基于TDLAS原理的探空湿度测量关键技术研究

Upper-air meteorological observation system is one of the most important part of the integrated meteorological observation system. Radiosonde data is important because of not only the strong impact of water vapor on our climate system but also the urgent need for validation of remote sensing observations from space borne or ground-based remote sensors. However, accuracy of humidity sensor has been the bottle neck that limits the system accuracy. At present, all operational radiosondes use thin-film capacitance RH sensor as humidity sensor, which is subject to poor performance and large time lag error in low temperature or high humidity circumstances, especially when passing through upper cloud. With the development of the optoelectronic technology, this project presents a new solution of radiosondes humidity measurement based on tunable diode-laser absorption spectroscopy (TDLAS). TDLAS humidity sensor relies on the instant interaction of water vapor molecule and photon, is famous for its high sensitivity, quick response and no hysteresis. Furthermore, TDLAS humidity sensor has better performance in low temperature and low pressure environment. Therefore it is considered to be an ideal humidity sensor for radiosonde. It would signally prove the spatial resolution of humidity detection, and provide more accurate information of the vertical distribution of water vapor, and is important for the weather and meteorological forecast.

高空气象观测系统作为综合气象观测系统的重要组成部分，探空数据在天气预报和气候趋势研究中发挥着重要的作用，是对大气遥感真实性检验和校准的重要基准。湿度传感器测量精度一直是制约着高空气象探测精度的瓶颈。目前业务探空气球的湿度传感全部使用湿敏电容传感器，该类传感器普遍存在低温环境中性能下降、高湿测量退湿缓慢等问题，导致湿度数据误差大，准确性低，在穿过云层时问题表现尤其显著。针对探空湿度测量存在的问题，本项目结合现代光电子技术的发展，提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的新型高空湿度检测方案。TDLAS湿度传感技术依靠的是水汽分子与光子的瞬时相互作用，无接触无吸附残留，不仅灵敏度高、而且响应速度快，无迟滞，在低温低压环境下检测性能不降反升，是一种理想的高空湿度检测技术，能够大幅度提高高空湿度检测的时空分辨率，提供更为准确的水汽垂直分布信息，为天气预报和环境气象预报提供重要数据基础。

高空气象观测系统作为综合气象观测系统的重要组成部分，探空数据在天气预报和气候趋势研究中发挥着重要的作用，是对大气遥感真实性检验和校准的重要基准。湿度传感器测量精度一直是制约着高空气象探测精度的瓶颈。目前业务探空气球的湿度传感全部使用湿敏电容传感器，该类传感器普遍存在低温环境中性能下降、高湿测量退湿缓慢等问题，导致湿度数据误差大，准确性低，在穿过云层时问题表现尤其显著。TDLAS技术是一种非接触的光谱技术，依靠水分子与光子的瞬时相互作用，无接触无吸附残留，不仅灵敏度高、而且响应速度快，无迟滞，是一种理想的高空湿度检测技术；但由于探空过程中环境温度、气压的大幅度变化会对测量产生影响，因此必须对这些因素加以修正，才能得到准确的水分子浓度。本项目研究的即是低温低气压环境下特征吸收的变化规律和数学模型，并在此基础上研究了温度压力的修正算法，为探空湿度的准确测量提供了理论基础；研制了激光湿度探空仪样机。经测试该样机测量下限能够达到-90℃霜点，与冷镜式露点仪设备接近，同时响应时间为1s，远小于露点仪的响应时间。本项目成果能够大幅度提高高空湿度检测的时空分辨率，提供更为准确的水汽垂直分布信息，为天气预报和环境气象预报提供重要数据基础，并有望打破目前国际上维萨拉湿度探空传感器一家独大的垄断局面，同时填补国内行业空白，大幅提高我国气象湿度探空的水平。