[摘 要] 基于空中风探测原理的不同，主要对气球法测风、风廓线雷达测风和气象无人机测风三种测风方法的探测性能进行了对比分析，得出了三种测风方法各自的优缺点，为根据探测目的的差异，选择相应的探测方法提供了依据。
[关键词] 气球法 风廓线雷达 气象无人机 探测性能 对比分析自18世纪中叶，就有用风筝、载人气球携带仪器进行直接探测高空气象要素的试验；19世纪末，法国、德国、美国发明和改进了探空气象仪；20世纪30年代末，先后研制成了无线电探空仪、无线电经纬仪和测风雷达等；20世纪90年代，气象无人机的研制成功，促进了全天候、全球性、机动性高空气象探测的发展；进入21世纪，由于利用了GPS等新型技术，高空气象探测得到了更加全面快速的发展。
空中风探测是高空气象探测的一项主要内容。空中风探测就是借助仪器对近地面层自由大气中的风场情况进行观察和测定。按探测原理可划分为：气球法测风、风廓线雷达测风和气象无人机测风三种。本文主要对三种测风方法的原理及探测性能进行对比分析，为根据探测目的选择相应的探测方法提供依据。
1、三种探测方法的原理
1.1气球法测风
气球法测风是把气球看作随气流移动的质点，用仪器测量气球相对于观测点的角坐标、斜距或高度，确定它的空间位置和轨迹，根据气球在某时段内位置的变化，就可以简易地算出它的水平位移，从而求出相应大气层中的平均水平风向、风速。在气球的上升过程中，可测得它所经各高度上的风向、风速。
根据跟踪设备的不同，可将气球法测风划分为经纬仪测风、测风雷达测风、GPS测风等。
1.1.1经纬仪测风
经纬仪主要包括光学经纬仪和无线电经纬仪两种。
光学经纬仪测风原理又分为单经纬仪测风和双经纬仪测风两种。单经纬仪只能测定气球的角坐标(方位、仰角)。气球高度一是根据气球升速和升空历经的时间来确定；二是根据无线电探空仪测得的气压、温度和湿度资料，通过计算推出。
无线电经纬仪是利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空发射机信号，测得角坐标数据。气球所在的高度则由无线电探空仪测量的温、压、湿等数值算出。
1.1.2测风雷达测风
测风雷达主要包括一次测风雷达和二次测风雷达两种。
一次测风雷达是雷达跟踪气球携带的无源反射靶，接收反射靶的反射信号来实现定位并计算风向、风速。
二次测风雷达是跟踪气球携带的工作于应答状态的探空发射机信号来实现定位。此法可以获取角坐标和斜距数据，从而计算出空中风，无需依赖无线电探空仪探测的温、压、湿数据计算气球高度。
1.1.3GPS测风
GPS测风是新一代空中风探测系统，它运用GPS定位技术来测量大气风向和风速。
GPS探空测风系统由球载设备和地面接收设备两部分组成。
GPS测风的原理分为测距定位测风和多普勒频移测风两种。
测距定位测风原理：首先测量GPS卫星到接收机的距离，卫星的位置是已知的，可列出方程：
其中t为探空仪从该点运动到相邻点所需的时间。
多普勒频移测风原理：当GPS卫星与GPS接收机之间产生相对运动时，就会产生多普勒频移。当随气球上升的GPS探空仪接收到GPS卫星的载波信号时，依据多普勒频移可求出接收机相对于卫星的速度矢量，只要知道运动物体相对于四颗卫星的多普勒频移，即可知道卫星到运动物体的方向矢量，运动物体的速度可以通过一组线性方程解算出来，如式(1)所示：
式(1)的前三列是卫星位置到GPS探空仪位置之间距离的方向余弦，矢量f包含由GPS探空仪运动产生的卫星载波信号的多普勒频移，矢量v是待解算的速度矢量和时钟误差。
1.2风廓线雷达测风
风廓线雷达是一种晴空测风雷达，在大气中随时存在着各种尺度的湍流，这些随风移动的湍流就是平均风速的示踪物，当雷达发射电磁波波长的1/2与湍流尺度一致时(Bragg条件)将会产生较强的后向散射回波，从而可利用雷达进行探测。风廓线雷达通常由发射机、天馈系统、接收机、信号处理器和定时控制器组成。
风廓线雷达通常采用3波束测风，即天线依次产生指向天顶的波束、偏东波束和偏北波束。
利用多普勒频率分别测出风矢量在上述3个波束上的分量vz、ve、vn，设u、v、w分别为风矢量的南北分量、东西分量和垂直分量，则可得：
1.3气象无人机测风
气象无人机测风原理：测量空速、地速，然后利用空速、地速、风速构成的矢量三角形关系求解风速。气象无人机测风的关键技术分为空速测量和三维风速解算两部分。
空速测量原理：根据测得的静压、动压和温度，应用流体力学原理及联合气象无人机的飞行参数解算得到空速。静压和动压的测量均由安装在气象无人机平台上的皮托-静压管完成，温度传感器可测量出温度。
假设空气为不可压缩的理想流体，依据经典流体力学伯努利方程，可得空速计算公式为：
(3)式中：R为专用气体常数；T为静温；qc=Pt-P，为动压，P为静压。
气象无人机GPS定位给出的飞行参数，可计算出地速Vg。利用GPS与
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