GTS1型探空仪课件

GTS1型数字探空仪

目录引言第一节探空仪结构第二节探空仪技术指标第三节探空仪工作原理第四节使用方法和维护重点：探空仪结构、使用方法难点：探空仪工作原理、技术指标引言GTS1型数字探空仪具有探测精度高、采样速度快、抗干扰能力强等特点，实现了数字化、模块化，整体性能接近廿世纪九十年代中期世界同类产品先进水平。

GTS1型数字探空仪与GFE（1）型二次测风雷达相配合，可综合探测到地面至30km范围内，不同高度的大气温度、压力、相对湿度和风向风速。

GTS1型数字探空仪与GZZ2–7型电码探空仪(59型)的比较

第一节探空仪结构1.探空仪外形2.发射机3.智能转换器4.湿度传感器5.探空仪盒盖

6.保温材料

7.电池1.探空仪外形温度传感器智能转换器（附有气压传感器）发射机电池湿度传感器2.发射机频率调谐螺丝是一个半可变电容器，调节铜螺丝的位置可改变电容量，顺时针旋转螺丝电容增大，频率降低；逆时针旋转螺丝电容减小，频率升高。RP1可用来调整应答“鼓包”和“缺口”。插头XP3，用来连接智能转换器。频率调谐螺丝RP1XP33.智能转换器三个插座的连接方法：XP1探空仪盒盖XP2电池XP3发射机气压传感器、附温热敏电阻XP3注意：测量气压传感器的附温热敏电阻引出导线十分细，使用时注意不能将导线碰断。XP1XP2

4.湿度传感器图示为湿敏电阻出厂时的状态，外玻璃瓶装有干燥剂并加以密封，使湿敏电阻长期处于干燥环境中。一旦取出湿敏电阻必须及时使用，以免在空气中暴露时间过长，会影响测湿精度。湿敏电阻干燥剂热敏电阻热敏电阻支架湿敏电阻湿敏电阻安装座XS1插头图示是T、U传感器安装在盒盖实样，热敏电阻出厂时已焊接在白色支架上，施放前将支架翻出接近150°，用绳系紧。XS1插头与智能转换器连接。注意热敏电阻导线很细，使用时注意不能将导线碰断。5.探空仪盒盖6.保温材料探空仪出厂时，发射机和智能转换器已经连接并置放在Г型保温盒内，施放前需将电池保温盒打开，装入泡好的镁电池。发射机置于保温泡沫盒内，必须与底部相接触，如有空隙，需垫上块状泡沫填满空隙，否则发射机在施放过程中，可能与智能转换器断开，造成信号突失。智能转换器保温盒盖电池保温盒盖发射机保温盒盖7.电池

从铁罐盒内取出的电池，其塑料袋应紧贴电池，否则说明塑料袋已经漏气，这种电池使用时要特别注意。镁氯化亚铜注水式电池，遇水就会产生化学反应消耗能量，时间越长能量消耗越多。电池自身带有的插头与智能转换器连接。下图是电池从密封铁皮筒内取出后的状态。XS2插头与智能转换器连接。XS2

第二节探空仪的技术指标1.测量性能：2.电气性能：几个概念：载波：可通过调制来强制它的某些特征量仿随某个信号的特征值或另一个振荡的特征值而变化，通常是周期性的电振荡波。或为了低频信号能够在通道中传播，采用能够在信道中传播的高频信号与低频信号进行叠加，使之到达目的地，这个过程称为载波。也可以这样理解，我们一般需要发送的数据的频率是低频的，如果按照本身的数据的频率来传输，不利于接收和同步。使用载波传输，我们可以将数据的信号加载到载波的信号上，接收方按照载波的频率来接收数据信号，有意义的信号波的波幅与无意义的信号的波幅是不同的，将这些信号提取出来就是我们需要的数据信号。

副载波：构成另一载波之调制信号的已调制载波。也可以这样理解：首先你把信号调制在载波1上，出于某种原因，你决定对这个结果再进行一次调制，于是你用这个结果去调制另外一个更高频率的载波2。这里载波1就叫做副载波。调制：将音频信号附加到高频振荡波上，用音频信号来控制高频振荡的参数。分为调幅、调频、调相电平=电压,电子电路中用高低电平分别代表0和1,比如5v代表1,0v代表0,高电平一般不固定为多少,低电平一般是0v.调幅：一种调制方式，使高频载波的幅度随信号改变的调制（AM）。载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出，电视的图像信号使用调幅。调频的抗干扰能力强，失真小，但服务半径小。调频：一种调制方式，使高频载波的频率度随信号改变的调制（FM）。载波信号的频率随着调制信号的某种特征的变换而变化。调频就是用声音的高低变为频率的变化的电信号,调幅就是用声音的高低变为幅度的变化的电信号.

接收灵敏度：类似于人们沟通交谈时的听力，提高信号的接收灵敏度可使无线产品具有更强地捕获弱信号的能力。天线增益：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。淬频quenchfrequency

一种正弦波，用来提高超再生应答器的接收灵敏度，它的频率在1MHZ左右，其幅度大小与应答器工作方式有关若应答器的“回答信号”

是采用使超高频间歇振荡器“提前振荡”工作方式，淬频采用小幅度(约等于应答器电源电压的1%)调制，这种工作方式的优点是发射机输出功率大、同答灵敏度高，缺点是回答百分比低。若应答器的“回答信号”

是采用使超高频间歇振荡器振荡“幅度增强”工作力式，淬频采用大幅度(约等于应答器电源电压的10%)“同步”方式，使超高频间歇振荡频率等于淬频频率，这种工作方式的优点是回答百分比高、超高频振荡信号的间歇频率稳定连续，有利于地面雷达跟踪，缺点是发射机输出脉冲功率较小，回答灵敏度较低。GTS1型数字式探空仪是采用“幅度增强”工作方式的应答器。

第三节探空仪的工作原理探空仪升空中，热敏电阻、硅压敏电桥、湿敏电阻分别随大气的T、P、U变化而改变阻值大小或输出电压大小，这些变化值通过智能转换器转变成不同的二进制数据，智能转换器同时将这些探测到的气象资料信息，调制到1680MHz发射机上，使其产生不同的工作状态，向地面GFE（1）型二次测风雷达发射T、P、U无线电二进制代码和测距应答脉冲，以完成0~30Km垂直高度的温、压、湿、风向和风速的综合探测。数字探空仪电原理图GTS1型发射机一帧波形图（1）GTS1型发射机一帧波形图（2）GTS1型发射机一帧波形图（3）

1.传感器

温度传感器气温测量采用GPW2型棒状热敏电阻，在测量范围内（55℃~-90℃），其阻值限定在9kΩ~700kΩ，阻体长10mm，直径1mm左右，表面有高反射率涂层，短波反射率优于93%，长波吸收率超过90%。GPW2热敏电阻出厂时已焊接在探空仪纸盒盒盖内的白色塑料支架上。气压附温测量采用GPW3型棒状热敏电阻，阻体长6.5mm，直径0.65mm，安装在气压传感器外壳内，用胶水封固。

为了实现热敏电阻测温功能，首先要进行热敏电阻的温度特性校准，以获得R-T特性曲线。特性校准点数量根据R-T特性的计算公式确定，在保证测量精度的基础上，尽量减少校准点避免浪费校准工时。由于GPW2热敏电阻的特性趋势较为一致和R-T特性计算公式精确，故尽管校准点的最低温度仅为-70℃，却可以保证探空仪在-90℃时的测量精度达到±0.4℃。

GPW2热敏电阻的长短波辐射带来的误差经过订正，可保证高空测温精度。湿度传感器

湿度测量采用XGH-02型高分子湿敏电阻，具有测湿范围广，互换性好，响应速度快，体积小等优点。

XGH-02型湿敏电阻是一片带有电极的有机玻璃基片，基片上浸渍了按一定比例混合搅拌后的羟乙基纤维素HEC（吸湿材料）；碳黑（导电材料）和Tx-100、三梨醇（涨力辅助材料）。电阻表面感应材料为黑色、裸露的，因此手只能接触基片的两边电极，同时它需要防太阳照射和雨淋，需要一定的通风量来保证传感器正常工作，为此在探空仪的外壳上设计了防晒、防雨的通风道放置湿敏电阻。湿敏电阻是一次性使用的元件，因此XGH-02型湿敏电阻出厂时置于密封的内玻璃管内，外玻璃管内放有干燥剂，以保证湿敏元件长期处于干燥的环境中。

湿敏电阻是一种二元特性传感器，它的电阻变化除了主要受相对湿度影响外，还有一定的温度系数，探测过程中需要通过公式进行温度修正，这样才能保证探空仪升空中全量程的测湿精度。由于湿敏电阻的阻值随时间变化而有所漂移，因此在使用过程中采用湿敏电阻的比阻值来表示相对湿度。所谓比阻值就是用某一相对湿度（如0%RH），做为参考值，其它湿度的阻值与其相比，这就是探空仪使用前需要输入参考电阻值的原因。过去参考值采用33%RH时的电阻值，经过长时间实际应用，发现33%RH的环境难以控制，尤其在高湿天气，需要很长时间基测箱内才能接近33%RH，增加了基测时间。为了改变这种状态，现采用密封瓶装干燥剂的环境，它很容易达到0%RH，故现在采用0%RH时的电阻做为参考值。气压传感器

采用24PC型硅阻固态压力传感器。24PC硅阻固态压力传感器在工作范围（约1个大气压）内具有良好的弹性和重复性。影响压力传感器性能的误差包括如下几个方面：零点温度漂移、灵敏度温度漂移、线性误差、重复性误差、迟滞误差、机械迟滞、温度迟滞等。据供应商提供的技术资料表明，所有误差都在最大值的情况下总误差之和可达5.57%，当然这种可能性是极少的。但即使零点温度漂移、灵敏度温度漂移最大值也分别能达到1%，远远超出了探空仪的技术指标，因此需要进行全量程的温度补偿。

GTS1型探空仪压力传感器采用软硬件温度补偿方法，补偿动态范围大、精度高、成本低、同时改善线性度。气压传感器和温度补偿传感器直接安装在智能转换器的印制电路板上。2.智能转换器智能转换器主要功能是将各类传感器的物理量，按一定格式转换成二进制代码。智能转换器由单片机、积分器、比较器、多路开关、放大器、振荡器等电路组成。

A/D转换

智能转换器采用软件双积分A/D转换方案，转换精度超过14位，并对温度影响采取了多种补偿措施，在50℃~–35℃范围内的实际转换精度优于万分之三。为了降低探空仪的成本，提高数据可靠性，各传感器所测量的气象信息要素值转换由地面设备中的计算机，根据各个探空仪检定数据进行处理，故智能转换器不带外部EPROM芯片，各个探空仪检定数据按规定格式存入3.5英寸软盘，随探空仪一起提供给用户。利用单片机(MC68HC705J1A)内的定时器/计数器和积分器作硬件支持，可实现软件双积分A/D转换。单片机

705J1A单片机的A口有8位双向端口，B口有6位双向端口。PA0~PA6组成128个探空仪系列号；PA7是A/D转换后的数据输出口。PB0~PB4控制CD4051和CD4052转换开关电路时序。比较器LF353输出控制单片机中断口。单片机PA7输出的数据和调制波32.7kHz信号，经过史密特触发器（74HC14）反相和与非门4011处理后，数字“1”为低电平，数字“0”为高电平；调制波32.7kHz信号受到数字“0”调制。单片机时钟频率为4MHz。基准电压基准电压由稳压管TL431产生，再经LF353功率放大。调制波振荡器调制波32.768kHz振荡器由32.768kHz晶体、电阻电容和LF353运算放大器产生。放大器两个单运算放大器OP07用来放大PC24硅压敏电桥输出电压。3.智能转换器智能转换器主要功能是将各类传感器的物理量，按一定格式转换成二进制代码。智能转换器由单片机、积分器、比较器、多路开关、放大器、振荡器等电路组成（见图1中的B部分）。

3.发射机超高频发射机

超高频晶体管V9、高Q值微带线、可微调电容C14、鞭状天线W与地网及C12、C13构成超高频发射机。这种超高频发射机金加工少，结构简单，重量轻，频率调谐方便。

C14是一个半可变电容器，调节铜螺丝的位置可改变C14的电容量，顺时针旋转螺丝电容增大，频率降低；逆时针旋转螺丝电容减小，频率升高。穿芯电容C12、C13用做超高频滤波。超再生工作状态

GTS1型数字探空仪的超高频发射机除了发送T、P、U气象要素信息，还要接收地面雷达发射的询问信号，因此还必须具有接收机的功能。为使同一振荡电路具有接发两种功能，它只能处于超再生工作状态（即间歇工作状态）。超再生工作状态所产生的脉冲宽度和间歇振荡重复频率决定于C10、C11、R5、R6、RP1和供电电压。这种自调制超再生电路的接收灵敏度极低，必须在间歇振荡的休止时间内增加淬频信号，以提高超再生接收的灵敏度。

淬频振荡器

淬频振荡器由V8、R7、R8、R9、R10、R11、C6、C7、C8和变压器L构成，频率为800kHz。淬频振荡器调制在RC放电回路中，其正半周的某一部分使放电电压能够达到超高频发射机“起振阀电压”，使超高频发射机振荡；而其负半周某一部分必须使超高频发射机停止振荡。也就是超高频发射机受到淬频振荡器800kHz的调制。这是一种特殊的调制，必须保证超高频发射机的振荡处于“欠饱和”状态，这样超高频发射机在遇到地面雷达询问脉冲信号时，就能够达到“饱和”状态，振荡幅度增大，产生应答“鼓包”和“缺口”。如何保证达到这种特殊工作状态呢？这就是下面所介绍的“同步”问题。

缺口break“幅度增强”型应答器的重复频率与淬频(800kHz)相等，此状态称为“同

步”或称基本频率的“擒获”，在这种同步工作状态下，超高频发射机振荡状态不能达到饱和，称之为“欠饱和”。一旦接收到地面雷达的0.8微秒询问脉冲后，超高频振荡器在0.8us期间内产生谐振，振荡强度立即从“欠饱和”达到饱和，从而使这个饱和状态下的淬频幅度高于其他淬频幅度，称之为应答鼓包”。

在0

.8us谐振期问，超高频晶体管基极回路电流增大，使负偏压降低，造成“鼓包”后的第1个淬频“失步”，这样就会在一连串800kHz间歇振荡频率中，少了一个800kHZ波形，故而形成“缺口”。

欠饱和振幅undersaturationamplitude

在“同步”工作状态下，淬频的正半周使超高频发射机振荡，振荡强度随800kHz正弦波上升沿逐步加强，但是超高频振荡尚未达到最强时，就被800kHz正弦波的下降沿削弱直到800kHz负半周使超高频发射机停止振荡，所以地面雷达接收检波后的波形成尖顶形，而超高频间歇振荡若是自调制状态，则其振荡包络成平顶形。这样超高频发射机接收到地面雷达询问信号，才有余量达到饱和振荡，产生应答“鼓包”和“缺口”，因此尖顶形振荡的输出幅度称之为“欠饱和振幅”。副载波subcarrier

副载波32.7kHz振荡器由32.7kHz晶体、电阻电容和运算放大器产生。其频率稳定度可达到10-5.数字探空仪的测量信息二进制码，首先调制在副载波上，再由副载波调制超高频发射机载波，因此地面雷达接收后，检波出来的信号包含三个信号:800kHz淬频,32.7kHz副载波和调制在副载波上的探空信息二进制码这样就可以用窄带滤波器去掉32.7kHz副载波信号，从而大大提高了探空信息解调设备的抗干扰能力，使探空记录的误码率明显降低。

超高频发射机的重复频率与800KHZ(淬频振荡频率)相等,此状态为”同步”或基本频率的”擒获”;在这种同步状态下超高频发射机振荡状态不能达到饱和,这样超高频发射机接收到地面雷达询问信号时,才有余量达到饱和振荡,产生应答”鼓包”和”缺口”是不是频率相等就能达到”同步”呢?

达到同步工作状态的条件决定于超高频振荡自调制振荡的重复频率、充放电电压和800kHz幅度。如果800kHz幅度很大（如正半周大于超高频振荡自调制振荡的充放电电压幅度，这时虽然超高频发射机的重复频率也是800kHz，但这不是“同步”工作状态，而是受到了800kHz的调制，在这种工作状态下超高频振荡极易达到饱和，应答“鼓包”很低、“缺口”很浅，甚至没有。反之如果超高频发射机工作点向下移动（如800kHz幅度减小或基极回路的RC增大），就可能离开同步区，向二分频接近，那么回答百分比就会降低，应答“鼓包”不明显；同时出现多“缺口”，若变成二分频同步状态则无法测距。自调制波图形三分频波形发射机同步输出波形有询问时输出波形探空调制电路

智能转换器输出的二进制码，通过C2、R1、V2、V3放大倒相后，调制波32.7kHz幅度达到24V，32.7kHz通过隔直电容C4后，正半周电压经二极管V6、V7限幅隔离，仅有负电压直接加至超高频晶体管V9基极强迫超高频振荡器停止振荡，从而达到了调制目的。说明:如果不将调制波32.7kHz的正电压滤去，直接加至超高频晶体管V9基极，将会破坏800kHz对超高频振荡器产生的超再生状态。所以超高频发射机受32.7kHz、800kHz和二进制气象代码的多重调制。发送时间每帧气象信息发送时间约为0.2s，余下的时间（约1秒）发送超再生自激振荡脉冲，随时等待雷达询问脉冲。

第四节使用方法和维护1.湿敏元件R0基值测定（温度为T0）2.T、P、U传感器施放前测量精度比对3.发射机检查4.电池5.施放前工作1.湿敏元件R0基值测定（温度为T0）A.探空仪检测箱开关c置于“ON”

接通电源，此时应检查显示屏数码管是否灯亮，轴流马达是否运转。B.将已高湿老化（具体高湿老化过程详见GEZ10型探空仪检测箱使用说明书）的湿敏元件插入0%干燥瓶座内，盖紧瓶塞。C.按下检测箱开关b的R键，3分钟后记录元件R0阻值。D.按下检测箱开关的T键，开关d置于“T0”，10秒钟后记录下T0温度值，随后将开关d置于“T”

。（检测箱开关b、c、d具体位置见GEZ10型探空仪检测箱使用说明书图2）。2.T、P、U传感器施放前测量精度比对A.从干燥瓶内取出湿度元件，插入探空仪盒盖元件插座内，打开检测箱门，将探空仪盒盖放入检测室。把盒盖插头与检测室内插座连接，探空仪盒盖向上打开露出湿度元件，支起温度支架，关闭检测箱门。B.检测箱背面有±12V电源的四芯插头及T、U传感器的三芯插头，将两插头与智能转换器XP1、XP2连接，此时探空仪发射机和智能转换器进入工作状态。C.取出检测箱湿球温度表沾上蒸馏水，按下检测箱开关b的U键，3分钟后即可进行T、P、U传感器测量精度比对。D.检测箱湿球温度表沾水后，将R0、T0数据输入计算机，核对湿度元件D0

~D5的系数，确认无误后方可进行比对。E.比对应在湿球温度表沾水后3分钟后的瞬间进行：记录检测箱显示的U1值与计算机屏显示的U2值。

U1-U2≤±5%RH合格F.U值比对后按下开关b的T键，10秒后记录检测箱显示的T1值与计算机屏显示的T2值。T1-T2≤±0.4℃

合格G.T值比对后记录计算机屏显示的P1值与标准气压表P2值。P1-P2≤±2hPa合格（P2应录取水银气压表或振筒式气压仪的示值，不能用检测箱显示的P值）。3.发射机检查A.探空仪基测时，要注意观测雷达荧光屏有没有应答“鼓包”和“缺口”，也不能多“缺口”。RP1可用来调整应答“鼓包”和“缺口”。B.载波频率调整：如发现载频偏移过大，可调整发射机上的螺丝，顺时针旋转频率降低，反之升高。

4.电池技术参数

电压±13.5～±12.5V

电流≥100mA

放电时间：不少于90min电池输出插头的极性如图所示电液配方