低频雷达物位计

【时 间】2021年9月【地 点】山东.青岛【应用现场】某医药化工生产企业反应釜液位测量。【主要产品】东润80G雷达【现场工况】01反应釜液位测量02高转速搅拌，可达120r/min03150°高温04多泡沫，厚度1米左右，高时可达2米。05强腐蚀【应用效果】替换了进口雷达，在现场恶劣工况下，雷达测量准确、回波曲线信号良好，得到客户好评。东润80G雷达安装现场现场回波曲线图东润80G雷达工作频率更高，波长更短，故尤其适合固体应用，通过透镜发射接收电磁波的工作方式，在高粉尘，恶劣温度环境下具有独特的优势。产品量程可以达120m, 盲区最小做到8cm，仪表提供法兰或者螺纹的固定方式，安装便捷简易。批量走货质感精良 包装细致 多工况 多参数方案可选 01穿透性强雷达天线发射超高频雷达信号（76~81GHz），信噪比更高，几乎不受物位波动影响；能有效测量反射性比较小的物料，介电常数较小的油、粉料等也可以完美测量；02计量级精度：测量精度可达±1mm03盲区小：盲区小于5cm04波束角小---3° 能量更聚焦，适用于狭长的安装空间，不受虚假回波干扰；可成功避开搅拌、加热盘管等，实现准确测量；即使量程高达100m，信号也不会衰减太多。05抗干扰性强 更高的信噪比，使得雷达测量几乎不受物位波动影响；天线采用PTFE材质，能有效防腐、防挂料；穿透性更强，当测量罐/仓内有粉尘、蒸汽凝结、附着物等，雷达波可穿透，直达物位表面。06支持算法升级 支持远程调试与远程升级，基于特有的软件算法，根据现场测量工况，对雷达物位计进行调试或升级，以满足现场应用要求，减少等待时间，提高工作效率。

2021年以来沙尘天气频发，我国西北、华北地区遭遇了多次大范围沙尘天气过程，其中4月中旬的沙尘天气甚至跨越长江，影响到江南地区。沙尘天气的爆发致使传输路径上的多数城市AQI持续爆表，对人们的生活产生不利影响。如何实现对沙尘天气的提前感知和预警预报，每一次沙尘天气在国内的传输和扩散轨迹如何？作为区域沙尘天气立体观测“侦察兵”，中科光电激光雷达组网记录了每一次沙尘天气在全国的传输轨迹 。让我们跟随“侦察兵”的报告，对今年的主要沙尘天气进行回顾和盘点。1月10日-15日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图1 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图1月10日-13日，河西地区多次出现短时沙尘传输过程。1月10日，沙尘气溶胶分布高度随传输过程逐渐扩大至2km，粒子形态偏不规则型，沙尘传输速度在45km/h左右。1月11日-13日，沙尘团为近地面传输，沙尘气溶胶多集聚1km内，河西西部地区主要为非球形粗粒子，河西东部地区球形细粒子占主导地位，沙尘团在阿克塞-玉门一带传输速度在20km/h左右，玉门-武威一带传输速度显著增大至49km/h左右。1月13日午后至14日，各地沙尘强度较高，沙尘团分布在2km高度内，粒子形态高度不规则，沙尘传输速度在45km/h左右。华东区域（江苏、浙江） 图2 华东地区雷达组网各站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图1月12日0时起，江苏北部和南部、浙江中部和南部先后监测到2.0km高度有沙尘传输并逐渐下沉至地面，沙尘平均移动速度约为38km/h。江苏北部0.8km高度内以球形粒子为主，1.0km高度左右以非球形粗粒子为主；江苏南部、浙江中部、南部以非球形粗粒子为主。3月15日-19日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图3 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图3月15日-18日，受蒙古强沙尘暴污染传输影响，甘肃省自西向东出现强沙尘天气，沙尘传输速率在玉门-武威一带达100km/h左右，武威-临夏一线传输速率明显减弱至20km/h左右，沙尘团主势力集聚1km内，各激光雷达500m内消光系数均突破阈值1km-1，多站点甚至高达4km-1，退偏振比接近阈值0.4，规则细粒子和不规则粒子占比较高，PM2.5和PM10均达到严重污染水平；期间仍有外源沙尘间歇性输送，致使各地沙尘污染反复。3月19日，各地出现短时雨雪天气，沙尘污染逐渐消散。4月12日-19日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图4 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图4月12日和4月15日，甘肃全省监测到两次沙尘天气，沙尘主势力集中在1km内，气溶胶形态偏不规则粗粒子型，12日沙尘传输速率在12-15km/h左右，15日沙尘传输速率显著增强至100-120km/h。13日出现降水过程，污染快速消散；但16日扩散条件较差，导致浮尘天气持续。 华东区域（江苏、上海、浙江） 图5 华东地区雷达组网各站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图4月16日4时起，江苏南部、上海中部、浙江中部和南部依次监测到污染气团并逐渐影响地面，沙尘平均移动速度约为42km/h。其中江苏南部、上海中部近地面先受到规则细粒子污染，随后转为不规则粗粒子污染。浙江中部及南部近地面以不规则的粗粒子为主，尤其浙江南部的粗粒子极不规则，退偏比达到0.4以上。4月25日-26日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图6 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图4月25日-26日，受强冷空气活动影响，甘肃省自河西东部向南部地区相继监测到强沙尘输入，1km内规则细粒子含量骤增，同时粒子不规则度明显增大，沙尘传输速率为20km/h。26日各地细粒子污染逐渐降低，但粒子不规则程度依然较高。5月4日-8日沙尘过程分析 西北区域（甘肃） 图7 甘肃沙尘立体监测网部分雷达站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图5月5-7日，甘肃省监测到两次间歇性短时沙尘过程，其中5日沙尘范围较大，沙尘传输速率达80km/h左右，沙尘团高度在传输过程中逐渐降低至1.5km，主要为非球形粗粒子。7日沙尘范围集中在中部地区，沙尘传输速率达50km/h左右，沙尘团多分布在500m高度内，球形粒子含量较高，午后各地沙尘污染逐渐消散。 华东区域（江苏、上海、浙江） 图8 华东地区雷达组网各站点消光系数(左)和退偏振比(右)反演图5月5日0时起，江苏北部和南部、上海中部、浙江中部先后在1.5km高度监测到污染气团传输并于5时左右下沉至地面，沙尘平均移动速度约为171km/h。其中江苏北部和南部以球形粒子为主，上海中部、浙江中部以非球形粗粒子为主。7日3时起，江苏北部和南部、浙江中部在2.0-3.0km高度内监测到沙尘团，其中江苏北部球形粒子含量较高，但0.4km高度以下主要为非球形粗粒子。总 结激光雷达组网发挥其全面监控每次沙尘过程的空间分布、传输特征、气溶胶特性等的优势，实现对污染传输过程的精细立体监测，同时对污染传输情况进行提前预判，为研究区域污染物的累积与输送提供有力的技术手段，并对区域的大气污染联防联控提供有效支持。2021年以来，全国共经历6次大范围的强沙尘传输过程。甘肃省沙尘传输路径主要为北路和西北路，当出现沙尘暴天气时，影响范围较广，气溶胶粒子多集聚在500m高度内，主要为规则球形粒子（不规则粗粒子不利于远距离传输），传输速率与天气形势相关；当出现强沙尘天气时，气溶胶粒子多分布在1km高度内，沙源地周边城市主要为不规则粗粒子，其余城市球形粒子和不规则粗粒子占比相当，甚至球形粒子占主导；沙尘污染较强时，影响范围缩小，气溶胶粒子多分布在2km高度内，主要为不规则粗粒子。华东地区则均受到北部沙尘传输贡献，其中1月和4月沙尘平均移速相当，5月沙尘平均移速最快。沙尘传输高度基本在2km以内，且逐渐下沉，最终造成地面监测数据（主要是粗颗粒物数据）升高；污染气团多以不规则粗粒子为主，但在部分地区、部分时段以规则细粒子为主；沙尘影响时间均超过3天。

p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 据国外媒体报道，火星极地冰盖底部存在液态水的假说于30多年前首次提出，之后的争论一直没有决定性的结果。无线电回声探测（radio echo sounding，RES）是很适合用来解决这一争论的技术，因为低频率雷达被广泛用于探测陆地极地冰盖底部的液态水，效果也很成功。冰与水之间，或冰与水饱和沉积物之间的界面，能够产生明亮的雷达发射。火星快车号（Mars Express）探测器上的火星亚表面和电离层探测高新雷达（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS）正是用于进行RES实验的设备。MARSIS已经在火星亚表面进行了超过12年的调查，搜寻液态水的证据。有报道显示，在靠近南极层状沉积（South Polar Layered Deposits，SPLD），即火星南极冰盖最厚部分的区域具有强烈的基底回波。这些特征被解释为，由于雷达信号通过非常冷的纯水冰层传播，因而衰减可以忽略不计。在南极层状沉积的其他区域因此也探测到反常的明亮反射。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/fe5efc18-11dc-4cf6-9b1b-26bf19a199e2.jpg" title=" sinaa.png" / & nbsp MARSIS采集的雷达数据 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 在地球上，对极地冰盖上收集的雷达数据的解释通常基于定性（基岩形态）和定量（反射雷达的峰值功率）分析的结合。MARSIS的设计，尤其是其非常大的足迹范围（约3到5千米），无法提供很高的空间分辨率，极大限制了它通过基底地形识别冰下是否存在水体的能力。因此，对极地沉积底部液态水的精确探测要求定量估算基底物质的相对介电常数（以下称为介电常数），该数值决定了雷达回波的强度。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 在2012年5月29日至2015年12月27日间，MARSIS调查了火星南极高原一处宽200千米的区域，中心位于193° E， 81° S，与之前一项研究的区域基本对应。无论是从火星轨道激光测高仪（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）的地形数据，还是在现有的轨道图像中，这片区域都没有展现出任何异常的特征。这里地形平坦，由水冰和含量10%到20%的尘埃组成，并且季节性地覆盖一层厚度不超过1米的干冰。火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）上的浅地层雷达对该区域进行了更高频率的雷达观测，揭示了SPLD中几乎没有任何内部分层，并且未检测到任何基底回波，与北极层状沉积和SPLD其他区域的观测结果形成鲜明对比。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/bf3e2987-e9bc-448a-954b-b5b3fef73243.jpg" title=" sinab.png" / & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 基底地形和反射回波功率 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 通过发射以3和4MHz或4和5MHz为中心的紧密间隔无线电脉冲，利用机载未处理数据模式获得了总共29个雷达剖面图。观测是在探测器位于火星夜面时进行的，以最大限度地减少信号的电离层散射。图2A显示了在该区域收集的一张MARSIS雷达图，图中尖锐的表面反射之后，是由SPLD内层间界面产生的若干次反射。这些回波中最后一个代表了富含冰的SPLD与底层物质（以下称为基底物质）之间的反射。在大多数调查区域，基底反射微弱且分散，但在某些位置，基底反射却非常锐利，并且具有比周围区域和表面更大的强度（明亮的反射）（图2B）。在多个轨道的观测重叠的情况下，以相同频率采集的表面和亚表面回波功率具有一致的数值。 /p p style=" text-align: justify " 表面和基底回波之间的双向脉冲传播时间可用于估计亚表面反射体的深度，并绘制基底地形图。假设SPLD内的平均信号速度为170m/μs，接近在水冰中的传播速度，那基底反射体的深度就大约是表面以下1.5千米。MARSIS大范围的足迹和基底回波在明亮反射体外部扩散的属性阻止了基底地形的细节重建，但是可以识别出一条从西向东的区域斜坡（图3A）。明亮反射体集中的亚表面区域在地形上是平，而且被较高的地面包围，除了在其东侧存在一个凹陷。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 介电常数可以提供对基底物质组成的约束，原则上可以从SPLD底部反射信号的功率中获取。遗憾的是，我们并不知道MARSIS天线的辐射功率，因为它无法在地面上校准（这得归咎于仪器的大尺寸），因此反射回波的强度只能根据相对量来衡量。通常是将亚表面的回波强度归一化为表面值，也就是计算基底和表面回波功率的比率。这种方法的优点还在于补偿信号的电离层衰减。按照这种方法，我们将亚表面回波功率归一化为沿各个轨道计算的地面功率的中值；我们发现，在给定频率下，所有归一化剖面产生了一致的基底回波功率值（图S3）。图3B显示了归一化后基底回波功率的区域图；在所有交叉轨道上，明亮反射体都位于193° E， 81° S附近，勾画出了一个定义明确、宽20千米的亚表面异常。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/bc0feb22-cc22-4162-8613-2c33e2b82141.jpg" title=" sinac.png" / & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 介电常数模拟和获取结果 br/ /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 为了计算基底的介电常数，我们还需要有关SPLD介电特性——取决于沉积物的组成和温度——的信息。由于水冰和尘埃的确切比例未知，又由于表面和SPLD底部之间的热梯度受到很大限制，因此我们探索了这些参数的可能取值范围，并计算了相应的介电常数范围。我们做出了以下通用假设：1）SPLD由水冰和尘埃（含量从2%到20%不等）混合组成；2）SPLD内部的温度剖面是线性的，从表面的固定温度（160K）开始，上升到SPLD底部的可变温度（170K到270K）。通过考虑平面波与一个三层结构的正常撞击来计算各种电磁场景，三层结构分别是：具有自由空间介电常数的半无限层；代表SPLD的均匀层；以及代表SPLD下方物质，具有可变介电常数值的另一个半无限层。该计算输出的是一个包含一系列曲线的包络，这些曲线将归一化的基底回波功率与基底物质的介电常数联系起来（图4A）。这一包络通过对每个允许的介电常数值与归一化基底回波功率值的概率分布值进行加权，从而确定基底介电常数（包括明亮区域的内外）的分布（图4B）。该过程产生了两个基底介电常数的独特分布，估计位于明亮反射区域的内部和外部（图4C和图S4），其在3、4和5MHz的中值分别是30 ± 3、33 ± 1和22 ± 1，以及9.9 ± 0.5、7.5± 0.1和6.7 ± 0.1。明亮区域外部的基底介电常数在4到15之间，是典型的干燥陆地火山岩。这也与SPLD基底物质之前的预估值（7.5到8.5），以及火星中纬度表面致密干燥火成岩的雷达表面回波功率值一致。与此相反的是，此前在火星上并没有观察到像明亮区域内这么高的介电常数值。在地球上，大于15的介电常数值很少与干燥物质联系在一起。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 采集于南极和格陵兰的RES数据显示，大于15的介电常数值可以用来指示极地沉积下方存在液态水。基于地球和火星在物理现象上的明显类比，我们可以推断，从SPLD下方明亮区域中获得的高介电常数值（部分）是水饱和物质和/或液态水层造成的。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 我们分析了SPLD下方明亮区域的其他可能解释。例如位于SPLD顶部或底部的干冰层，或者整个SPLD中水冰的极低温度，与表面反射相比，这些都可能增强基底回波功率。我们否定了这些解释，有的因为需要非常具体且不大可能的物理条件，有的则是因为它们不足以导致强烈的基底反射（图S5和S6）。尽管SPLD底部的压力和温度与液态二氧化碳的存在可以相容，但它的相对介电常数（约为1.6）要比液态水（约为80）低很多，因此不能产生明亮的反射。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 此前有研究利用凤凰号着陆器的湿化学实验室（Wet Chemistry Lab）发现，火星北部平原土壤中含有大量的镁、钙和高氯酸盐，支持了极地沉积底部液态水的存在。高氯酸盐可以通过不同的物理和/或化学机制形成，并且已经在火星的不同区域被发现。因此，可以合理地假设它们也存在于SPLD的底部。由于极地沉积底部的温度估计约为205K，又由于高氯酸盐能强烈抑制水的冰点（镁和钙的高氯酸盐能使水的冰点分别降至204K和198K），因此我们认为，在极地沉积底部有可能存在一层高氯酸盐水。这层盐水可以和基底土壤混合，形成污泥，或者位于基底物质上方，形成局部盐水池。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 此前在火星冰川下方的雷达探测中，液态水证据的缺乏已经被用来支持这样的假说，即火星极地冰盖对基底融化而言太薄了，一些作者声称液态水可能位于比以往认为的更深的位置。MARSIS的数据显示，在相对较浅的深度（约1.5千米），液态水也可能稳定地存在于SPLD下方，从而约束了火星水圈的模型。SPLD的原始数据覆盖范围十分有限（只占南极高原面积的几个百分点），加上融水区域的面积需要足够大（直径数千米，厚度几十厘米）才能被MARSIS探测到，从而限制了识别小型液态水体及其之间是否存在液态连接的可能性。因此，没有理由认定火星亚表面水体的存在只局限于某一区域。 /p p br/ /p