溫儀雖然無需接觸即可測溫，但不適合直接測量氣體溫度。與此相比，聲學測溫技術(shù)可直接探測大氣溫度，具有高精度、寬量程、抗干擾、極端環(huán)境適應性強等優(yōu)點。現(xiàn)有的聲學測溫方法需要使用分離的揚聲器與麥克風，兩者距離需精確控制，增加了維護成本，降低了泛用性。
 

　　為應對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出一種無源聲學測溫方法。該方法通過聲波導與麥克風組合構(gòu)建聲學法布里-珀羅諧振器，利用環(huán)境白噪聲激勵諧振器的各階諧振模態(tài)，通過測量不同模態(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)境得到充分驗證，測量過程無需已知聲源，是一種低功耗、非接觸式、無源聲學快速測溫技術(shù)。
 

　　研究團隊在喀什和橫店兩地多次開展浮空器搭載的空中聲學氣溫測量試驗。他們將聲學法布里-珀羅諧振式溫度傳感器掛載于浮空器載荷倉外，在升降和駐留過程中，通過快速探測不同海拔的環(huán)境白噪聲，確定聲學諧振頻率與諧振模態(tài)階數(shù)的線性曲線斜率，進而求得不同海拔的大氣溫度。
 

　　測試結(jié)果顯示傳感器能夠準確測量隨高度變化的溫度分布，與電子溫度計測量結(jié)果的差異不超過0.5 ℃。在不同海拔、不同氣候條件下進行的多次高空測溫比對試驗驗證了無源聲學測溫傳感器的穩(wěn)定性和環(huán)境適應性。整個設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，功耗低(包括無線數(shù)據(jù)傳輸 < 2.5W)，非常適合作為無人飛行器的探測載荷，用于大氣科學研究、環(huán)境監(jiān)測、高空及臨近空間探測等領(lǐng)域，為精細化氣象監(jiān)測和高空氣象數(shù)據(jù)獲取提供新的技術(shù)手段。這種無源聲學測溫技術(shù)還可以與聲源定位、聲學測風等技術(shù)組合，構(gòu)建多參數(shù)高空聲學監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
 

　　該項研究工作由空天院九室和十部團隊聯(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。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目資助。
 

圖1 聲學法布里-珀羅諧振式溫度傳感器的實測數(shù)據(jù)及其處理流程
 

圖2 系留氣球升降過程中由聲學法布里-珀羅諧振式溫度傳感器測得的氣溫變化曲線
 

　　(a: 2023年8月18日喀什，b：2023年8月19日喀什，c：2024年6月28號橫店)