本發(fā)明屬于探空濕度測量技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種探空濕度測量太陽輻射誤差修正方法及裝置。
背景技術(shù):
近年來,全球范圍內(nèi)的自然災(zāi)害頻發(fā)。氣象災(zāi)害在給我國造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時,給人民生活和健康也帶來了嚴(yán)重的威脅。鑒于這些惡劣的天氣和氣候的發(fā)生與高空濕度密切關(guān)聯(lián),因而高空濕度的精確測量對于提高數(shù)值天氣預(yù)報、氣候診斷預(yù)測、大氣環(huán)境監(jiān)測以及氣象災(zāi)害預(yù)警與減災(zāi)的能力均具有重要意義。
目前高空濕度探測主要利用無線探空儀實現(xiàn),其濕度測量誤差源自諸多因素,傳感器本身的電氣性能易受高空溫度環(huán)境影響,且影響過程復(fù)雜,而標(biāo)定過程、操作流程、測量時間常數(shù)和相關(guān)算法修正等都會對其產(chǎn)生測量誤差。值得注意的是,一個較為嚴(yán)重的偏干誤差——太陽輻射偏干誤差卻常被忽略,這一誤差普遍存在于世界多種型號探空儀的濕度測量中,包括芬蘭vaisala公司的rs80、rs92,中國的gts1探空儀等。
占我國探空站使用75%的gts1探空儀,雖然濕度傳感器上帶有防護(hù)罩,其能夠起到防雨和一定防輻射功能,但是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),濕度測量仍存在較大太陽輻射誤差,有必要對其進(jìn)行太陽輻射誤差修正,且對gts1探空濕度歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽輻射誤差修正,可保持濕度測量數(shù)據(jù)的一致性,有助于對氣候等現(xiàn)象的研究。目前市面上關(guān)于探空濕度測量太陽輻射誤差的研究中,大多是進(jìn)行實驗比較,很少給出具體解決方案。申請?zhí)枮?01611076267.4的專利,給出了一種可消除太陽輻射誤差的方法,從濕度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計出發(fā),雖然可以解決太陽輻射誤差的問題,但是不能對市面上已經(jīng)存在的探空儀上的濕度傳感器的太陽輻射誤差進(jìn)行修正,更不能對濕度歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。本發(fā)明可對市面上任何一款探空儀的濕度測量實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的太陽輻射誤差進(jìn)行修正,對探空濕度測量輻射誤差修正的研究具有重要意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種探空濕度測量太陽輻射誤差修正方法及裝置,修正了太陽輻射對探空濕度測量帶來的偏干誤差,提高了濕度測量的精確性。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種探空濕度測量太陽輻射誤差修正裝置,該裝置包括上位機(jī)、微處理器模塊、電源模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊;
所述微處理器模塊與電源模塊、液晶顯示模塊連接,所述上位機(jī)通過所述串口通信模塊與所述微處理器模塊相連;所述微處理器模塊還連接有g(shù)ts1通信接口,所述電源模塊為上述各個模塊供電。
作為優(yōu)選,所述的微處理器模塊選用stm32f407型號的單片機(jī)。
作為優(yōu)選,所述的液晶顯示模塊選用lcd12864型號。
作為優(yōu)選,所述的串口通信模塊選用rs232芯片。
作為優(yōu)選,所述的電源模塊選用7133穩(wěn)壓芯片。
一種采用上述裝置的探空濕度測量太陽輻射誤差修正方法,該方法為:1.通過流體動力學(xué)軟件模擬仿真濕度傳感器在探空測量時由于太陽輻射引起的溫度誤差(傳感器上的溫度與環(huán)境實際溫度的差),并通過設(shè)置不同太陽高度角、不同太陽輻射量、不同大氣壓強(qiáng)而獲得溫度誤差的數(shù)據(jù)樣本;2.通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型,對溫度誤差數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行擬合,獲得小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和伸縮平移尺度因子;3.通過得到的權(quán)值與伸縮平移尺度因子形成表達(dá)式,結(jié)合探空儀所在空間的大氣壓強(qiáng)、太陽高度角、太陽輻射量進(jìn)行對濕度傳感器上溫度誤差的預(yù)測;4.通過探空儀上溫度測量值(環(huán)境溫度)、溫度誤差預(yù)測值以及飽和水汽壓公式推導(dǎo)出當(dāng)前濕度測量的相對誤差,對當(dāng)前濕度測量值進(jìn)行太陽輻射誤差修正。
具體包括以下步驟:
步驟1.太陽高度角選取7.5°-90°,太陽輻射量選取500w/m2-1400w/m2,將探空高度通過氣壓值分為1000hpa-100hpa與100hpa-10hpa兩段,其中1000hpa-100hpa以100hpa為遞減間隔,100hpa-10hpa主要以10hpa為遞減量,為了能夠更好地反應(yīng)數(shù)據(jù)變化趨勢,在20hpa-10hpa之間增加了樣本點;
步驟2.根據(jù)遺傳算法的原理優(yōu)化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的權(quán)值wjk和wij、伸縮平移尺度因子a、b,具體如下:
a.設(shè)定染色體個體數(shù)目為40個,最大遺傳代數(shù)為50;
b.通過遺傳算法對權(quán)值、伸縮平移尺度因子進(jìn)行初始化;
c.保存優(yōu)化后的權(quán)值與伸縮平移尺度因子;
步驟3.對訓(xùn)練樣本中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,將數(shù)據(jù)映射到[0,1]范圍內(nèi),對每一組樣本中的每個變量都要進(jìn)行歸一化,具體算法如下:
pn=(p-pmin)/(pmax-pmin)
式中,p是所采集的一組數(shù)據(jù),pmin、pmax分別為數(shù)據(jù)中的最小值和最大值,pn是映射后的數(shù)據(jù);
步驟4.建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,設(shè)定3個輸入層神經(jīng)元,分別為大氣壓強(qiáng)p、太陽高度角a和太陽輻射量r,輸出層神經(jīng)元為溫度誤差值δt,隱含層神經(jīng)元為9個;其中,隱含層節(jié)點激勵函數(shù)選取小波基函數(shù)
小波網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為wjk和wij,伸縮平移尺度因子為a、b;其中,k為輸入層節(jié)點數(shù),k=1,2,3;j為隱含層節(jié)點數(shù),j=1,2,…,9;i為輸出層節(jié)點數(shù),i=1;
步驟5.通過各層之間的激活函數(shù)與得到的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值生成擬合函數(shù)表達(dá)式,在單片機(jī)中進(jìn)行對溫度誤差值δt的預(yù)測,從而得到濕度傳感器在太陽輻射下溫度t1=t0+δt,t0為溫度傳感器溫度值。
步驟6.通過公式求出濕度相對誤差er:
其中,e1(t1)為濕度傳感器周圍溫度t1下的飽和水氣壓值,e0(t0)為環(huán)境溫度t0下的飽和水氣壓值。最后再有公式求出修正后的相對濕度rhc:
最終將修正后的相對濕度值通過單片機(jī)輸出到顯示模塊。
有益效果:
本發(fā)明探空濕度測量太陽輻射誤差的修正方法和裝置,通過流體動力學(xué)軟件模擬仿真探空濕度傳感器上的太陽輻射溫度誤差,并通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)測模型,最后將算法移植到單片機(jī),結(jié)合飽和水汽壓公式對探空儀濕度測量的太陽輻射誤差進(jìn)行修正。與現(xiàn)有方法和技術(shù)相比,具有以下進(jìn)步:
1.采用流體動力學(xué)方法模擬仿真探空濕度傳感器上由于太陽輻射引起的溫度升高誤差,相比實驗比較法,節(jié)省了大量的人力和財力;
2.濕度傳感器由太陽輻射引起的溫度誤差與諸多因素有關(guān),采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)測模型,省時省力;
3.該發(fā)明相比其他方法和技術(shù),可針對市面上已經(jīng)存在的探空儀濕度測量的太陽輻射誤差進(jìn)行修正,避免探空儀的更新?lián)Q代,方便快捷;
4.可對探空濕度的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽輻射誤差修正,保證濕度測量數(shù)據(jù)的一致性。
綜上,本發(fā)明可方便快捷地對探空儀濕度測量的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽輻射誤差進(jìn)行修正,提高探空濕度測量的精度和保持探空濕度測量的一致性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖;
圖2是小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖;
圖3是本發(fā)明方法流程圖;
圖4是濕度廓線修正前后對比圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
如圖1所示,一種探空濕度測量太陽輻射誤差修正裝置,該裝置包括上位機(jī)、微處理器模塊、電源模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊;
所述微處理器模塊與電源模塊、液晶顯示模塊連接,所述上位機(jī)通過所述串口通信模塊與所述微處理器模塊相連;所述微處理器模塊還連接有g(shù)ts1通信接口,所述電源模塊為上述各個模塊供電。
所述的微處理器模塊選用stm32f407型號的單片機(jī)。所述的液晶顯示模塊選用lcd12864型號。所述的串口通信模塊選用rs232芯片。所述的電源模塊選用7133穩(wěn)壓芯片。
如圖3所示,一種使用上述裝置的探空濕度測量太陽輻射誤差修正方法,讀取探空儀中溫度傳感器溫度值t0(忽略溫度傳感器的太陽輻射誤差,由于其對濕度誤差的計算影響較小),濕度傳感器的測量值rh1;利用流體動力學(xué)方法模擬仿真濕度傳感器由于太陽輻射導(dǎo)致的溫度升溫δt,而其值受到濕度傳感器所處位置的太陽高度角、太陽輻射量與氣壓值的影響;通過流體動力學(xué)方法獲得不同太陽高度角、不同太陽輻射量、不同氣壓值下的δt樣本值,采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理獲得δt的預(yù)測模型,然后結(jié)合飽和水氣壓公式對濕度測量的太陽輻射誤差進(jìn)行修正。
具體包括以下步驟:
步驟1.太陽高度角選取7.5°-90°,太陽輻射量選取500w/m2-1400w/m2,將探空高度通過氣壓值分為1000hpa-100hpa與100hpa-10hpa兩段,其中1000hpa-100hpa以100hpa為遞減間隔,100hpa-10hpa主要以10hpa為遞減量,為了能夠更好地反應(yīng)數(shù)據(jù)變化趨勢,在20hpa-10hpa之間增加了樣本點;
步驟2.初始化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù),根據(jù)遺傳算法的原理優(yōu)化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的權(quán)值wjk和wij、伸縮平移尺度因子a和b,具體如下:
a.設(shè)定染色體個體數(shù)目為40個,最大遺傳代數(shù)為50;
b.通過遺傳算法對權(quán)值、伸縮平移尺度因子進(jìn)行初始化;
c.保存優(yōu)化后的權(quán)值與伸縮平移尺度因子。
步驟3.對訓(xùn)練樣本中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,將數(shù)據(jù)映射到[0,1]范圍內(nèi),對每一組樣本中的每個變量都要進(jìn)行歸一化,具體算法如下:
pn=(p-pmin)/(pmax-pmin)
式中,p是所采集的一組數(shù)據(jù),pmin、pmax分別為數(shù)據(jù)中的最小值和最大值,pn是映射后的數(shù)據(jù);
步驟4.如圖2所示,建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,設(shè)定輸入層神經(jīng)元為3個,分別為大氣壓強(qiáng)、太陽高度角和太陽輻射量,輸出層神經(jīng)元為溫度差值,隱含層神經(jīng)元為9個;其中,隱含層節(jié)點激勵函數(shù)選取小波基函數(shù)
其中:
小波網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為wjk和wij,伸縮平移尺度因子為a,b;其中,k為輸入層節(jié)點數(shù),k=1,2,3;j為隱含層節(jié)點數(shù),j=1,2,…,9;i為輸出層節(jié)點數(shù),i=1;
步驟5.設(shè)定訓(xùn)練周期為500次,對小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;
步驟6.通過各層之間的激活函數(shù)與得到的遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳權(quán)值和伸縮平移尺度因子生成擬合函數(shù)表達(dá)式:
式中,xk(k=1,2,3)分別為氣壓值p、太陽高度角a、太陽輻射量r。
步驟7.單片機(jī)通過通信接口接收來自gts1探空儀發(fā)來的氣壓值p、太陽高度角a、太陽輻射量r與外部溫度t0,并通過表達(dá)式計算得到δt。
步驟8.通過公式求出濕度相對誤差er:
其中,e1(t1)為濕度傳感器周圍溫度t1下的飽和水氣壓值,e0(t0)為環(huán)境溫度t0下的飽和水氣壓值。最后再有公式求出修正后的相對濕度rhc:
最終將修正后的相對濕度通過微處理器驅(qū)動顯示模塊進(jìn)行顯示。
下面結(jié)合實例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:
由流體動力學(xué)軟件模擬仿真的數(shù)據(jù)樣本,第一段氣壓值為1000hpa、900hpa、800hpa、700hpa、600hpa、500hpa、400hpa、300hpa、200hpa、1000hpa時,太陽高度角分別為7.5°、17.5°、27.5°、32.5°、37.5°、42.5°、52.5°、62.5°、72.5°、82.5°、90°,太陽輻射量分別為500w/m2、600w/m2、700w/m2、800w/m2、900w/m2、1000w/m2、1100w/m2、1200w/m2、1300w/m2、1400w/m2,由此在上位機(jī)中得到的最佳遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與伸縮平移尺度因子如下:
第二段氣壓值為100hpa、90hpa、80hpa、70hpa、60hpa、50hpa、40hpa、30hpa、20hpa、15hpa、12.5hpa、11hpa、10hpa、時,太陽高度角分別為7.5°、17.5°、27.5°、32.5°、37.5°、42.5°、52.5°、62.5°、72.5°、82.5°、90°,太陽輻射量分別為500w/m2、600w/m2、700w/m2、800w/m2、900w/m2、1000w/m2、1100w/m2、1200w/m2、1300w/m2、1400w/m2,由此在上位機(jī)中得出的最佳遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與伸縮平移尺度因子如下:
然后由stm32f407單片機(jī)通過公式:
得到δt進(jìn)而得到t1及對應(yīng)的e1(t1),同時通過gts1通信接口讀取t0并獲得e0(t0),再由公式:
計算出濕度相對誤差,進(jìn)而,再讀取濕度傳感器相對濕度值rh1(t1),并計算出修正后的相對濕度值:
濕度廓線修正前后對比圖如圖4,最后通過單片機(jī)口輸出到顯示模塊lcd12864中以顯示。
當(dāng)然,以上只是本發(fā)明的典型實例,除此之外,本發(fā)明還可以有其它多種具體實施方式,凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案,均落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。