[科普中国]-通量数据采集

在利用涡度相关法进行连续观测时，为了连续地记录和保存测定仪器输出的信号，需要数据采集装置。数据采集装置，一般来说有使用电脑的方法、使用商用的数据记录器(data-logger)的方法或者采用两者并用的方法。究竟哪种方法适合，需要依各自的观测现场状况而定。所谓的现场状况是指可利用电源的种类(交流、直流)和容量、数据回收的频率和方法、数据所需要的记忆容量、是否利用电话网线和LAN等的通信功能等。另外，作为用于确定数据采集装置的规格所需的信息，需要了解测定仪器的信号输出是模拟输出还是数字输出，采样频率和数据的分辨率，输出信号的范围(幅度)等。此外，为了稳定连续地进行数据采集，对停电对策、噪声对策、故障发生的应急方法等都应事先给予充分的考虑。

简介在利用涡度相关法进行连续观测时，为了连续地记录和保存测定仪器输出的信号，需要数据采集装置。数据采集装置，一般来说有使用电脑的方法、使用商用的数据记录器(data-logger)的方法或者采用两者并用的方法。究竟哪种方法适合，需要依各自的观测现场状况而定。所谓的现场状况是指可利用电源的种类(交流、直流)和容量、数据回收的频率和方法、数据所需要的记忆容量、是否利用电话网线和LAN等的通信功能等。另外，作为用于确定数据采集装置的规格所需的信息，需要了解测定仪器的信号输出是模拟输出还是数字输出，采样频率和数据的分辨率，输出信号的范围(幅度)等。此外，为了稳定连续地进行数据采集，对停电对策、噪声对策、故障发生的应急方法等都应事先给予充分的考虑。1

数据采集装置的种类最近许多观测仪器上都备有模拟输出和数字输出两种选择，可以将单一信号或两种信号送到数据采集装置中。采集测定仪器的数字信号输出时，将普通的测定仪器与电脑的R5232串行输出通道连接，将数字输出数据转送到计算机加以记录即可。如果只使用一台超声风速计测定就可以使用这种方法，当使用多个测定仪器时，需要保证使多个输出信号能同时输出。最近商用的超声风速计和红外分析仪，都具有将自身输出信号与其他测量仪器的输出信号一起以数字信号方式输出的功能。采集仪器数宇输出方法的优点是，即使信号电缆线再长，其信号也比噪声强。

在采集模拟输出信号时，被广泛用于涡度相关法连续测定通量的仪器主要包括超声风速计和红外气体分析仪等。从这类仪器输出的多数是模拟电压(电流)信号，输入到A/D转换器后，将所有信号同时变换成数字信号，再加以记录。这种方法大体可以分成如下3种，即：使用电脑内置型或外置型的A/D转换器的方法；使用商用的高速数据记录器的方法；并用电脑与数据记录器的方法。1

采样频率采样频率的确定取决于采集高频率脉动的类型。一般要采集到频率为f的信息，需要2f的采样频率。测定的高度越低，需要采样的频率就越大(高频)。由此可见，测定高度高的森林比测定高度低的草地需更低的采样频率。实际上，测定高度超过20 m时，一般用的采样频率为5～10 Hz，高度在2～5m时，采样频率为10～20 Hz。利用比较高的采样频率，可以防止高频部分的缺失，但被采集的数据量会增多。在长期无人观测时，为了控制被采集的数据量，希望尽可能降低采样频率。在这种情况下，可以采用测定最初以比较高的采样频率进行预备观测，根据风速和稳定度，确定波谱变化范围后，再适当降低采样频率的策略。1

观测的分辨率将模拟信号转换成数字信号时，需要事先考虑取得的所有信号的测定精度和测定范围，研究A/D转换器需要的分辨率。例如，假设利用超声风速计测定气温时，要想把±50℃的温度范围用±1 V的电压范围测定，再使用12 bit的A/D转换器时，则2V/211=0.000 977 V，即0.0488℃为温度的分辨率(将1 bit用于符号)。但是实际的分辨率会被转换器自身的温度变化和噪声所影响，以选择比说明书上标准的分辨率降低1～2 bit为妥。一般来说多数情况下需要12 bit以上的分辨率，而且尽可能使用16 bit的分辨率。1

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学