近日，中國科學(xué)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(dǎo)的浮空器團隊，利用自主研發(fā)的聲學(xué)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(xué)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(yù)報、氣候變化研究以及大氣動力學(xué)分析至關(guān)重要。準(zhǔn)確監(jiān)測高空氣溫不僅能提高天氣預(yù)報的精準(zhǔn)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(dǎo)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(xué)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(yīng)性強等優(yōu)點?，F(xiàn)有的聲學(xué)測溫方法需要使用分離的揚聲器與麥克風(fēng)，兩者距離需精確控制，增加了維護成本，降低了泛用性。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出一種無源聲學(xué)測溫方法。該方法通過聲波導(dǎo)與麥克風(fēng)組合構(gòu)建聲學(xué)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(xué)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(xué)氣溫測量試驗。他們將聲學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(xué)測溫傳感器的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)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(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測、高空及臨近空間探測等領(lǐng)域，為精細(xì)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(xué)測溫技術(shù)還可以與聲源定位、聲學(xué)測風(fēng)等技術(shù)組合，構(gòu)建多參數(shù)高空聲學(xué)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(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1121/10.0035794

圖1 聲學(xué)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(xué)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）

圖3? JASA期刊第157卷第2期封面圖片