一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统及方法与流程
本发明属于陆地生态系统通量观测技术领域，具体涉及一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统及方法。
背景技术：
对陆地生态系统与大气之间物质与能量交换通量的准确测量，尤其是区域尺度地-气之间的物质与能量的直接测量，对深入理解生态系统物质与能量循环过程机理、变化趋势，以及理解生态系统对人类活动变化的响应与反馈规律和机理具有十分重要的意义。此外，对陆地生态系统水热通量及物质通量的直接观测，对于完善和发展各种陆面过程模式、生态系统过程模型以及区域气候模式等具有重要作用，是地球系统研究不可或缺的技术手段。
涡动相关方法(eddycovariancemethod)，作为一种微气象学的测量方法，是目前唯一能够直接测量地表与大气间水热通量和物质通量的方法，被广泛应用于国内外的通量观测网络中。通量观测网络由分布在不同区域、不同地表类型的地面塔基涡动相关通量观测仪器组成，但塔基涡动相关通量观测仪器由于观测高度的限制，只能提供空间“点”尺度或局地尺度的湍流通量观测结果，即其观测的地面代表性(footprint)区域通常只有几十至几百米，无法提供区域尺度(公里级)地表湍流通量的直接测量值，极大的限制了区域尺度生态系统过程的研究和发展。
机载涡动相关(aircrafteddycovariance)技术可对区域尺度(瞬时湍流通量观测近数十平方公里或累积湍流通量观测近百平方公里)范围内地气之间的能量和物质交换通量进行直接观测，有效的弥补了地面通量塔观测在区域尺度上的缺失。其主要原理是：将涡动相关设备安装于飞机平台，飞机在近地层内进行观测飞行，可在短时间内快速形成空间上的线型采样序列，展示出观测区域的瞬时湍流场。机载涡动相关方法可获得大量与遥感影像像元或与过程模型网格尺度相当的地面水热通量的直接观测值，是目前少数可以在区域尺度上进行湍流通量观测的技术之一，对地球生态系统研究、能量及水循环研究以及大气研究等具有重要意义。目前，基于有人驾驶飞行器的涡动相关方法在国外已发展成熟并商业化，在我国也逐步开始了对机载涡动相关技术的研究和应用。但是，基于有人驾驶飞行器的观测成本较高，并且由于观测常常在近地层内进行，这种低空飞行的观测方式往往也会带来一定的危险。因此，研发基于无人机平台搭载的小型移动涡动相关湍流通量观测系统，借助于无人机灵活、低成本、安全性高等优点，开展区域尺度的湍流通量观测具有非常重要的实用价值和科学意义。但在我国，目前还没有成熟的技术方案和相关专利报道来实现基于无人机平台的移动涡动相关湍流通量观测。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统及方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统，所述小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统搭载于固定翼无人机上面，包括：机载5孔湍流探头、热电偶探针、快速响应湿度计、温湿传感器、净辐射仪、光合有效辐射仪、红外测温仪、激光测高仪、gps辅助惯性导航系统、无线通信模块、输入设备、模拟/数字信号转换器和数据采集控制计算机；其中，所述机载5孔湍流探头、所述热电偶探针、所述快速响应湿度计、所述温湿传感器、所述净辐射仪和所述光合有效辐射仪均通过所述模拟/数字信号转换器连接到所述数据采集控制计算机；所述红外测温仪、所述激光测高仪、所述gps辅助惯性导航系统、所述无线通信模块、所述输入设备直接连接到所述数据采集控制计算机；
其中，所述机载5孔湍流探头、所述热电偶探针和所述温湿传感器均安装于所述固定翼无人机的机鼻位置；
所述快速响应湿度计安装于所述固定翼无人机的机头上方，并向所述机载5孔湍流探头的方向倾斜；
所述净辐射仪和所述光合有效辐射仪安装于所述固定翼无人机的水平尾翼的两侧；
所述红外测温仪和所述激光测高仪安装于所述固定翼无人机的机舱内，并且，所述红外测温仪和所述激光测高仪的测量探头垂直向下；
所述gps辅助惯性导航系统安装于所述固定翼无人机的机舱内，其惯性导航设备安装于固定翼无人机重心处，其gps天线安装于所述固定翼无人机的上表面，并且靠近所述机载5孔湍流探头的区域；
所述无线通信模块、所述输入设备和所述数据采集控制计算机集成安装于所述固定翼无人机的机舱内，并且，所述无线通信模块的发散天线向下伸出机舱外。
优选的，所述机载5孔湍流探头、所述热电偶探针和所述温湿传感器向前平行设置；所述机载5孔湍流探头沿着所述固定翼无人机纵轴安装；所述温湿传感器安装于所述机载5孔湍流探头的左侧；所述热电偶探针位于所述机载5孔湍流探头的右方。
优选的，所述模拟/数字信号转换器与所述数据采集控制计算机连接，用于将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传递给所述数据采集控制计算机。
优选的，所述机载5孔湍流探头，包括分布于半球形探头上的5个测压孔以及位于探头侧面管壁上的静压孔；其中，对于所述5个测压孔，在半球形探头表面按“十”字形状分布，包括位于中心位置的中心压力孔，以及分别位于所述中心压力孔上方、下方、左方和右方的上测压孔、下测压孔、左测压孔和右测压孔；上测压孔、下测压孔、左测压孔、右测压孔与半球形探头中心的连线均与探头中心线夹角为ξ＝45°。
优选的，所述机载5孔湍流探头，用于测量湍流风速及风向，即以探头的中心压力孔p0为坐标中心的探头坐标系下的三维风速值。
优选的，所述热电偶探针，用于测量空气温度观测值；
所述快速响应湿度计，用于测量水汽密度观测值；
所述温湿传感器，用于测量空气温度观测值和相对湿度rh；
所述净辐射仪，用于测量天空向下投射于地表和由地表向上反射的全波段辐射量的辐射尽差值net；
所述光合有效辐射仪，用于测量太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱范围的光合有效辐射量par；
所述红外测温仪，用于测量地表温度ts；
所述激光测高仪，用于测量固定翼无人机观测平台与地面之间的相对高度h；
所述gps辅助惯性导航系统，用于测量机载5孔湍流探头相对于地球坐标系统下的姿态角、位置与飞机瞬时对地速度；其中，所述姿态角包括俯仰角θ，横滚角
所述数据采集控制计算机，用于接收、存储各个传感器测量数据，进行各传感器设置，并将各传感器数据采用均值滤波的方式以1秒的时间间隔进行平均，通过无线通讯模块发送给地面监控人员；
所述输入设备，连接于所述数据采集控制计算机，用于对所述数据采集控制计算机进行系统参数设置及系统调试；
所述无线通信模块，用于向地面监控人员发送低频传感器观测数据，并用于实时监控小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的运行状态。
优选的，所述热电偶探针，包装在不锈钢保护套内，以不低于20hz的频率测量空气温度观测值；
所述快速响应湿度计，采用高灵敏度氪湿度计，以不低于20hz的频率测量水汽密度观测值；
所述温湿传感器，用于测量空气温度和相对湿度rh，测量频率为1秒；
所述净辐射仪，在测量所述辐射尽差值net时，测量频率不低于20hz，测量的光谱响应范围为0.2到100μm；
所述光合有效辐射仪，在测量太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱范围的光合有效辐射量par时，测量频率不低于20hz，测量的光谱响应范围为400到700nm；
所述数据采集控制计算机，安装有固态硬盘、操作系统及数据采集软件，用于设备初始化操作、数据采集、传感器状态信息记录、数据滤波操作。
本发明还提供一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的观测方法，包括以下步骤：
步骤1，固定翼无人机搭载小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统按航线飞行，在飞行过程中，按每隔δt的时间增量采样，对于每个采样点bi，均实时采集到以下观测信息：机载5孔湍流探头相对于地球坐标系下的位置(xi,yi,zi)、机载5孔湍流探头相对于地球坐标系下的速度upi、机载5孔湍流探头相对于地球坐标系下的俯仰角θi，横滚角
步骤2，在固定翼无人机搭载小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统按航线飞行结束后，按采样时间先后顺序，各个采样点形成航线采样初始序列；
步骤3，采用滑动窗口法对所述航线采样初始序列中的各个采样点进行过滤，剔除异常的采样点，并采用线性插值方法对剔除后的采样点进行插补，得到航线采样序列；
步骤4，设定湍流通量计算窗口长度k，所述湍流通量计算窗口长度k是指：湍流通量计算窗口内第1个采样点对应的位置与最后一个采样点对应的位置之间的距离；
通过所述湍流通量计算窗口长度k，将步骤3得到的所述航线采样序列划分为多个湍流通量计算窗口，对于每个所述湍流通量计算窗口内的采样点，均执行以下步骤：
步骤4.1，假设所述湍流通量计算窗口内共有n个采样点，分别为：b1,b2,...,bn；对于任意的采样点bi，i＝1,2,...,n，基于对应的观测信息，均计算得到地球坐标系(e,n,u)下的三维风速(ui,vi,wi)；其中，e,n,u分别为地球坐标系沿东向、北向和上方向的坐标轴；ui,vi,wi分别为地球坐标系下风速在e,n,u三个方向上的分量值；
步骤4.2，地球坐标系下的三维风速的二次旋转：
在地球坐标系(e,n,u)下，首先对三维风速(ui,vi,wi)绕w轴进行第一次坐标旋转，旋转角度为
经过三维风速的二次旋转后，得到处理后的新的三维风速(u_roti,v_roti,w_roti)；
因此，对于湍流通量计算窗口，其任意一个采样点bi，均得到对应的三维风速(u_roti,v_roti,w_roti)；
步骤4.3，分别计算湍流通量计算窗口对应的水平风速空间平均值u_rot、侧向风速空间平均值
其中：
其中：upi为：湍流通量计算窗口中，任意采样点bi的飞机瞬时对地速度；
n为湍流通量计算窗口中的采样点总数量；
t为湍流通量计算窗口对应的采样时间总长值，即：湍流通量计算窗口的最后一个采样点bn对应的采样时间tn，与湍流通量计算窗口的第一个采样点b1对应的采样时间t1的差值；
步骤4.4，分别计算湍流通量计算窗口对应的水汽密度空间平均值
步骤4.5，对于湍流通量计算窗口的每一个采样点bi，均计算得到以下湍流观测量的脉动值：
其中：u_rot'i为水平风速脉动值；
v_rot'i为侧向风速脉动值；
w_rot'i为垂直风速脉动值；
tai'为空气温度脉动值；
ρ'vi为水汽密度脉动值；
步骤4.6，采用下式计算得到该湍流通量计算窗口对应的感热通量h：
采用下式计算得到该湍流通量计算窗口对应的潜热通量le：
采用下式计算得到动量通量τ：
采用下式计算得到摩擦速度u*：
其中：
ρ为空气密度，cp为空气的定压比热；λ是水汽的汽化潜热；
μ＝md/mv＝1.608，为干空气分子量md与水汽分子量mv之比；
σ为水汽密度与干空气密度之比。
优选的，步骤4.1中，采用以下方式，得到地球坐标系(e,n,u)下的三维风速：
步骤4.1.1，对于机载5孔湍流探头，以中心压力孔为坐标原点，x轴沿探头中心点与中心压力孔连线向外，y轴指向右测压孔方向，z轴垂直向上，由此建立机载5孔探头坐标系(x,y,z)；
步骤4.1.2，对于某个采样点bi，中心压力孔测量得到的中心压力值为p0；
上测压孔测量得到的上测压孔压力值为p1；下测压孔测量得到的下测压孔压力值为p3；左测压孔测量得到的左测压孔压力值为p4；右测压孔测量得到的右测压孔压力值为p2；位于探头侧面管壁上的静压孔测量得到的大气静压为ps；
因此，垂直方向的测压孔测量z轴方向的压力差为δpα＝p1-p3；水平方向的测压孔测量y轴方向的压力差为δpβ＝p2-p4；
步骤4.1.3，通过以下方式计算风速的攻角α和风速的侧滑角β：
步骤4.1.3.1，建立动压公式、攻角公式和侧滑角公式：
动压公式：
其中：pd为动压；
攻角公式：
侧滑角公式：
步骤4.1.3.2，将未知量α和β初始化为0；
步骤4.1.3.3，通过动压公式计算得到pd＝p0-ps；由于p0和ps均为已知值，因此，得到动压pd值；
步骤4.1.3.4，把动压pd值分别代入到攻角公式和侧滑角公式中，求解攻角公式和侧滑角公式，可计算得到攻角α和侧滑角β的值；
步骤4.1.3.5，然后，比较步骤4.1.3.3计算动压值时采用的攻角α与步骤4.1.3.4计算得到的攻角α的偏差是否小于设定阈值，如果小于，则执行步骤4.1.3.6；如果不小于，则将步骤4.1.3.4计算得到的攻角α和侧滑角β的值代入到步骤4.1.3.3采用的动压公式中，并继续计算新的攻角α和侧滑角β，如此不断反复迭代，直到攻角α的偏差收敛到小于设定阈值为止，再执行步骤4.1.3.6；
步骤4.1.3.6，如此计算得到最终的攻角α、侧滑角β和动压pd；
步骤4.1.4，采用下式计算三维风速量值|ua|：
其中，pd即为步骤4.1.3最终得到的动压pd；
步骤4.1.5，计算机载5孔探头坐标系下的三维风速ua：
其中：ua、va和wa分别为机载5孔探头坐标系下的三维风速在x、y、z方向的分量；
攻角α和侧滑角β即为步骤4.1.3.6得到的值；
步骤4.1.6，将机载5孔探头坐标系下的三维风速ua转换为地球坐标系下的三维风速矢量ui：
转换公式为：
ui＝g[ua+wp×r]+up(21)
其中，ui为地球坐标系下的三维风速矢量；
g为由姿态角度计算的旋转矩阵：
wp为飞机瞬时角速度信息；
r为gps辅助惯性导航系统中心与湍流探头中心孔的距离；
up为湍流探头在地球坐标系下的飞机瞬时对地速度；
wp×r项为机身的杠杆运动对风速测量的影响，r与机载5孔湍流探头安装位置相关。
本发明提供的一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统及方法具有以下优点：
搭载于固定翼无人机上，用于区域尺度地表湍流水热通量的直接观测，具有观测成本低，便携性、灵活性好的优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的俯视结构示意图；
图2为本发明提供的一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的组成结构示意图；
图3为本发明提供的机载5孔湍流探头结构示意图；
图4为本发明提供的机载5孔湍流探头坐标系与地球坐标系转换的示意图；
图5为本发明提供的一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测方法的处理流程图。
其中：1-机载5孔湍流探头；2-热电偶探针；3-快速响应湿度计；4-温湿传感器；5-净辐射仪；6-光合有效辐射仪；7-红外测温仪；8-激光测高仪；9-gps辅助惯性导航系统；10-无线通信模块；11-模拟/数字信号转换器；12-数据采集控制计算机；13-无人机自动控制系统；14-电池；15-gps天线。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对目前区域尺度地表湍流通量直接观测数据计算困难的不足，采用重量轻、体积小、成本低的硬件系统，设计了一种可搭载于固定翼无人机的小型移动涡动相关湍流通量观测系统及方法，可以实现对区域尺度(公里级)地表湍流通量的快速地、直接地测量，并且具有机动、灵活、数据计算成本低等优点。此外，本发明还可用于对大气风、温、湿廓线的测量，搭载的其他传感器可以同时获得对湍流通量有重要影响的辐射数据和地表温度数据，对气象、生态环境、水文等领域的研究具有重要意义。
本发明包括两个方面：第一方面，提供一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统；第二方面，提供一种使用上述小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统计算湍流水热通量的方法。
小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统，参考图1和图2，所述小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统搭载于固定翼无人机上面，包括：机载5孔湍流探头、热电偶探针、快速响应湿度计、温湿传感器、净辐射仪、光合有效辐射仪、红外测温仪、激光测高仪、gps辅助惯性导航系统(gps/imu)、无线通信模块、输入设备、模拟/数字信号转换器和数据采集控制计算机；其中，所述机载5孔湍流探头、所述热电偶探针、所述快速响应湿度计、所述温湿传感器、所述净辐射仪和所述光合有效辐射仪均通过所述模拟/数字信号转换器连接到所述数据采集控制计算机；所述红外测温仪、所述激光测高仪、所述gps辅助惯性导航系统、所述无线通信模块、所述输入设备直接连接到所述数据采集控制计算机；本发明通过软硬件的集成，搭载于固定翼无人机上，基于涡动相关方法，进行区域湍流水热通量、辐射与地表温度的同步、快速、准确地测量。
图1为本发明提供的小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的外观示意图，为避免对无人机自动驾驶系统的干扰，本发明所设计的小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统独立于无人机自动驾驶系统，系统的供电来自于机载电池。
如附图1所示，各传感器的安装情况为：5孔湍流探头、热电偶探针、温湿传感器探头均安装于无人机的机鼻处，快速湿度传感器安装于飞机机头上方，传感器向5孔湍流探头方向倾斜，这些传感器用于测量不受无人机影响的大气湍流的风、温、湿数据；净辐射仪和光合有效辐射仪安装于无人机的水平尾翼；其余设备均安装于无人机的机舱内，其中红外测温仪、激光测高仪的测量方向向下，无线通信模块的天线向下伸出机舱外；输入设备只有在飞行前和飞行完成后连接于数据采集及控制计算机，用于系统的飞行前设置和飞行后的数据导出。
图2为本发明提供的小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的组成结构示意图，其中，实线代表模拟信号的传输线，虚线表示数字信号的传输。
在本发明中，各个主要传感器均可选用市场销售的主流品牌设备，只要各个传感器的性能保持稳定即可。
其中，所述机载5孔湍流探头、所述热电偶探针和所述温湿传感器均安装于所述固定翼无人机的机鼻位置；具体的，所述机载5孔湍流探头、所述热电偶探针和所述温湿传感器向前平行设置；所述机载5孔湍流探头沿着所述固定翼无人机纵轴安装；所述温湿传感器安装于所述机载5孔湍流探头的左侧；所述热电偶探针位于所述机载5孔湍流探头的右方。
所述快速响应湿度计安装于所述固定翼无人机的机头上方，并向所述机载5孔湍流探头的方向倾斜；
所述净辐射仪和所述光合有效辐射仪安装于所述固定翼无人机的水平尾翼的两侧；
所述红外测温仪和所述激光测高仪安装于所述固定翼无人机的机舱内，并且，所述红外测温仪和所述激光测高仪的测量探头垂直向下；
所述gps辅助惯性导航系统安装于所述固定翼无人机的机舱内，其惯性导航设备安装于固定翼无人机重心处，其gps天线安装于所述固定翼无人机的上表面，并且靠近所述机载5孔湍流探头的区域；
所述无线通信模块、所述输入设备和所述数据采集控制计算机集成安装于所述固定翼无人机的机舱内，并且，所述无线通信模块的发散天线向下伸出机舱外。
所述模拟/数字信号转换器与所述数据采集控制计算机连接，用于将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传递给所述数据采集控制计算机。
所述热电偶探针，用于测量空气温度观测值；具体的，所述热电偶探针，包装在不锈钢保护套内，以不低于20hz的频率测量空气温度观测值；
所述快速响应湿度计，用于测量水汽密度观测值；具体的，快速响应湿度计，采用高灵敏度氪湿度计，以不低于20hz的频率测量水汽密度观测值；
所述温湿传感器，用于测量空气温度观测值和相对湿度rh；具体的，温湿传感器，用于测量空气温度和相对湿度rh，测量频率为1秒；
所述净辐射仪，用于测量天空向下投射于地表和由地表向上反射的全波段辐射量的辐射尽差值net；具体的，净辐射仪，在测量所述辐射尽差值net时，测量频率不低于20hz，测量的光谱响应范围为0.2到100μm；
所述光合有效辐射仪，用于测量太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱范围的辐射量par；具体的，光合有效辐射仪，在测量太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱范围的光合有效辐射量par时，测量频率不低于20hz，测量的光谱响应范围为400到700nm；
所述红外测温仪，用于测量地表温度ts；
所述激光测高仪，用于测量固定翼无人机观测平台与地面之间的相对高度h；
所述gps辅助惯性导航系统，用于测量机载5孔湍流探头相对于地球坐标系统下的姿态角、位置与飞机瞬时对地速度；其中，所述姿态角包括俯仰角θ，横滚角
所述数据采集控制计算机，用于接收、存储各个传感器测量数据，进行各传感器设置，并将各传感器数据采用均值滤波的方式以1秒的时间间隔进行平均，通过无线通量模块发送给地面监控人员；具体的，数据采集控制计算机，安装有固态硬盘(ssd)、操作系统及数据采集软件，用于设备初始化操作、数据采集、传感器状态信息记录、数据滤波操作。
所述输入设备，连接于所述数据采集控制计算机，用于对所述数据采集控制计算机进行系统参数设置及系统调试；
所述无线通信模块，用于向地面监控人员发送低频传感器观测数据，并用于实时监控小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的运行状态。其中，需要地表监控的主要传感器数据包括由5孔湍流探头测量的全压和静压、热电偶探针测量的空气温度、快速响应湿度计测量的水汽浓度和激光测高仪测量的相对高度，这些传感器数据由数据采集及控制计算机采用均值滤波处理为每秒的均值，然后由无线传输模块进行发送。
本发明中，5孔湍流探头通过分布于半球形探头上的5个测压孔以及位于探头侧面管壁上的静压孔来测量气流通过探针时造成的压力差来测量湍流风速及风向，数据采集频率不低于20hz。具体结构如下：
参考图3，所述机载5孔湍流探头，包括分布于半球形探头上的5个测压孔以及位于探头侧面管壁上的静压孔；其中，对于所述5个测压孔，在半球形探头表面按“十”字形状分布，包括位于中心位置的中心压力孔，以及分别位于所述中心压力孔上方、下方、左方和右方的上测压孔、下测压孔、左测压孔和右测压孔；上测压孔、下测压孔、左测压孔、右测压孔与半球形探头中心的连线均与探头中心线夹角为ξ＝45°。其具体测量原理在后面的观测方法中介绍。
在本发明中，所述的轻小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统搭载于固定翼无人机上进行观测，无人机的飞行由自动驾驶仪控制，常规湍流通量观测的飞行高度应在距地面10m至100m范围内的常通量层内，观测时需要保持无人机与地表之间的相对高度的变化在±5m之内，飞机的倾斜角度应在小于20°，飞行速度应在20-33m/s之间，飞机的转弯速度应小于3°/s，廓线观测时飞机爬升速度应小于2m/s。以25m/s的观测速度计算，对湍流的空间分辨率不低于2.5m。
5孔湍流探头通过测量气流通过探头时造成的压力分布差来计算探头坐标系下的三维风速，然后根据由gps/imu输出的姿态与速度信息，通过坐标旋转与平移，可得到地球坐标系统下的三维风速。然后，使用获得的地球坐标系统下的三维风速、高频温度脉动数据和高频水汽浓度脉动数据，基于涡动相关方法原理，某一合理的飞行距离作为平均窗口(空间平均)，采用空间平均的方式得到区域平均的湍流水热通量。本发明具有观测成本低，灵活性和便捷性好等优点，适用于搭载于固定翼无人机上快速的进行区域尺度地表湍流水热通量的直接观测。
下面介绍一种具体的小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的实施例：
1)、5孔湍流探头通过分布于半球形探头上的5个测压孔以及位于探头侧面管壁上的静压孔来测量气流通过探针时造成的压力差来测量湍流风速及风向，为满足对风速高精度、高分辨率地采样，5孔湍流探头的风速测量误差需小于0.1m/s，角度测量误差需小于0.2°，数据采集频率需不低于20hz。可选用美国aeroprobe公司生产的voyager型5孔湍流探头及其电路模块，voyager型5孔湍流测量仪内置有gps/imu模块，可接收外部gps信号，能够同步实现对风速、风向、位置、速度、姿态的测量，可测量±20°范围内的风速攻角和侧滑角，其内置的gps/imu模块的定位精度为水平方向1m、垂直方向2m，姿态测量精度为俯仰角和翻滚角0.3°、航向角1°，速度测量精度为0.05m/s。
2)、热电偶探针需要包装在不锈钢保护套内，以较高的频率测量空气温度脉动值ta(k)，为充分测量空气温度的高频率波动，测量误差需小于0.5℃，数据采集频率需不低于20hz。可选用美国omega公司生产的t型coco-02热电偶，直径0.05mm。
3)、快速响应湿度计采用高灵敏度氪湿度计，以较高的频率测量空气中的水汽浓度ρv(kgm-3)，为充分测量空气湿度的高频率波动，测量误差需小于5％，数据采集频率需不低于20hz。可以采用美国cambell公司生产的型号为kh20的高灵敏度氪湿度计(kryptonhygrometer)。
4)、温湿传感器用于提供高精度的空气温度和相对湿度的测量值，提供高精度的空气温度和相对湿度测量值，对温度的测量误差需小于0.01℃，湿度的测量误差需小于2％，数据采集频率需优于20秒。可采用美国vaisala公司生产的型号为hmp155a型空气温度和相对湿度探头。
5)、净辐射仪和光合有效辐射仪测量大气尽辐射和植物光合作用有效辐射数据，其观测的灵敏度需为10μv/(wm-2)，数据采集频率需不低于20hz。可采用荷兰kipp&zonen公司生产的型号为nrlite2净辐射传感器和美国licor公司生产的型号为li190sb的光量子传感器，nrlite2净辐射传感器的光谱响应范围为0.2到100μm，li190sb光量子传感器的光谱相应范围为400到700nm。
6)、红外测温仪的测量精度需为0.5℃，数据采集频率需不低于20hz。可采用德国heitronics公司生产的kt15.85iip红外测温仪，测量地面发射的红外辐射并将测量值转化为数字信号，从而获得地表温度的测量值，可测量-25℃到200℃的温度变化范围。
7)、激光测高仪的量程需要满足廓线观测的飞行高度，其测量范围需达1000m，测量精度需为1m，数据采集频率不低于20hz。可采用奥地利riegl公司生产的ld90-3300型激光测高仪。
8)、模拟/数字信号转换器可采用美国nationalinstruments公司生产的usb-6211型16路多功能i/o设备，可实现不同通道、采样率、输出速率及其他特性的i/o组合，提供了usb双向高速数据传输。
9)、数据采集控制计算机可采用研华公司的picmg型lga1151嵌入式单板计算机，计算机安装有固态硬盘，采用windows7操作系统，并且计算机上安装的数据采集软件是发明人自主另行设计的。
10)、无线通讯模块可采用加拿大microhard公司生产的p400-840-enc无人机无线数据传输模块，工作频率为845mhz，在空旷环境的传输距离可达80km。
11)、输入设备主要是采用usb接口与嵌入式单板计算机连接的键盘。
在系统进行工作时，5孔湍流探头、热电偶探针、快速响应湿度计、温湿传感器、净辐射仪和光合有效辐射仪采集的模拟信号输入到模拟/数字信号转换器，由模拟/数字信号转换器转换为数字信号后通过串口输入到带有数据采集卡的控制计算机进行保存，红外测温仪、激光测高仪以及5孔湍流探头的gps/imu模块可直接输出数字信号到数据采集卡。控制计算机通过数据采集软件将所有数据保存到固态硬盘中，并将由5孔湍流探头测量的全压(p0)和静压(ps)、热电偶探针测量的空气温度(ta)、快速响应湿度计测量的水汽浓度(ρv)和激光测高仪测量的相对高度(h)数据采用均值滤波输出每秒均值，并通过无线通信模块将数据发送给地面监控接收端，用于实时对系统状态进行监控。
本发明还提供一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统的观测方法，参考图5，在进行完数据采集后，将测量数据从机载的数据采集控制机算计上导出，其中的5孔湍流探测测量数据、热电偶探针数据、快速响应湿度计数据以及gps/imu测试数据用于湍流通量的计算，其他数据可用于后续的分析或其他用途。数据后处理流程如下：
步骤1，固定翼无人机搭载小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统按航线飞行，在飞行过程中，按每隔δt的时间增量采样，对于每个采样点bi，均实时采集到以下观测信息：机载5孔湍流探头相对于地球坐标系下的位置(xi,yi,zi)、机载5孔湍流探头相对于地球坐标系下的速度upi、机载5孔湍流探头相对于地球坐标系下的俯仰角θi，横滚角
步骤2，在固定翼无人机搭载小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统按航线飞行结束后，按采样时间先后顺序，各个采样点形成航线采样初始序列；
步骤3，采用滑动窗口法对所述航线采样初始序列中的各个采样点进行过滤，剔除异常的采样点，并采用线性插值方法对剔除后的采样点进行插补，得到航线采样序列；
具体的，采用滑动窗口法，将滑动窗口内数据波动超过4倍窗口内数据方差的数据点标记为野点，并剔除，随后采用线性插值方法对剔除后的数据进行插补。
步骤4，设定湍流通量计算窗口长度k，例如2km或4km，所述湍流通量计算窗口长度k是指：湍流通量计算窗口内第1个采样点对应的位置与最后一个采样点对应的位置之间的距离；
这里需要说明的是，不同于地表通量塔常采用的30分钟时间间隔计算平均通量值，机载湍流通量的计算是基于空间平均的方式，平均距离(也称窗口长度)的选择与测量区域的地表类型、地表粗糙度、大气稳定度等情况有关，常需要根据具体的观测情况进行设置。
通过所述湍流通量计算窗口长度k，将步骤3得到的所述航线采样序列划分为多个湍流通量计算窗口，对于每个所述湍流通量计算窗口内的采样点，均执行以下步骤：
步骤4.1，假设所述湍流通量计算窗口内共有n个采样点，分别为：b1,b2,...,bn；对于任意的采样点bi，i＝1,2,...,n，基于对应的观测信息，均计算得到地球坐标系(e,n,u)下的三维风速(ui,vi,wi)；其中，e,n,u分别为地球坐标系沿东向、北向和上方向的坐标轴；ui,vi,wi分别为地球坐标系下风速在e,n,u三个方向上的分量值；
本步骤中，参考图3和图4，如图4所示，为5孔湍流探头坐标系与地球坐标系转换的示意图，用于计算地球坐标系统下的三维风速，具有风矢、5孔湍流探头坐标系、地球坐标系。本发明选用的5孔湍流探头的电路部分内置有ps/imu模块，可接收外部gps信号，并通过内置的扩展卡尔曼滤波，直接输出5孔湍流探头在地球坐标系统下的位置、速度和姿态数据，然后获得地球坐标系统下的三维风速。
具体采用以下方式，得到地球坐标系(e,n,u)下的三维风速：
步骤4.1.1，对于机载5孔湍流探头，以中心压力孔为坐标原点，x轴沿探头中心点与中心压力孔连线向外，y轴指向右测压孔方向，z轴垂直向上，由此建立机载5孔探头坐标系(x,y,z)；
步骤4.1.2，对于某个采样点bi，中心压力孔测量得到的中心压力值为p0；
上测压孔测量得到的上测压孔压力值为p1；下测压孔测量得到的下测压孔压力值为p3；左测压孔测量得到的左测压孔压力值为p4；右测压孔测量得到的右测压孔压力值为p2；位于探头侧面管壁上的静压孔测量得到的大气静压为ps；
因此，垂直方向的测压孔测量z轴方向的压力差为δpα＝p1-p3；水平方向的测压孔测量y轴方向的压力差为δpβ＝p2-p4；
步骤4.1.3，通过以下方式计算风速的攻角α和风速的侧滑角β：
步骤4.1.3.1，建立动压公式、攻角公式和侧滑角公式：
动压公式：
其中：pd为动压；
攻角公式：
侧滑角公式：
步骤4.1.3.2，将未知量α和β初始化为0；
步骤4.1.3.3，通过动压公式计算得到pd＝p0-ps；由于p0和ps均为已知值，因此，得到动压pd值；
步骤4.1.3.4，把动压pd值分别代入到攻角公式和侧滑角公式中，求解攻角公式和侧滑角公式，可计算得到攻角α和侧滑角β的值；
步骤4.1.3.5，然后，比较步骤4.1.3.3计算动压值时采用的攻角α与步骤4.1.3.4计算得到的攻角α的偏差是否小于设定阈值，例如，小于0.001°，如果小于，则执行步骤4.1.3.6；如果不小于，则将步骤4.1.3.4计算得到的攻角α和侧滑角β的值代入到步骤4.1.3.3采用的动压公式中，并继续计算新的攻角α和侧滑角β，如此不断反复迭代，直到攻角α的偏差收敛到小于设定阈值为止，再执行步骤4.1.3.6；
步骤4.1.3.6，如此计算得到最终的攻角α、侧滑角β和动压pd；
步骤4.1.4，采用下式计算三维风速量值|ua|：
其中，pd即为步骤4.1.3最终得到的动压pd；
步骤4.1.5，计算机载5孔探头坐标系下的三维风速ua：
其中：ua、va和wa分别为机载5孔探头坐标系下的三维风速在x、y、z方向的分量；
攻角α和侧滑角β即为步骤4.1.3.6得到的值；
步骤4.1.6，将机载5孔探头坐标系下的三维风速ua转换为地球坐标系下的三维风速矢量ui：
转换公式为：
ui＝g[ua+wp×r]+up(21)
其中，ui为地球坐标系下的三维风速矢量；
g为由姿态角度计算的旋转矩阵：
wp为飞机瞬时角速度信息；
r为gps辅助惯性导航系统中心与湍流探头中心孔的距离；
up为湍流探头在地球坐标系下的飞机瞬时对地速度；
wp×r项为机身的杠杆运动对风速测量的影响，r与机载5孔湍流探头安装位置相关。
步骤4.2，地球坐标系下的三维风速的二次旋转：
在地球坐标系(e,n,u)下，首先对三维风速(ui,vi,wi)绕w轴进行第一次坐标旋转，旋转角度为
经过三维风速的二次旋转后，得到处理后的新的三维风速(u_roti,v_roti,w_roti)；
因此，对于湍流通量计算窗口，其任意一个采样点bi，均得到对应的三维风速(u_roti,v_roti,w_roti)；
步骤4.3，分别计算湍流通量计算窗口对应的水平风速空间平均值
其中：
其中：upi为：湍流通量计算窗口中，任意采样点bi的飞机瞬时对地速度；
n为湍流通量计算窗口中的采样点总数量；
t为湍流通量计算窗口对应的采样时间总长值，即：湍流通量计算窗口的最后一个采样点bn对应的采样时间tn，与湍流通量计算窗口的第一个采样点b1对应的采样时间t1的差值；
步骤4.4，分别计算湍流通量计算窗口对应的水汽密度空间平均值
步骤4.5，对于湍流通量计算窗口的每一个采样点bi，均计算得到以下湍流观测量的脉动值：
其中：u_rot'i为水平风速脉动值；
v_rot'i为侧向风速脉动值；
w_rot'i为垂直风速脉动值；
tai'为空气温度脉动值；
ρ'vi为水汽密度脉动值；
步骤4.6，采用下式计算得到该湍流通量计算窗口对应的感热通量h：
采用下式计算得到该湍流通量计算窗口对应的潜热通量le：
采用下式计算得到动量通量τ：
采用下式计算得到摩擦速度u*：
其中：
ρ为空气密度(kgm-3)，cp为空气的定压比热(1012.0j·kg-1·k-1)；λ是水汽的汽化潜热(j·kg-1)；
μ＝md/mv＝1.608，为干空气分子量md与水汽分子量mv之比；
σ为水汽密度(kgm-3)与干空气密度(kgm-3)之比。
在本发明得到感热通量潜热通量、动量通量、摩擦速度后，可应用在生态系统物质与能量循环的定量研究中，并为地球过程系统模型研究提供区域尺度观测真实，用于模型的验证及调参等，应用非常广泛。
需要强调的是，本发明提供的上述小型移动涡动相关湍流水热通量观测方法，在具体实现上，上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：ram、rom、磁碟、磁带、光盘、闪存、u盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。
为方便理解，下面介绍小型移动涡动相关湍流水热通量观测方法的实现系统结构：
采样模块，用于在固定翼无人机搭载小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统按航线飞行时，在飞行过程中，采样模块按每隔δt的时间增量采样；
导入模块，用于在固定翼无人机搭载小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统按航线飞行结束后，将所述采样模块采样到的采样点，按采样时间先后顺序导入到主处理器，各个采样点形成航线采样初始序列；
预处理模块，用于采用滑动窗口法对所述航线采样初始序列中的各个采样点进行过滤，剔除异常的采样点，并采用线性插值方法对剔除后的采样点进行插补，得到航线采样序列；
地球坐标系下的三维风速计算模块，用于根据采样点的值，计算每个采样点对应的地球坐标系(e,n,u)下的三维风速(ui,vi,wi)；
二次旋转模块，用于对地球坐标系下的三维风速进行二次旋转，得到对应的三维风速(u_roti,v_roti,w_roti)；
空间平均值计算模块，用于分别计算湍流通量计算窗口对应的水平风速空间平均值
湍流通量脉动值计算模块，用于计算得到水平风速脉动值、侧向风速脉动值、垂直风速脉动值、空气温度脉动值和水汽密度脉动值；
湍流通量计算窗口对应的水量通量计算模块，用于计算湍流通量计算窗口对应的感热通量、潜热通量、动量通量、摩擦速度值；
湍流通量报告生成模块，用于将感热通量、潜热通量、动量通量、摩擦速度值形成报告，并输出。
本发明提供一种小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统及方法，搭载于固定翼无人机上，用于区域尺度地表湍流水热通量的直接观测，具有观测成本低，便携性、灵活性好的优点。具体优点如下：
(1)本发明所设计的轻小型移动涡动相关湍流水热通量观测系统集成于固定翼无人机上，无人机的飞行由自动驾驶仪控制，常规的湍流通量观测的飞行高度应在距地面10m至100m范围内的常通量层内，观测时需要保持无人机与地表之间的相对高度的变化在±5m之内，飞机的倾斜角度应在小于20°，飞行速度应在20-33m/s之间，飞机的转弯速度应小于3°/s，廓线观测时飞机爬升速度应小于2m/s。以25m/s的观测速度计算，对湍流的空间分辨率不低于2.5m。本发明借助于无人机平台进行涡动相关通量观测，极具灵活性和便捷性，而且观测成本低，可以实现高精度的区域尺度地表湍流水热通量的直接测量。
(2)本发明数据后处理所计算的湍流通量，每个湍流通量观测窗口的通量计算结果可代表的地表范围(也称足迹区域)一般可覆盖数平方公里，且进行一次观测飞行的累积湍流通量观测覆盖范围可达近百平方公里，足以满足中粗分辨率(百米级)遥感影像以及陆面过程模型格网尺度的研究应用。
(3)基于无人机平台搭载的小型移动涡动相关湍流通量观测系统，借助于无人机灵活、低成本、安全性高等优点，开展区域尺度的湍流通量观测对地球系统过程模型的研究具有非常重要的实用价值和科学意义。同时可以进行大气风、温、湿廓线的观测，用于气象等其他领域的研究。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
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