CN110243730B - 用于测量雪面雪粒径的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于测量雪面雪粒径的测量装置和测量方法。测量装置包括底部形成有用于检测待测雪面的检测窗口的积分球、用于发射光线的发光模块、用于接收从待测雪面反射的光线并将光线的强度信号转换为电压信号的光电模块、检测积分球的环境温度的温感模块、以及控制器。控制器包括控制单元和计算单元，计算单元配置为获取电压信号的输出电压并根据温度补偿算法和环境温度对输出电压进行温度补偿，并进一步根据补偿后的电压值计算待测雪面的反射率及雪粒径。本发明的测量装置通过光电手段及温度补偿算法测量雪面反射率并进一步结合雪密度计算雪粒径，可提高测量结果的精度和一致性，并显著提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及雪面特性检测领域，特别是涉及一种通过光电手段测量雪面雪粒径的测量装置及测量方法。
背景技术
雪面的高反照率和低的热传导率在全球气候系统中扮演了重要的角色。雪粒径是雪的光学等效直径，其中，雪粒径参数是雪的一个非常重要的微结构参数，其直接影响到可见光、近红外和微波波段的反照率和吸收率。同时，雪粒径参数也影响到不同雪层的机械性能，因此，准确掌握雪面和雪层的雪粒径至关重要。
目前常用的测量雪粒径的方法主要是通过摄像的方式进行，即拍摄雪面和雪层的图像，通过与标准尺子比较从而得出雪粒径。这种方式具有测试时间长、人为因素影响大的缺点，因此迫切需要一种可以快速测量雪粒径的方案。
发明内容
本发明第一方面的一个目的是要提供一种可快速测量雪粒径的测量装置。
本发明第一方面的一个进一步的目的是要提高雪粒径的精度。
本发明第一方面的一个目的是要提供一种可快速测量雪粒径的测量方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量雪面雪粒径的测量装置，包括：
积分球，其底部形成有检测窗口，用于检测待测雪面；
发光模块，配置为发射光线；
光电模块，配置为接收从所述待测雪面反射的光线，并将光线的强度信号转换为电压信号；以及
控制器，包括控制单元和计算单元，所述计算单元配置为获取所述电压信号的输出电压并根据所述输出电压计算所述待测雪面的反射率，并进一步根据预置的雪密度计算所述待测雪面的雪粒径；且所述测量装置还包括：
温感模块，配置为检测所述积分球的环境温度T(t)；其中
所述计算单元还配置为根据温度补偿算法和所述环境温度T(t)对所述输出电压进行温度补偿，并根据补偿后的电压值计算所述反射率。
可选地，所述积分球为内壁涂有白色漫反射材料的球缺。
可选地，所述积分球的顶部开设有进光孔，所述发光模块设置在所述进光孔内；
所述积分球的侧部开设有接收孔，所述光电模块设置在所述接收孔内。
可选地，所述测量装置还包括：
遮光栅，设置于所述进光孔的下方，以防止所述发光模块发射的光线直射所述待测雪面。
可选地，所述发光模块配置为发射近红外光线，且该近红外光线的波长为895nm～1005nm；和/或
所述光电模块的光谱响应范围为320nm～1100nm。
可选地，所述控制器还包括：
显示单元，配置为获取并显示所述反射率和雪粒径；和/或
存储单元，配置为存储所述反射率和雪粒径；和/或
通讯单元，配置为将所述反射率和雪粒径传输至终端设备。
可选地，所述温度补偿算法包括：
当所述环境温度T(t)不变时，
f(t)＝f(T(t))；
当所述环境温度T(t)单调增大时，
当所述环境温度T(t)单调降低时，
其中，f(t)为补偿温度迟滞后的电压；n为环境温度序列；αk，βk分别表示温度序列中各序列的最大值和最小值；f(αk，βk)为温度从αk下降到βk时光电模块的输出电压；f(αk，βk-1)是温度从αk下降到βk-1时光电模块的输出电压；f(T(t))为环境温度为T(t)时光电模块的输出电压；f(T(t)，βn)为温度从T(t)下降到βn时光电模块的输出电压；f(αn，T(t))为温度从αn下降到T(t)时光电模块的输出电压；f(αn，βn-1)为温度从αn下降到βn-1时光电模块的输出电压。
可选地，所述反射率的计算公式为：
Y＝b0+b1x+b2x2+…+bnxn
其中，Y为所述待测雪面的反射率；x为温度补偿后的电压值f(t)；b0，b1，…，bn是与x无关的参数，通过所述测量装置测量多个在所述发光模块的中心波长下反射率已知的标准板的反射率获得。
可选地，所述温感模块的数量为两个，分别设置在所述积分球的顶部和侧部；且
所述环境温度T(t)为两个所述温感模块的感测温度的平均值。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量雪面雪粒径的测量方法，包括：
控制发光模块发射光线，控制光电模块接收从待测雪面反射的光线并将光线的强度信号转换为电压信号；
获取所述电压信号的输出电压，并根据温度补偿算法和环境温度T(t)对所述输出电压进行温度补偿；
获取温度补偿后的电压值，并根据该电压值计算待测雪面的反射率，并进一步根据预置的雪密度计算待测雪面的雪粒径。
本发明的测量装置通过光电手段测量雪面反射率并进一步结合雪密度计算雪粒径，相比于现有技术，可提高测量结果的精度和一致性，并显著提高了效率。
进一步地，本申请的发明人创造性地认识到，当环境温度发生变化时，测量值会出现波动并导致测量结果不准确。并基于Preisach模型并借助非线性逆模、前馈控制抵消迟滞效应模型设计出适用于雪面雪密度测量的温度补偿算法，可实现对温度的精确补偿，实现高精度检测。
进一步地，本发明采用最小二乘曲线拟合法对反射率进行非线性补偿，相比于神经网络法、模糊控制法、线性回归法等，可简化算法、降低计算量，并具有较高的补偿精度。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的测量装置的示意性结构图；
图2是图1所示测量装置的测控及信号处理电路图；
图3是测量装置的环境温度与输出电压的关系曲线图；
图4是根据本发明一个实施例的用于测量雪面雪粒径的测量方法流程图；
图5是由温度最大值降低至温度最小值的测试曲线图；
图6是根据本发明一个实施例的获取各环境温度下的输出电压的方法流程图；
图7是利用插值法确定未知点输出电压的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的采用温度补偿算法计算补偿后的电压值的方法流程图；
图9是补偿后的电压值与反射率的关系曲线图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的测量装置的示意性结构图；图2是图1所示测量装置的测控及信号处理电路图。参见图1和图2，测量装置可包括检测器10、控制器20、连接检测器10和控制器20的连接电缆30、以及为控制器20及检测器10供电的供电模块40，通过使检测器10和控制器20相互独立，可降低对雪面平整度的要求，进而降低现场检测的难度。
具体地，检测器10可包括积分球11、发光模块13、和光电模块14。
积分球11的底部可形成有检测窗口。检测前，先将检测窗口置于待测雪面50上，以再后续步骤中检测待测雪面50的相关参数。
在一些实施例中，积分球11可为内壁涂有白色漫反射材料的球缺。积分球11的高度可大于等于积分球11的半径。
发光模块13可配置为发射光线，该光线先经积分球11的散射作用照射在待测雪面50上，再经待测雪面50反射、以及积分球11的漫射作用变为光强均匀的反射光后，被光电模块14接收并将光线强度信号转换为电压信号。
控制器20可包括按键23、控制单元21、存储单元25、计算单元22、显示单元24和通讯单元26。
计算单元22可配置为获取电压信号并根据电压信号的输出电压计算待测雪面50的反射率，并进一步根据雪密度计算待测雪面50的雪粒径。
雪密度可预先存储在存储单元25中。进一步地，存储单元25还可配置为存储计算单元22计算出的待测雪面50的反射率和雪粒径。
显示单元24可配置为获取并显示待测雪面50的反射率和雪粒径、以及积分球11的温度、数据存储的个数等信息。
通讯单元26可配置为将待测雪面50的反射率和雪粒径传输至终端设备。通讯单元26可为蓝牙或USB接口。
按键23可配置为获取用户输入的启停、显示、存储等指令。
控制单元21可配置为获取用户指令，并根据该指令控制发光模块13、光电模块14、计算单元22、显示单元24等执行相应动作。
在一些实施例中，积分球11的顶部可开设有进光孔，发光模块13可设置在进光孔内。积分球11的侧部可开设有接收孔，光电模块14可设置在接收孔内。
发光模块13和光电模块14可通过胶接的方式固定在对应的孔内。
发光模块13可配置为发射近红外光线，且该近红外光线的中心波长可为950nm，光谱宽度Δλ为55nm，以减小雪面杂质和灰尘对反射率的影响。
光电模块14的峰值灵敏度波长可为950nm，光谱响应范围可为320nm～1100nm，以降低光电模块14的温度系数，进而降低温度对测量结果的影响。
发光模块13可为红外发光二极管。光电模块14可包括光电二极管和串联在光电二极管输出端的转换电路板，以将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号，并提高装置的抗干扰能力。
在一些实施例中，检测器10还可包括遮光栅12。遮光栅12可设置于进光孔的下方，以防止发光模块13发射的光线直射待测雪面50。
在一些实施例中，为了便于现场操作，测量装置还可包括一外壁设置有电缆连接器16的铝制外壳，检测器10和控制器20分别设置在外壳的内侧和外侧。发光模块13、光电模块14和温感模块15可设置为与连接器16电连接。连接电缆30可设置为连接控制器20和连接器16。
测量装置在上电后会导致元器件发热，而且，当测量装置从室内拿到室外进行测量时，因为要测量的是雪面，所以环境温度相比室内要低很多，这样会导致测量仪元器件的温度降低。图3是测量装置的环境温度与输出电压的关系曲线图。参见图3，当元器件的温度发生变化时，其本身的特性就相应发生改变，这样导致对同一雪面进行测量时，即使雪面的反射率没有发生变化，测量仪的测量值也会发生明显的变化，使测量结果不稳定、不准确。此外，当环境温度发生波动时，温度对测量结果的影响具有很大的滞后性，很难通过线性补偿消除影响。
特别地，检测器10还可包括温感模块15，用于检测积分球11的环境温度T(t)。计算单元22还可配置为根据温度补偿算法和环境温度T(t)对输出电压进行温度补偿。
图4是根据本发明一个实施例的用于测量雪面雪粒径的测量方法流程图。参见图4，本发明的用于测量雪面雪粒径的测量方法可以包括如下步骤：
步骤S402：控制发光模块13发射光线，控制光电模块14接收从待测雪面50反射的光线并将光线的强度信号转换为电压信号。
步骤S404：获取电压信号的输出电压，并根据温度补偿算法和环境温度T(t)对输出电压进行温度补偿。
步骤S406：获取温度补偿后的电压值，并根据该电压值计算待测雪面50的反射率，并进一步根据预置的雪密度计算待测雪面50的雪粒径。
在一些实施例中，温感模块15的数量可为两个，分别设置在积分球11的顶部和侧部。环境温度T(t)可为两个温感模块15的感测温度的平均值，以提高环境温度的精确度。
进一步地，本申请的发明人创造性地基于Preisach模型并借助非线性逆模、前馈控制抵消迟滞效应模型设计出适用于雪面雪密度测量的温度补偿算法，可实现对温度的精确补偿，实现高精度检测。
经典Preisach模型数学表达式为：
f(t)＝∫∫α≥βμ(α，β)γαβ(T(t))dαdβ (1)
其中，f(t)为系统输出，即补偿后的电压值；μ(α，β)是关于α，β的分布函数，也称权重函数；α，β为基本磁滞单元的输入上、下阈值；γαβ(T(t))为基本磁滞算子，T(t)为系统输入，在本系统中为环境温度。
为了实现雪面反射率的实时检测，需要采用数值方法对Preisach模型进行离散化分析建模。
当环境温度T(t)不变时，系统输出为：
f(t)＝f(T(t)) (2)
当环境温度T(t)单调增大时，系统输出为：
当环境温度T(t)单调降低时，系统输出为：
其中，f(t)为补偿温度迟滞后的电压；n为环境温度序列；αk，βk分别表示温度序列中各序列的最大值和最小值；f(αk，βk)为温度从αk下降到βk时光电模块的输出电压；f(αk，βk-1)是温度从αk下降到βk-1时光电模块的输出电压；f(T(t))为环境温度为T(t)时光电模块的输出电压；f(T(t)，βn)为温度从T(t)下降到βn时光电模块的输出电压；f(αn，T(t))为温度从αn下降到T(t)时光电模块的输出电压；f(αn，βn-1)为温度从αn下降到βn-1时光电模块的输出电压。
为了应用Preisach模型补偿温度迟滞非线性的影响，首先要获取各环境温度下的输出电压f(αk，βk)的数值。
图5是由温度最大值Tn降低至温度最小值T0的测试曲线图。参见图5和图5，记录由最大值Tn降低至最小值T0的所有等分点的输出f(αn，βn-k)(k＝0…n)，以此类推，便可得到一个各环境温度下的输出电压f(αk，βk)网格。其中，T0可为-40℃，Tn可为30℃。
具体地，图6是根据本发明一个实施例的获取各环境温度下的输出电压的方法流程图。参见图6，本发明的获取各环境温度下的输出电压的方法可以包括如下步骤，其中，环境温度的调节通过将测量装置置于温控箱中，调节温控箱的温度来实现：
步骤S602：获取测试温度最小值T0和最大值Tn、以及测试总次数n，并初始化测试序列k＝1。在该步骤中，n可大于等于10。
步骤S604：将温控箱的温度保持在T0，获取并记录T0时光电模块14的输出电压f(α0，β0)。
步骤S606：将温控箱的温度由T0升高到Tk并保持该温度，获取并记录Tk时光电模块14的输出电压f(αk，βk)。在该步骤中，Tk＝T0+k·(Tn-T0)/n。
步骤S608：将温控箱的温度由Tk降低到T0，获取并记录降温过程每一等分点光电模块14的输出电压f(αk，βk-1)，，，f(αk，β1)，f(αk，β0)。
步骤S610：将测试序列k的数值增加1。
步骤S612：判断测试序列k是否大于测试总次数n。若是，测试结束；若否，执行步骤S606。
对于不在网格上的未知点，可通过插值法从已知采样点机端未知点的电压值。图7是利用插值法确定未知点输出电压的示意图。参见图7，将未知点与所在区域的各顶点连线，根据连线分割后的各子区域面积确定未知点的数值。
例如，当未知点位于矩形中时，系统输出为：
f(t)＝[S4*f(α5，β2)+S3*f(α5，β3)+S2*f(α4，β2)+S1*f(α4，β3)]/S (5)
其中，S1,S2,S3,S4是被分割的小矩形面积；S＝S1+S2+S3+S4。
同理，可计算出当未知点位于三角形中时的系统输出。
在获得各环境温度下的输出电压f(αk，βk)的数值后，可将该数值存储在存储单元25中。在实际测量时，通过查表法获得相应数值。
图8是根据本发明一个实施例的采用温度补偿算法计算补偿后的电压值的方法流程图。参见图8，
步骤S802：采集初始温度值T(0)。
步骤S804：预设时间t后，采集当前温度值T(t)。
步骤S806：判断当前温度值T(t)是否等于初始温度值T(0)。若是，执行步骤S808；若否，执行步骤S810。
步骤S808：根据公式(2)计算补偿后的电压值。返回步骤S804。
步骤S810：判断当前温度值T(t)是否大于初始温度值T(0)。若是，执行步骤S812；若否，执行步骤S814。
步骤S812：根据公式(3)计算补偿后的电压值。运行步骤S816。
步骤S814：根据公式(4)计算补偿后的电压值。运行步骤S816。
步骤S816：将当前温度值T(t)赋值给初始温度值T(0)。返回步骤S804。
图9是补偿后的电压值与反射率的关系曲线图。参见图9，在雪粒径测量过程中，除了雪面反射的光线外，光电模块14也会接收到经积分球11散射但未被雪面反射的光线，因此在实际测量过程中，雪面的反射率与输出电压之间不是严格的线性关系，存在非线性误差。
本发明采用最小二乘曲线拟合法对反射率进行非线性补偿，相比于神经网络法、模糊控制法、线性回归法等，可简化算法、降低计算量，并具有较高的补偿精度。
具体地，经补偿后的反射率的计算公式为：
Y＝b0+b1x+b2x2+…+bnxn (6)
其中，Y为所述待测雪面的反射率；x为温度补偿后的电压值f(t)；b0，b1，…，bn是与x无关的参数，通过所述测量装置测量多个在所述发光模块的中心波长下反射率已知的标准板的反射率获得。
在一些实施例中，x可为根据图8实施例计算得出的多个补偿后的电压值的平均值。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (9)
1.一种用于测量雪面雪粒径的测量装置，包括：
积分球，其底部形成有检测窗口，用于检测待测雪面；
发光模块，配置为发射光线；
光电模块，配置为接收从所述待测雪面反射的光线，并将光线的强度信号转换为电压信号；
控制器，包括控制单元和计算单元，所述计算单元配置为获取所述电压信号的输出电压并根据所述输出电压计算所述待测雪面的反射率，并进一步根据预置的雪密度计算所述待测雪面的雪粒径；以及
温感模块，配置为检测所述积分球的环境温度T(t)；其中
所述计算单元还配置为根据温度补偿算法和所述环境温度T(t)对所述输出电压进行温度补偿，并根据补偿后的电压值计算所述反射率；且所述温度补偿算法包括：
当所述环境温度T(t)不变时，
f(t)＝f(T(t))；
当所述环境温度T(t)单调增大时，
当所述环境温度T(t)单调降低时，
其中，f(t)为补偿温度迟滞后的电压；n为环境温度序列；αk，βk分别表示温度序列中各序列的最大值和最小值；f(αk，βk)为温度从αk下降到βk时光电模块的输出电压；f(αk，βk-1)是温度从αk下降到βk-1时光电模块的输出电压；f(T(t))为环境温度为T(t)时光电模块的输出电压；f(T(t)，βn)为温度从T(t)下降到βn时光电模块的输出电压；f(αn，T(t))为温度从αn下降到T(t)时光电模块的输出电压；f(αn，βn-1)为温度从αn下降到βn-1时光电模块的输出电压。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中
所述积分球为内壁涂有白色漫反射材料的球缺。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其中
所述积分球的顶部开设有进光孔，所述发光模块设置在所述进光孔内；
所述积分球的侧部开设有接收孔，所述光电模块设置在所述接收孔内。
4.根据权利要求3所述的测量装置，还包括：
遮光栅，设置于所述进光孔的下方，以防止所述发光模块发射的光线直射所述待测雪面。
5.根据权利要求1或3所述的测量装置，其中
所述发光模块配置为发射近红外光线，且该近红外光线的波长为895nm～1005nm；和/或
所述光电模块的光谱响应范围为320nm～1100nm。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述控制器还包括：
显示单元，配置为获取并显示所述反射率和雪粒径；和/或
存储单元，配置为存储所述反射率和雪粒径；和/或
通讯单元，配置为将所述反射率和雪粒径传输至终端设备。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述反射率的计算公式为：
Y＝b0+b1x+b2x2+…+bnxn
其中，Y为所述待测雪面的反射率；x为温度补偿后的电压值f(t)；b0，b1，…，bn是与x无关的参数，通过所述测量装置测量多个在所述发光模块的中心波长下反射率已知的标准板的反射率获得。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其中
所述温感模块的数量为两个，分别设置在所述积分球的顶部和侧部；且
所述环境温度T(t)为两个所述温感模块的感测温度的平均值。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的测量装置的用于测量雪面雪粒径的测量方法，包括：
控制发光模块发射光线，控制光电模块接收从待测雪面反射的光线并将光线的强度信号转换为电压信号；
获取所述电压信号的输出电压，并根据温度补偿算法和环境温度T(t)对所述输出电压进行温度补偿；
获取温度补偿后的电压值，并根据该电压值计算待测雪面的反射率，并进一步根据预置的雪密度计算待测雪面的雪粒径。
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2019
- 2019-06-04 CN CN201910483042.8A patent/CN110243730B/zh active Active
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Also Published As
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