董天天，郝 曼，丁 晟，梅筱語，黃 乙，肖錢宇

(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子學(xué)院，江蘇 無錫 214153；2.無錫學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 無錫 214105；3.常州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

隨著現(xiàn)代艦船的迅速發(fā)展，艦船氣象監(jiān)測(cè)日益成為一個(gè)關(guān)鍵的領(lǐng)域[1－2]。氣象數(shù)據(jù)的收集對(duì)于艦船的安全[3]和操作至關(guān)重要。海洋氣象探測(cè)技術(shù)手段包括艦船自動(dòng)氣象站[4]、海島自動(dòng)氣象站[5]和海上浮標(biāo)氣象站等[6－7]，這些探測(cè)技術(shù)主要依靠安裝在諸如艦船、島嶼和浮標(biāo)等平臺(tái)設(shè)施上的各種自動(dòng)氣象站進(jìn)行各種氣象探測(cè)。對(duì)于艦船觀測(cè)平臺(tái)來說[8]，船舶頂甲板比較狹小并且需裝配各種設(shè)備，而傳統(tǒng)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備往往龐大且不易移動(dòng)，這限制了在船上進(jìn)行實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)。因此，設(shè)計(jì)一種微型化氣象站成為一個(gè)有意義的研究方向[9]。

其中，風(fēng)速風(fēng)向傳感器在艦船上測(cè)風(fēng)有嚴(yán)格要求[10－12]，為了保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨雪的影響，需考慮傳感器的材質(zhì)和使用壽命，而傳統(tǒng)三杯式風(fēng)速風(fēng)向儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了海上測(cè)量誤差不可避免[13－15]，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致傳感器磨損，影響儀器性能，并且容易受惡劣環(huán)境的影響。然而，超聲波的特性使其在船上進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[16]，因?yàn)槠淇梢源┩杆F和降雨，并且可以在艱難的環(huán)境中工作[17－18]。

為了滿足海上復(fù)雜環(huán)境下氣象探測(cè)的需求，特別是對(duì)海上風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量，迫切需要開發(fā)具有高穩(wěn)定性、微型化、輕量化和高可靠性的新一代自動(dòng)氣象站和氣象傳感器。針對(duì)海洋氣象探測(cè)中的一些問題，本文介紹了一款新一代自動(dòng)氣象站和氣象傳感器，通過一體化設(shè)計(jì)、數(shù)字化傳感器、超聲波原理測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向等技術(shù)手段，解決了傳統(tǒng)自動(dòng)氣象站體積大、架設(shè)復(fù)雜、穩(wěn)定性和可靠性差等問題。該款自動(dòng)氣象站可實(shí)現(xiàn)對(duì)六種氣象參數(shù)的測(cè)量，并可通過上位機(jī)顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，該氣象站采用抗干擾濾波措施，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過使用基于超聲波的微型化氣象站，船員可以更好地了解航行路線的天氣條件，從而提高船舶的安全性和效率，適用于海上環(huán)境的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。

1 艦載氣象系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)系統(tǒng)主要包括電源電路、氣象傳感器電路、主控制單元、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)測(cè)試與試驗(yàn)分析，各部分之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線圖

其中，氣象傳感器電路包括風(fēng)速風(fēng)向傳感器電路、雨量傳感器電路、溫濕壓采集電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)六要素?cái)?shù)據(jù)的采集，將溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，并以數(shù)字的形式傳到主控制單元，輸出的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為RS232/RS485 信號(hào)，再經(jīng)過通訊線纜傳到上位機(jī)終端；通訊線纜是氣象傳感器和計(jì)算機(jī)終端間信息傳送的物理介質(zhì)，連接計(jì)算機(jī)端接口采用USB 接口，數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)后實(shí)時(shí)顯示和保存。最后對(duì)艦載自動(dòng)站進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并結(jié)合對(duì)比自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源電路為自動(dòng)氣象站系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，電壓的穩(wěn)定是自動(dòng)氣象站系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的重要前提。系統(tǒng)各模塊所需供電電壓情況如表1所示。

表1 主要模塊實(shí)際供電電壓 單位:V

從表1 可知，本設(shè)計(jì)涉及多路不同電壓值的電源，溫濕度傳感器SHT75、壓力傳感器MS5540C、STM32F103 均支持3.3 V 電壓，而超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器支持12 V 電壓，系統(tǒng)采用12V～36V 寬電源電壓輸入，因此需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V、5 V和12 V。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)選用LM317 穩(wěn)壓器進(jìn)行兩級(jí)降壓，第一級(jí)采用LM317 穩(wěn)壓器將電壓從12 V 降至5 V，然后再使用LM317 穩(wěn)壓器將電壓從5 V 降至3.3 V，為控制器及各傳感器電路模塊提供3.3 V 的電壓，保證各模塊穩(wěn)定工作，如圖4、圖5 所示。

圖4 5 V 電源設(shè)計(jì)方案

圖5 3.3 V 電源設(shè)計(jì)電路圖

2.2 傳感器電路

2.2.1 壓電式雨量傳感器

雨量傳感器采用壓電轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)，當(dāng)雨滴落到受力表面上時(shí)，壓電傳感器會(huì)產(chǎn)生壓力，在力的作用下，沿著表面形成與該力成比例的電荷信號(hào)，通過采集的電壓信號(hào)大小來計(jì)算傳感器的受力大小，然后計(jì)算出雨滴撞擊時(shí)具有的動(dòng)量大小，就可以計(jì)算出當(dāng)前雨量，降雨強(qiáng)度等參數(shù)。

雨量傳感器包括鋼蓋、壓電傳感器、電荷放大器。電荷放大器電路包括電荷－電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、歸一化電路、低通濾波電路。電荷－電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由第一運(yùn)算放大器和電阻、電容并聯(lián)的反饋網(wǎng)絡(luò)組成，電容負(fù)反饋對(duì)于直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，零漂很大，所以在電容兩端并聯(lián)反饋電阻，形成直流負(fù)反饋，減小零漂。

歸一化電路由第二運(yùn)算放大器和放大器反相端與輸出端連接的可變電阻器組成，調(diào)節(jié)可變電阻可使不同壓電傳感器輸出的電壓大小相同。電荷轉(zhuǎn)換電路中放大倍數(shù)的增大，不僅放大有用信號(hào)，也放大干擾信號(hào)，原始信號(hào)經(jīng)過傳輸、放大和變換后，會(huì)混入各種形式的噪聲，影響測(cè)量精度，低通濾波電路可補(bǔ)償壓電傳感器引起的高頻幅頻特性，該電路由兩個(gè)電阻、兩個(gè)電容構(gòu)成兩階RC 網(wǎng)絡(luò)和第三運(yùn)算放大器組成。經(jīng)過電荷放大器把電荷信號(hào)處理后形成的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 電路設(shè)計(jì)流程

濾波處理后的模擬信號(hào)經(jīng)過AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字采集，與處理器STM32 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器和第三運(yùn)算放大器由一片TL082 芯片運(yùn)算放大器構(gòu)成。這種測(cè)量方法比翻斗式、虹吸式等方法具有更高的精度、小體積、測(cè)量自動(dòng)化、免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用SHT75 數(shù)字溫濕度傳感器采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，傳感器在極其精確的濕度腔室內(nèi)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以編程方式存在OTP 存儲(chǔ)器中，用于內(nèi)部信號(hào)校準(zhǔn)。兩線串行接口和內(nèi)部電壓調(diào)整使外圍系統(tǒng)集成變得快速和簡(jiǎn)單，從而使傳感器在各種苛刻的應(yīng)用中便捷集成，并確保最佳性能。SHT75引腳接線與SHT71 相同，如圖7 所示。

圖7 SHT75 接線連接圖

SHT75 與處理器的連接，是通過STM32 的兩個(gè)I/O 口與傳感器SHT75 的SCK 引腳和DATA 引腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。為避免信號(hào)沖突，微處理器驅(qū)動(dòng)DATA 在低電平，所以DATA 引腳上加上一個(gè)10 kΩ 的上拉電阻接至3.3V 電壓，將信號(hào)提拉至高電平，電源引腳(VDD、GND)之間加一個(gè)0.1 μF 的電容進(jìn)行濾波。該傳感器使用的2 線制通信，通信時(shí)序基本符合I2C 的通信時(shí)序，但與I2C 通信方式的通信協(xié)議不同。電路設(shè)計(jì)和PCB 布線如圖8所示。

圖8 SHT75 外圍電路圖

2.2.3 氣壓傳感器

氣壓測(cè)量采MS5540C 傳感器，首先把壓力傳感器輸出的未補(bǔ)償?shù)哪M電壓值轉(zhuǎn)換成16 位數(shù)字值，包括氣壓測(cè)量值和溫度測(cè)量值共兩個(gè)16 位的數(shù)字值，通過接口電路把16 位數(shù)字值輸出，然后處理器STM32 進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，最終得出精確的結(jié)果。該傳感器具有低電壓，低功耗等特性，且?guī)ё詣?dòng)斷電開關(guān)，具有極高的密封防護(hù)能力，可抵抗100 m 深水壓，適合海上使用。

氣壓傳感器MS5540C 供電電壓為2.2 V～3.6 V，與微處理器STM32 采用SPI 方式通信，由于MS5540C 需要32.768 kHz 的時(shí)鐘作為單獨(dú)的時(shí)鐘輸入，而STM32 提供的時(shí)鐘在寬范圍溫度下不能保證穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)了32.768 kHz 的有源晶振SG3030為其提供輸入源，電路設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 MS5540C 電路圖

2.2.4 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用微處理器STM32F103RCT6 和中心頻率為200 kHz、探頭間距為15 cm 的超聲波換能器設(shè)計(jì)，控制器STM32 產(chǎn)生10 個(gè)200 kHz 的方波脈沖，經(jīng)過Boost 升壓電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射端發(fā)送信號(hào)。為了確保同一時(shí)刻只有一對(duì)超聲波探頭工作，STM32 定時(shí)器定時(shí)產(chǎn)生信號(hào)，循環(huán)驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)控制換能器工作。波形發(fā)出后開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，相應(yīng)的接收端會(huì)接收到200 kHz的正弦波，對(duì)波形進(jìn)行放大處理，通過濾波器濾除噪聲和干擾，經(jīng)過峰值檢測(cè)模塊得到檢波信號(hào)，最后處理器測(cè)出時(shí)間，得出風(fēng)速和風(fēng)向值，硬件結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量算法

與傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀相比，超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，具有響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，它避免了傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀的機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命和測(cè)量精度，降低了設(shè)備的維護(hù)成本，并且儀器具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，滿足海上氣象探測(cè)的要求。

3.1 時(shí)差測(cè)量法

風(fēng)速、風(fēng)向采用超聲波時(shí)差法測(cè)量，當(dāng)超聲波在空中傳播時(shí)，逆風(fēng)和順風(fēng)傳播之間存在速度差，當(dāng)傳播距離一定時(shí)，速度差反映為時(shí)間差，其與測(cè)量的風(fēng)速具有線性關(guān)系。對(duì)于接收和發(fā)射一體的超聲波傳感器，以一個(gè)特定的方向放置，并以固定頻率發(fā)射超聲波，通過測(cè)量超聲波在兩個(gè)方向上的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)下的傳播速度，經(jīng)過計(jì)算便可得到風(fēng)速值，采用兩組正交的探頭分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)相應(yīng)的風(fēng)速分量，合成后即可得到風(fēng)速。如圖11 所示。

圖11 超聲波測(cè)量風(fēng)速原理

當(dāng)超聲波傳播方向與風(fēng)向一致時(shí)，其傳播速度會(huì)更快，反之亦然，會(huì)降低超聲波的傳播速度。如圖11 所示，設(shè)超聲波探頭1 與探頭2 之間的間距為L(zhǎng)，順風(fēng)和逆風(fēng)時(shí)超聲波傳播時(shí)間分別為t12和t21，風(fēng)速為v，無風(fēng)時(shí)超聲波傳播速度為c，則:

由式(1)和式(2)可以得到:

從式(3)可看出風(fēng)速v與c無關(guān)，避免了環(huán)境因素對(duì)風(fēng)速測(cè)量的影響。

風(fēng)向采用垂直放置的方法進(jìn)行測(cè)量，兩對(duì)接收發(fā)送一體的超聲波換能器彼此垂直放置，兩者相對(duì)呈180°且每對(duì)超聲波探頭之間的距離相同，安裝在同一水平面上，如圖12 所示，設(shè)兩對(duì)超聲波探頭距離均為L(zhǎng)，X軸向的傳輸時(shí)間分別為t12和t21，Y軸向的傳輸時(shí)間分別為t34和t43，風(fēng)速為v，X軸向的風(fēng)速為vx，Y軸向的風(fēng)速為vy，超聲波傳播速度為c。根據(jù)式(3)可得:

圖12 垂直放置方法檢測(cè)原理

X軸方向的風(fēng)速:

Y軸方向的風(fēng)速:

風(fēng)速:

將X軸正方向設(shè)置為0°，按逆時(shí)針方向角度增加，則風(fēng)向:

化簡(jiǎn)，求反函數(shù):

隨著風(fēng)向的變化，某時(shí)刻的風(fēng)向?yàn)?

3.2 真風(fēng)計(jì)算方法

艦船在行駛中，方向和位置會(huì)不斷改變，這對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量產(chǎn)生影響。因此，在艦船航行氣象測(cè)量時(shí)，方向和位置的改變需要電子羅盤和GPS 傳感器對(duì)測(cè)量的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得出真風(fēng)數(shù)據(jù)，計(jì)算過程如圖13 所示。

圖13 真風(fēng)計(jì)算過程

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器測(cè)量風(fēng)向值及風(fēng)速值，電子羅盤測(cè)量艦船行使方向與正北方向的夾角，通過計(jì)算得出真實(shí)風(fēng)向。GPS 測(cè)量艦船的航行速度，由于風(fēng)速為矢量，對(duì)艦船速度和超聲波傳感器測(cè)得風(fēng)速進(jìn)行分解及疊加，通過計(jì)算可以得出真實(shí)的風(fēng)速。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括氣象六要素傳感器的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)氣象六要素的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)。上位機(jī)軟件主要功能包括顯示和保存氣象六要素?cái)?shù)據(jù)，有效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)。

4.1 自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向氣象六要素的數(shù)據(jù)采集、處理、通信和顯示。應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的通信方式上傳到微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232 或RS485 發(fā)送到上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)的功能。程序設(shè)計(jì)流程如圖14 所示。

圖14 程序設(shè)計(jì)流程圖

首先主控制器進(jìn)行自檢，喂看門狗，然后進(jìn)入主函數(shù)完成各個(gè)模塊的初始化設(shè)置；初始化完成后，進(jìn)入主循環(huán)，開始啟動(dòng)各個(gè)模塊的采集程序，此時(shí)通過I/O 口發(fā)送一個(gè)下降沿到控制超聲波傳感器的從控制器，超聲波傳感器啟動(dòng)；溫濕壓模塊以及雨量模塊開始采集氣象數(shù)據(jù)并上傳相應(yīng)的采集值，如果采集值有誤則程序跳轉(zhuǎn)到主循環(huán)開始，重新采集，采集完成后進(jìn)入等待，等待超聲波數(shù)據(jù)上傳，超聲波數(shù)據(jù)全部上傳完成，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行打包，通過串口通信發(fā)送給到上位機(jī)軟件。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該上位機(jī)系統(tǒng)的主要功能是接收自動(dòng)氣象站下位機(jī)采集的六要素氣象數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并保存，供用戶查詢和監(jiān)測(cè)。上位機(jī)包括登錄界面和數(shù)據(jù)顯示界面，用戶通過登錄界面進(jìn)入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)接收顯示界面包括通信端口的初始化、儀器名稱的選擇、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存等模塊。

上位機(jī)通過無線數(shù)傳模塊與氣象要素探測(cè)系統(tǒng)通信，方便氣象要素的數(shù)據(jù)傳輸。界面內(nèi)容包括串口參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、時(shí)間信息、歷史數(shù)據(jù)查詢及各功能按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的接收及顯示等功能。數(shù)據(jù)在界面上實(shí)時(shí)顯示，在傳感器數(shù)據(jù)接口實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)信息，并通過曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，超過設(shè)定值預(yù)警指示燈提醒。數(shù)據(jù)采集界面如圖15 所示。

圖15 上位機(jī)界面

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本文設(shè)計(jì)將壓電陶瓷傳感器安裝在鋼蓋中央，依次安裝雨量傳感器和超聲波傳感器四個(gè)探頭，傳感器安裝如圖16 所示。

圖16 傳感器安裝示意圖

雨量傳感器安裝在最上面，超聲波傳感器在雨量傳感器的下面，溫濕壓傳感器在超聲波傳感器下面的百葉內(nèi)，外殼組裝時(shí)，上下殼之間加一層防水圈，防止海水進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部對(duì)設(shè)備帶來的影響。最后固定百葉片。整機(jī)安裝如圖17 所示。

圖17 整機(jī)安裝實(shí)物圖

5.1 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸無異常，顯示正常無亂碼，間隔為1 次/10 s；讀溫濕度值正常，敲擊鋼蓋有雨量值顯示，顯示值與敲擊次數(shù)同比例上升，讀取氣壓值正常，風(fēng)速風(fēng)向值顯示正常，擾動(dòng)后顯示值改變。

其中，以地址為“01”為例，發(fā)送16 進(jìn)制命令“21 3F 0D 0A”，返回值格式為16 進(jìn)制“01 0D 0A”，再發(fā)送16 進(jìn)制命令“21 01 52 30 0D 0A”，返回值格式為字符串“R0，S ＝0.6，D ＝192.8，P ＝1 008.2，T ＝23.6，H＝79.4，R＝33.7”，以TXT 文件保存的數(shù)據(jù)如圖18 所示。

圖18 采集數(shù)據(jù)返回值

5.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析試驗(yàn)

為了確保自動(dòng)氣象站在海上長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性，按照氣象觀測(cè)規(guī)范的要求，通過試驗(yàn)樣機(jī)與其他氣象站進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

試驗(yàn)設(shè)備包括一套自動(dòng)氣象站樣機(jī)、一套維薩拉自動(dòng)氣象站、一套長(zhǎng)望自動(dòng)氣象站、一臺(tái)電腦、三套數(shù)據(jù)采集軟件和一個(gè)220 V 轉(zhuǎn)12 V 開關(guān)電源，電源給測(cè)試的三套自動(dòng)氣象站供電。

試驗(yàn)天數(shù)為30 d，每天檢查開關(guān)電源的供電、觀看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)比數(shù)值的變化。由于測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，保存的測(cè)試數(shù)據(jù)較多，本文針對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)、維薩拉自動(dòng)氣象站和長(zhǎng)望氣象站所測(cè)的六要素?cái)?shù)據(jù)，從中選取13 天所測(cè)的數(shù)據(jù)，算出這13 天的日平均數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，繪制的各個(gè)要素對(duì)比測(cè)試曲線如圖19 所示。

圖19 各個(gè)要素對(duì)比測(cè)試曲線圖

通過為期一個(gè)月的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，設(shè)計(jì)的自動(dòng)氣象站與其他兩套自動(dòng)氣象站所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)論如下:

根據(jù)圖19(a)溫度曲線圖，可以看出，試驗(yàn)樣機(jī)、維薩拉自動(dòng)氣象站和長(zhǎng)望氣象站三個(gè)氣象站溫度采集器在同一時(shí)刻所測(cè)的溫度值比較接近，試驗(yàn)樣機(jī)和對(duì)比站相比，測(cè)量誤差均在±0.3 ℃以內(nèi)。

根據(jù)圖19(b)濕度曲線圖，可以看出，三個(gè)氣象站的濕度采集器在同一時(shí)刻所測(cè)的濕度值比較接近，試驗(yàn)樣機(jī)和對(duì)比站相比，測(cè)量誤差均在±3%RH以內(nèi)。

根據(jù)圖19(c)大氣壓力曲線圖，可以看出，三個(gè)氣象站在同一時(shí)刻采集的大氣壓力值比較接近，試驗(yàn)樣機(jī)和對(duì)比站相比，測(cè)量誤差均在±0.5 mbar 以內(nèi)。

根據(jù)圖19(d)風(fēng)向曲線圖，可以看出，三個(gè)氣象站在同一時(shí)刻采集的風(fēng)向值比較接近，試驗(yàn)樣機(jī)和對(duì)比站相比，測(cè)量誤差均在±3°以內(nèi)。

根據(jù)圖19(e)風(fēng)速曲線圖，可以看出，三個(gè)氣象站在同一時(shí)刻采集的風(fēng)速值比較接近，試驗(yàn)樣機(jī)和對(duì)比站相比，測(cè)量誤差均在±0.3 m/s 以內(nèi)。

根據(jù)圖19(f)雨量曲線圖，可以看出，三個(gè)氣象站在同一時(shí)刻采集的雨量值比較接近。試驗(yàn)樣機(jī)和對(duì)比站相比，測(cè)量誤差均在±4%以內(nèi)。

通過每天檢查開關(guān)電源的供電和觀看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的自動(dòng)氣象站長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性相對(duì)較好，對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)樣機(jī)所測(cè)的六要素?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，數(shù)據(jù)偏差均在合格范圍之內(nèi)，測(cè)量結(jié)果也基本符合應(yīng)用需求，因此本設(shè)計(jì)的自動(dòng)氣象站穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都較好。

6 結(jié)語

針對(duì)海上復(fù)雜環(huán)境下氣象探測(cè)的需求，特別是對(duì)海上風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量，本文介紹了一款一體式、微型化艦載自動(dòng)站系統(tǒng)，集溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量六種氣象參數(shù)測(cè)量功能于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)六要素?cái)?shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)，并通過上位機(jī)顯示。系統(tǒng)中的風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用超聲波原理自主設(shè)計(jì)測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，在海上惡劣環(huán)境下能夠正常工作，與傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀相比，具有磨損小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本氣象站采用一體化設(shè)計(jì)，可降低機(jī)械復(fù)雜度，提高傳感器的抗風(fēng)能力，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，適用于海上環(huán)境的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。