近日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）研究员祁志美团队联合蔡榕领导的浮空器团队，利用自主研发的声学法布里-珀罗谐振式温度传感器，实现在最高海拔5200米条件下，大气温度随海拔变化的实时测量。相关研究成果于2025年2月以“Passive acoustic measurements of air temperature at various altitudes”为题发表在声学领域权威期刊《The Journal of the Acoustical Society of America》第157卷第2期，并被选为封面文章。
高空大气温度的变化对于气象预报、气候变化研究以及大气动力学分析至关重要。准确监测高空气温不仅能提高天气预报的精准度，还能辅助评估极端天气的形成机制。传统的电子温度计不仅易受太阳辐照影响，而且因高海拔空气稀薄，需要较长时间与环境建立热平衡，从而导致实时性较差；红外测温仪虽然无需接触即可测温，但不适合直接测量气体温度。与此相比，声学测温技术可直接探测大气温度，具有高精度、宽量程、抗干扰、极端环境适应性强等优点。现有的声学测温方法需要使用分离的扬声器与麦克风，两者距离需精确控制，增加了维护成本，降低了泛用性。
为应对上述挑战，研究团队提出一种无源声学测温方法。该方法通过声波导与麦克风组合构建声学法布里-珀罗谐振器，利用环境白噪声激励谐振器的各阶谐振模态，通过测量不同模态的谐振频率，以此反演气体温度。该技术已经在室内环境得到充分验证，测量过程无需已知声源，是一种低功耗、非接触式、无源声学快速测温技术。
研究团队在喀什和横店两地多次开展浮空器搭载的空中声学气温测量试验。他们将声学法布里-珀罗谐振式温度传感器挂载于浮空器载荷仓外，在升降和驻留过程中，通过快速探测不同海拔的环境白噪声，确定声学谐振频率与谐振模态阶数的线性曲线斜率，进而求得不同海拔的大气温度。
测试结果显示传感器能够准确测量随高度变化的温度分布，与电子温度计测量结果的差异不超过0.5 ℃。在不同海拔、不同气候条件下进行的多次高空测温比对试验验证了无源声学测温传感器的稳定性和环境适应性。整个设备结构简单，灵敏度高，功耗低（包括无线数据传输 < 2.5W），非常适合作为无人飞行器的探测载荷，用于大气科学研究、环境监测、高空及临近空间探测等领域，为精细化气象监测和高空气象数据获取提供新的技术手段。这种无源声学测温技术还可以与声源定位、声学测风等技术组合，构建多参数高空声学监测网络。
该项研究工作由空天院九室和十部团队联合完成，空天院博士生岳研为第一作者，祁志美为通讯作者，乔涛、王军波、蔡榕等为共作者。研究工作得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金创新研究群体项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1121/10.0035794
图1 声学法布里-珀罗谐振式温度传感器的实测数据及其处理流程
图2 系留气球升降过程中由声学法布里-珀罗谐振式温度传感器测得的气温变化曲线
（a: 2023年8月18日喀什，b：2023年8月19日喀什，c：2024年6月28号横店）
图3 JASA期刊第157卷第2期封面图片
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