CN110887572B - 一种基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特殊的凸台模型，通过风速气象仪和温度采集单元采集相应的温度数据和气象环境数据，从凸台不同表面的温度平衡方程出发构建关于太阳辐照参数的超定方程组，通过求解该超定方程组在l₁范数意义下的最优解得到太阳辐照强度的反演结果，用于支撑海洋环境下舰船红外辐射强度的计算。

Description

一种基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置

技术领域

发明提供了一种凸台模型测量方案，用于太阳辐照强度的反演计算及验证，尤其涉及舰船红外特性的测量。

背景技术

由于海上环境工况变化迅速，太阳辐射强度、风速、风向、环境温度会产生瞬时变化，且舰船在海上航行时会有转向、加减速等操作行为，这些因素会导致舰船表面的温度场处于非稳态的瞬时变化状态，造成舰船红外特性计算出现较大误差。对于风速、风向和环境温度，可通过舰船上的已有仪器和设备较为准确地测量得到，若在船上相应位置安装太阳辐照仪，由于船体的频繁晃动，即使配备高精度的陀螺仪也很难保持辐照仪稳定在同一方向，导致测量结果出现较大偏差。现有技术存在的问题主要可总结为：

1.缺少精确的温控装置对凸台模型表面温度进行控制，测量温度的不准确会给计算结果带来较大误差；

2.试验条件受外界影响较大，试验须在较为空旷无遮挡的空地上进行，同时具备较好光照，持续时间较长。

本发明的技术方案，用于太阳辐照强度的反演计算及验证，为计算舰船红外特性提供支撑。模拟舰船表面的局部特征，测试非稳态表面换热的工况下，外界环境变化对表面温度场变化的影响，通过温度数据反演太阳辐射强度，并将计算结果与测试所得结果进行比较，验证算法的可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一种凸台模型温度测量方案，使用该方案试验数据对太阳辐照进行反演，并与实测结果进行对比，验证反演算法的可行性和精确度，以支撑舰船红外辐射特性的计算。采用以下技术方案：

一种基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置。包括，凸台模型，所述凸台模型为堆叠的立方体，凸台模型具有上凸台和下凸台，上凸台的水平尺寸小于下凸台的水平尺寸；所述凸台装置不同表面设有热电偶作为测点，所述测点位于所处表面的几何中心处，用于模拟舰船表面的局部特征；红外热像仪，配合所述热电偶，用于检测凸台模型在外界对流环境和辐射环境变化下的瞬态温度场；风速仪气象仪和辐射气象仪，用于记录试验过程中的气象环境；还包括，数据采集单元，数据采集单元与所述测点处的热电偶相连，用于记录凸台模型表面温度数据；计算机，与所述红外热像仪通过网线连接，对准凸台模型，用于通过红外软件记录凸台模型的红外辐射图像和温度场变化。

所述堆叠的立方体的个数为2个；所述测点设有13个，布置在所述凸台模型表面。

还提供一种通过所述的凸台装置反演太阳辐照的方法：

第一步，将凸台模型放置于较好光照条件的试验场地，布置好凸台模型各表面测点位置，并与数据采集单元相连；

第二步，架设好红外热像仪并对准凸台模型，通过网线连接热像仪和计算机，用于实时记录凸台模型的红外辐射热像；

第三步，布设风速气象仪和辐射气象仪，记录试验过程中的气象环境变化；

第四步，对于每一个所述凸台模型表面，忽略其相邻面元导热和内部导热，有温度平衡方程：

式中，等号左侧各项依次为面元i接受到的太阳直射辐射得热、太阳散射辐射得热、天空背景辐射得热、对流换热得热及面元对外辐射失热；

如果令未知数分别为x₁,x₂,x₃,上述方程可以表示为：

a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+b＝0

第五步，对上述方程的求解理论上只需要3个独立方程，也即3个测点位置的温度信息即可计算得到求解太阳直射辐射、太阳散射辐射和天空半球辐射3个未知数；

第六步，由于可能存在的个别面元测温不准，直接选择三个面元进行辐射参数反算的风险较高。为此，可选择多个测点组成超定方程组Ax＝y，其中x＝(x₁,x₂,x₃)^T；

第七步，记残差为r(x)＝y-Ax，目的是找到向量x，在l₁范数的意义下，使得泛函f₁(x)＝||y-Ax||₁的值最小；

第八步，将残差分为两部分r₁(x)＝y₁-A₁x＝0和r₂(x)＝y₂-A₂x≠0，求解上述超定方程组的具体步骤如下：

步骤1：选取x的任一初始值，计算残差向量r(x)＝y-Ax；

步骤2：如果残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤3：选取向量Δ使得A₁Δ＝0，求解优化问题

得到步长ε⁰，其中e_m表示除第m个元素外其余元素均为0的单位向量，令x＝x+ε⁰Δ并计算新的残差向量；

步骤4：如果新的残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤5：记

如果||c||_∞＞1，不妨设其第n₁个分量绝对值大于1，求解优化问题

得到步长α⁰，令

转到步骤2；如果||c||_∞≤1，则x为超定方程组最优解。

本发明方案的技术效果：

1.利用凸台模型同时搜集多组测点的温度数据，确保数据的真实可靠。

2.利用温度平衡方程对凸台模型表面温度场进行建模，得到多个测量点满足的平衡方程，用于反演计算太阳辐射信息。

3.有效解决舰船上太阳辐照仪部署困难和测量不准的问题。

4.在求解超定方程组时，利用l₁范数进行计算可有效避免温度测量数据存在“坏点”的情况，提高反演计算的可靠性。

附图说明

图1为凸台试验模型三维模型图。

图2为辐照试验环境示意图。

图2中，1为凸台模型，2为风速气象仪，3为辐射气象仪，4为数据采集单元，5为红外热像仪，6为红外热像仪，7为计算机，8为计算机。

图3为凸台模型表面四个测点布置的俯视图。

图3中，9为测点1,10为测点2,11为测点3,12为测点4

图4辐照测量流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细论述。

本发明的凸台模型测量方案需要采取两种数据，一是实时检测凸台模型在外界对流环境和辐射环境变化下的瞬态温度场，这部分主要由热电偶配合热成像仪完成；二是检测试验过程中的气象属性变化，如太阳和环境的辐射强度、风速、风向、空气温度等，这一部分由风速仪气象仪和辐射气象仪配合完成。试验场地设置在较为空旷无遮挡的空地上，在上午9：30 到下午3：30均能接受较好的光照，试验场地和试验器材如图2所示。

为了更好、更全面的捕捉凸台模型每个面在试验过程中的瞬态温度变化，整个模型表面共有13个测点，每个测点对应一个热电偶测温通道。热电偶放置在模型表面。下凸台上表面的测点分别在位于上、下、左、右处，分别编号分别为①、②、③、④，具体位置按照图3标注所示，其余测点位置均设置于所凸台表面中心处。

本试验需要改变外部环境的状态进行对海面上的实际工况进行模拟，可以分为控制辐射(模拟太阳辐射)以及模拟不同风速的两种因素来改变模型表面换热状态，并对表面的瞬态温度场进行测定和记录。

使模型暴露在阳光辐射下一段时间直到热点偶测得温度基本达到稳定。待温度稳定后将模型旋转180°切换阴阳面，记录之后30分钟内13个测点温度的变化。待所有测点温度稳定后，再次讲模型旋转180°切换阴阳面，记录测点温度在之后30分钟内的温度变化曲线。试验过程中每隔五分钟测量一组测量风速和气温，作为算法计算换热系数的输入条件。试验一共进行两天，一天三组，分别选取一天中不同时刻太阳辐射作为外部温度条件。需要得到的试验数据有：

1.切换阴阳面后30分钟内13个测点的温度变化值；

2.试验时间内的环境风速、风向、空气温度、太阳和环境辐射大小。

3.切换阴阳面后每个侧面的红外温度场。

对于每一个面元，忽略其相邻面元导热和内部导热，有温度平衡方程：

式中，等号左侧各项依次为面元i接受到的太阳直射辐射得热、太阳散射辐射得热、天空背景辐射得热、对流换热得热及面元对外辐射失热。

如果令未知数分别为x₁,x₂,x₃,上述方程可以表示为：

a_lx₁+a₂x₂+a₃x₃+b＝0

对上述方程的求解理论上只需要3个独立方程，也即3个测点位置的温度信息即可计算得到求解太阳直射辐射、太阳散射辐射和天空半球辐射3 个未知数。

由于可能存在的个别面元测温不准，直接选择三个面元进行辐射参数反算的风险较高。为此，可选择多个测点组成超定方程组Ax＝y，其中 x＝(x₁,x₂,x₃)^T。

记残差为r(x)＝y-Ax，目的是找到向量x，在l₁范数的意义下，使得泛函f₁(x)＝||y-Ax||₁的值最小。

将残差分为两部分r₁(x)＝y₁-A₁x＝0和r₂(x)＝y₂-A₂x≠0，求解超定方程组的具体步骤如下：

步骤1：选取x的任一初始值，计算残差向量r(x)＝y-Ax；

步骤2：如果残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤3：选取向量Δ使得A₁Δ＝0，求解优化问题

得到步长ε⁰，其中e_m表示除第m个元素外其余元素均为0的单位向量，令x＝x+ε⁰Δ并计算新的残差向量；

步骤4：如果新的残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤5：记

如果||c||_∞＞1，不妨设其第n₁个分量绝对值大于1，求解优化问题

得到步长α⁰，令

转到步骤2；如果||c||_∞≤1，则x为超定方程组最优解。

Claims (4)

1.一种基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置，包括：

-凸台模型，所述凸台模型为堆叠的立方体，凸台模型具有上凸台和下凸台，上凸台的水平尺寸小于下凸台的水平尺寸；所述凸台装置不同表面设有热电偶作为测点，所述测点位于所处表面的几何中心处，用于模拟舰船表面的局部特征；

-红外热像仪，配合所述热电偶，用于检测凸台模型在外界对流环境和辐射环境变化下的瞬态温度场；

-风速仪气象仪和辐射气象仪，用于记录试验过程中的气象环境；

还包括：

-数据采集单元，数据采集单元与所述测点处的热电偶相连，用于记录凸台模型表面温度数据；

-计算机，与所述红外热像仪通过网线连接，对准凸台模型，用于通过红外软件记录凸台模型的红外辐射图像和温度场变化；

其特征在于，反演所述太阳辐照的步骤是：

第一步，将凸台模型放置于具备光照条件的试验场地，布置好凸台模型各表面测点位置，并与数据采集单元相连；

第二步，架设好红外热像仪并对准凸台模型，通过网线连接红外热像仪和计算机，用于实时记录凸台模型的红外辐射热像；

第三步，布设风速气象仪和辐射气象仪，记录试验过程中的气象环境变化；

第四步，对于每一个所述凸台模型表面，忽略其相邻面元导热和内部导热，有温度平衡方程：

式中，等号左侧各项依次为面元i接受到的太阳直射辐射得热、太阳散射辐射得热、天空背景辐射得热、对流换热得热及面元对外辐射失热；

如果令未知数分别为x₁，x₂，x₃，上述方程可以表示为：a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+b＝0；

第五步，对上述方程的求解理论上只需要3个独立方程，也即3个测点位置的温度信息即可计算得到求解太阳直射辐射、太阳散射辐射和天空半球辐射3个未知数；

第六步，由于可能存在的个别面元测温不准，直接选择三个面元进行辐射参数反算的风险较高，为此，可选择多个测点组成超定方程组Ax＝y，其中x＝(x₁，x₂，x₃)^T；

第七步，记残差为r(x)＝y-Ax，目的是找到向量x，在l₁范数的意义下，使得泛函f₁(x)＝||y-Ax||₁的值最小；

第八步，将残差分为两部分r₁(x)＝y₁-A₁x＝0和r₂(x)＝y₂-A₂x≠0，求解上述超定方程组的具体步骤如下：

步骤1：选取x的任一初始值，计算残差向量r(x)＝y-Ax；

步骤2：如果残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤3：选取向量Δ使得A₁Δ＝0，求解优化问题

得到步长ε⁰，其中e_m表示除第m个元素外其余元素均为0的单位向量，令x＝x+ε⁰Δ并计算新的残差向量；

步骤4：如果新的残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤5：记

如果||c||_∞＞1，不妨设其第n₁个分量绝对值大于1，求解优化问题

得到步长α⁰，令

转到步骤2；如果||c||_∞≤1，则x为超定方程组最优解。

2.根据权利要求1所述的基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置，其特征在于，所述立方体的堆叠个数为2个。

3.根据权利要求1所述的基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置，其特征在于，所述测点设有13个，测点布置在所述凸台模型不同表面。

4.一种通过权利要求1所述的凸台装置反演太阳辐照的方法，其特征在于：

第一步，将凸台模型放置于具备光照条件的试验场地，布置好凸台模型各表面测点位置，并与数据采集单元相连；

第二步，架设好红外热像仪并对准凸台模型，通过网线连接热像仪和计算机，用于实时记录凸台模型的红外辐射热像；

第三步，布设风速气象仪和辐射气象仪，记录试验过程中的气象环境变化；

第四步，对于每一个所述凸台模型表面，忽略其相邻面元导热和内部导热，有温度平衡方程：

式中，等号左侧各项依次为面元i接受到的太阳直射辐射得热、太阳散射辐射得热、天空背景辐射得热、对流换热得热及面元对外辐射失热；

如果令未知数分别为x₁，x₂，x₃，上述方程可以表示为：a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+b＝0；

第五步，对上述方程的求解理论上只需要3个独立方程，也即3个测点位置的温度信息即可计算得到求解太阳直射辐射、太阳散射辐射和天空半球辐射3个未知数；

第六步，由于可能存在的个别面元测温不准，直接选择三个面元进行辐射参数反算的风险较高，为此，可选择多个测点组成超定方程组Ax＝y，其中x＝(x₁，x₂，x₃)^T；

第七步，记残差为r(x)＝y-Ax，目的是找到向量x，在l₁范数的意义下，使得泛函f₁(x)＝||y-Ax||₁的值最小；

第八步，将残差分为两部分r₁(x)＝y₁-A₁x＝0和r₂(x)＝y₂-A₂x≠0，求解上述超定方程组的具体步骤如下：

步骤1：选取x的任一初始值，计算残差向量r(x)＝y-Ax；

步骤2：如果残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤3：选取向量Δ使得A₁Δ＝0，求解优化问题

得到步长ε⁰，其中e_m表示除第m个元素外其余元素均为0的单位向量，令x＝x+ε⁰Δ并计算新的残差向量；

步骤4：如果新的残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤5：记

如果||c||_∞＞1，不妨设其第n₁个分量绝对值大于1，求解优化问题

得到步长α⁰，令

转到步骤2；如果||c||_∞≤1，则x为超定方程组最优解。

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