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準確測量高原地區(qū)和高海拔地區(qū)的大氣溫度變化對天氣預(yù)報和氣象研究至關(guān)重要，有助于了解大氣結(jié)構(gòu)、評估氣候模型和預(yù)測氣象現(xiàn)象。

然而在高海拔溫度測量領(lǐng)域，空氣稀薄，光學(xué)非接觸式溫度測量方法或電子溫度傳感器都需要先與環(huán)境達到熱平衡，導(dǎo)致數(shù)據(jù)滯后。

聲學(xué)測溫是一種快速的非接觸式溫度測量技術(shù)，能夠避免傳統(tǒng)電子溫度計在接觸測量時對被測物體溫度的影響，也無需建立熱平衡即可直接測量空氣溫度，可以實時反映空氣溫度。

傳統(tǒng)的聲學(xué)法測溫方法在長期溫度監(jiān)測過程中依賴精密的聲學(xué)設(shè)備和持續(xù)的聲源激勵，這些設(shè)備增加了溫度測量的復(fù)雜性和維護成本，并且容易受到環(huán)境噪聲干擾導(dǎo)致信噪比下降。

為了克服上述技術(shù)的缺點，近期，Yue Yan等人提出了無源聲學(xué)測溫技術(shù)，利用環(huán)境白噪聲而非外部聲源來測量大氣溫度，可實現(xiàn)對最高5200米高空的大氣溫度進行實時監(jiān)測，具有非接觸、測量準確、響應(yīng)迅速的優(yōu)點。其研究成果[1]發(fā)表在聲學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《The Journal of the Acoustical Society of America》中，并作為期刊的封面。

期刊封面圖

在文章中，研究人員提出了一種溫度測量裝置—聲學(xué)法布里-珀羅諧振器（AFPR），AFPR由駐極體電容傳聲器和聲波導(dǎo)組成，利用環(huán)境白噪聲，在裝置里產(chǎn)生聲學(xué)共振，然后通過檢測不同階次的諧振頻率，推算出空氣溫度。這其中的關(guān)鍵在于，諧振頻率和模式階數(shù)之間存在著線性關(guān)系，通過這條隱藏的 “線索”，可以得到空氣溫度。

另外，考慮到實際環(huán)境的復(fù)雜性，在實際測量時進行誤差補償和頻率響應(yīng)優(yōu)化，提高測量準確度。

（a）AFPR模型圖（b）通過有限元模擬的AFPR頻率響應(yīng)曲線

為了驗證上述裝置性能，研究人員分別用其在實驗室、地面和高空測量空氣溫度。在實驗室中測量時，通過 B&K 聲學(xué)系統(tǒng)驗證 AFPR 的多階諧振特性，線性擬合斜率與溫度正相關(guān)（R>0.999）。在消聲室中，AFPR 對溫度變化的響應(yīng)時間比紅外測溫儀快 20 秒。

在北京和喀什高原地表測量溫度，持續(xù)監(jiān)測結(jié)果與電子溫度計平均偏差 < 0.8℃，喀什高原晝夜溫差達 30℃，AFPR 可準確反映溫度變化趨勢。

進行高空測量時，用系留氣球[2]搭載 AFPR 在喀什高原（海拔 3700m）和橫店（海拔 120m）進行升降測試，最大監(jiān)測高度 5200m，測量結(jié)果顯示，在高空環(huán)境噪聲≥35dB 時仍能穩(wěn)定測量，與氣球內(nèi)部溫度計平均偏差 < 0.5℃。