CN112857582A - 一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，包括如下过程：气象水文传感器单元自动检测周围环境数据，并上传给主控系统并传输给岸站接收端；岸站接收端进行自校准条件判断，当符合校准条件时，开始自校准工作；通过加热装置和制冷装置分别对高温黑体腔和低温黑体腔进行温度控制，通过铂电阻温度传感器分别测量三个黑体腔内部的真实温度值，同时，红外测温传感器分别测量三个黑体腔内部温度值，然后通过数据拟合，调整红外测温传感器之前的参数值，将得到的新参数替换之前的参数并保存；本发明所公开的自校准方法可自行判断周围环境是否适合校准，并且校准更准确，更具时效性。

Description

一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法

技术领域

本发明涉及海洋环境监测技术领域，特别涉及一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法。

背景技术

现代海洋领域，要求掌握海洋环境的大量数据，因此对海洋观测技术提出了越来越多的要求。随着海洋观测新发展，很多研究机构越来越多关注于海水皮温的观测。现阶段，测量海水皮温的方法主要有接触式和非接触式两种。通过非接触式红外传感器测量海水皮温，优点是结构简单，测量的数值准确客观，维护便利。

以往的海水皮温测量主要是通过红外传感器采集数据上传至数据采集单元，但红外传感器长时间受到海上温度盐度光照等因素的影响，所得数据会逐渐的产生一定漂移和误差。针对这一难题也有相关带有一定自校准的红外测温系统被开发出来。然而海上天气复杂多变，阳光(大气辐射)过于强烈，大气中的水汽浓度过高，海浪导致浮标平台剧烈摇摆等情况并不适合进行自校准；连续的阴雨天导致浮标平台电压电力较低，此时如果强行校准会影响浮标整体电力储备。

常见的校准标准文件过于频繁的自校准对黑体和红外探头的准确度、性能和寿命也会产生影响。因此需要设计一种在长期无人值守的海洋浮标平台，它可以智能通过自身搭载的各类气象水文传感器来分析判断周边环境，合理进行自校准的红外测温系统和方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，以达到可自行判断周围环境是否适合校准，并且校准更准确，更具时效性的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，采用一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准系统，该系统包括位于浮标平台上的主控系统、电力系统、红外测温传感器自校准单元、气象水文传感器单元和通信系统，所述主控系统接收红外测温传感器自校准单元和气象水文传感器单元的信号，并通过通信系统与岸站接收端通信，所述电力系统为上述单元提供电力支持；所述红外测温传感器自校准单元包括位于红外测温传感器周围的至少三个黑体腔，所述黑体腔的腔口均朝向红外测温传感器，所述红外测温传感器安装于旋转底座上，所述黑体腔包括低温黑体腔、常温黑体腔和高温黑体腔，每个黑体腔内均设置铂电阻温度传感器：该方法包括如下过程：

(1)气象水文传感器单元自动检测周围环境数据，并上传给主控系统，形成固定格式的存储文件，然后主控系统将存储文件通过通信系统传输给岸站接收端；

(2)岸站接收端进行自校准条件判断，当符合校准条件时，开始自校准工作；

(3)开始校准时，通过加热装置和制冷装置分别对高温黑体腔和低温黑体腔进行温度控制，通过铂电阻温度传感器分别测量低温黑体腔、常温黑体腔和高温黑体腔内部的真实温度值分别为T_L，T_A，T_H，同时，通过调整旋转底座，使得红外测温传感器分别对准三个黑体腔，测量其内部温度值分别为T′_L，T′_A，T′_H，然后通过数据拟合，调整红外测温传感器之前的参数值，可使T′_L＝T_L，T′_A＝T_A，T′_H＝T_H，将得到的新参数替换之前的参数并保存；

(4)将自校准完成状态信息发至主控系统存储，并通过通信系统发至岸站接收端显示；主控系统存储状态信息后记录时间，经过程序设定好的时间间隔后或者岸站接收端发送校准指令才能再次启动自校准判断。

上述方案中，数据拟合方法采用最小二乘法进行数据的直线拟合。

上述方案中，所述高温黑体腔外部设置加热装置，所述低温黑体腔外部设置制冷装置。

进一步的技术方案中，所述加热装置为缠绕于高温黑体腔外部的加热电阻丝。

进一步的技术方案中，所述制冷装置为缠绕于低温黑体腔外部的制冷管，所述制冷管内通循环冷却水。

上述方案中，所述黑体腔的腔口直径不小于红外测温传感器的视场角直径的1.4倍，使得腔口能完全涵盖红外测温传感器的视场范围。

上述方案中，步骤(2)中，自校准调节判断如下，当符合以下三个条件之一时，即可认定外界条件符合，并开始自校准工作：

(1)数据符合提前设定好的区域范围内，并距离上一次自校准间隔3个月以上；

(2)如果红外测温传感器与气象水文传感器单元的数值对比有明显偏离或明显与实际不符；

(3)岸站接收端发送允许自校准工作开始的命令，且浮标平台电量大于自校准最低电量设定值。

通过上述技术方案，本发明提供的海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法具有如下有益效果：

1、本发明通过采用气象水文传感器单元采集海上环境参数，上传给主控系统，判断是否适合进行校准，使传感器自校准变得更加智能化。

2、恶劣的海洋环境并不影响设备正常工作，只是判断为不宜进行校准，从而保证浮标平台日常环境监测的连续性。

3、黑体腔包括高温黑体腔、常温黑体腔和低温黑体腔，将高温黑体腔的温度控制在高于当前环境温度10℃的温度，将低温黑体腔的温度控制在低于当前环境温度10℃的温度，校准更准确，更具时效性。

4、黑体腔的腔口直径不小于红外测温传感器的视场角直径的1.4倍，腔口能完全涵盖红外测温传感器的视场范围，保证校准结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的海洋浮标平台结构俯视图；

图2为本发明实施例所公开的海洋浮标平台红外测温传感器自校准系统组成部分关系示意图；

图3为本发明实施例所公开的红外测温传感器自校准单元俯视图；

图4为本发明实施例所公开的红外测温传感器自校准单元正视图；

图5为本发明实施例所公开的自校准方法工作流程示意图。

图中，1、浮标平台；2、主控系统；3、电力系统；4、红外测温传感器自校准单元；5、气象水文传感器单元；6、通信系统；7、岸站接收端；8、红外测温传感器；9、旋转底座；10、低温黑体腔；11、常温黑体腔；12、高温黑体腔；13、铂电阻温度传感器；14、加热装置；15、制冷装置；16、腔口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准系统，如图1所示，包括位于浮标平台1上的主控系统2、电力系统3、红外测温传感器自校准单元4、气象水文传感器单元5和通信系统6。如图2所示，主控系统2接收红外测温传感器自校准单元4和气象水文传感器单元5的信号，并通过通信系统6与岸站接收端7通信，电力系统3为上述单元提供电力支持。

如图3和图4所示，红外测温传感器自校准单元4包括位于红外测温传感器8周围的三个黑体腔，黑体腔的腔口16均朝向红外测温传感器8，红外测温传感器8安装于旋转底座9上，旋转底座9可采用电机带动旋转，为常规旋转方式，可采用现有的可旋转摄像头的选择方式。黑体腔包括低温黑体腔10、常温黑体腔11和高温黑体腔12，每个黑体腔内均设置铂电阻温度传感器13。

高温黑体腔12外部设置加热装置14，加热装置14为缠绕于高温黑体腔12外部的加热电阻丝。低温黑体腔10外部设置制冷装置15，制冷装置为缠绕于低温黑体腔10外部的制冷管，制冷管内通循环冷却水。黑体腔的数量不限于三个，可适当增加黑体腔，提高数据拟合的准确性。同时，黑体腔也可以用其他黑体辐射面代替。

黑体腔的腔口16直径不小于红外测温传感器8的视场角直径的1.4倍，腔口16能完全涵盖红外测温传感器8的视场范围，保证测量的准确性。

如图5所示，该自校准方法的工作流程如下：

海洋浮标平台1搭载的气象水文传感器单元5自动检测周围环境数据，包括温度，水汽浓度，短波辐射，能见度，波高，电池电压等参数，并上传给主控系统2，形成固定格式的存储文件，然后主控系统2将存储文件通过通信系统传输给岸站接收端7。在岸站接收端7进行如下判断，当符合以下三个条件之一时，即可认定外界条件符合，并开始自校准工作：

(1)数据符合提前设定好的区域范围内，并距离上一次自校准间隔3个月以上；

(2)如果红外测温传感器8与其他气象水文传感器温度值(如水温，气温等)对比有明显偏离或明显与实际不符；

(3)岸站接收端7发送允许自校准工作开始的命令，且浮标平台1电量大于自校准最低电量设定值。

开始校准时，通过加热装置14和制冷装置15对高温黑体腔12和低温黑体腔10进行温度控制，将高温黑体腔12的温度控制在高于当前环境温度约10℃的整十摄氏度温度点，将低温黑体腔10的温度控制在低于当前环境温度约10℃的整十摄氏度温度点。通过铂电阻温度传感器13分别测量低温黑体腔10、常温黑体腔12和高温黑体腔12内部的真实温度值分别为T_L，T_A，T_H，同时，通过调整旋转底座9，使得红外测温传感器8分别对准三个黑体腔，测量其内部温度值分别为T′_L，T′_A，T′_H，然后通过数据拟合，调整红外测温传感器8之前的参数值，可使T′_L＝T_L，T′_A＝T_A，T′_H＝T_H，将得到的新参数替换之前的参数并保存。将自校准完成状态信息发至主控系统存储，并通过通信系统发至岸站接收端显示。主控系统2存储状态信息后记录时间，经过程序设定好的时间间隔后(时间间隔设定需要根据当地环境情况，建议为3～6个月)或者岸站接收端发送校准指令才能再次启动自校准判断。之后红外测温传感器8按照既定程序继续常规数据采集工作，至此完成一次自校准工作。

数据拟合方法如下：

采用常见的最小二乘法进行数据的直线拟合。即求y＝kx+b中的斜率k和截距b，而x分量代表的是红外测温传感器测量三个黑体腔得到的温度值T′_L，T′_A，T′_H分别用x₁，x₂，x₃表示；y分量代表的是铂电阻温度传感器13分别测得三个黑体腔温度值为T_L，T_A，T_H，分别用y₁，y₂，y₃表示。

或用另一种方式表示该组实验数据即(x_i，y_i，i＝1，2，3)，此时需要确定k值和b值，使得x_i经过计算后最接近y_i。这样可得拟合公式s＝∑[y_i-(kx_i+b)]²，使得s最小，求偏导则有

求解得：

将新求得的k，b替换掉原设置参数。

在自校准过程中，通过移动黑体腔对准红外测温传感器探头进行测温也可以。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，采用一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准系统，该系统包括位于浮标平台上的主控系统、电力系统、红外测温传感器自校准单元、气象水文传感器单元和通信系统，所述主控系统接收红外测温传感器自校准单元和气象水文传感器单元的信号，并通过通信系统与岸站接收端通信，所述电力系统为上述单元提供电力支持；所述红外测温传感器自校准单元包括位于红外测温传感器周围的至少三个黑体腔，所述黑体腔的腔口均朝向红外测温传感器，所述红外测温传感器安装于旋转底座上，所述黑体腔包括低温黑体腔、常温黑体腔和高温黑体腔，每个黑体腔内均设置铂电阻温度传感器：该方法包括如下过程：

(1)气象水文传感器单元自动检测周围环境数据，并上传给主控系统，形成固定格式的存储文件，然后主控系统将存储文件通过通信系统传输给岸站接收端；

(2)岸站接收端进行自校准条件判断，当符合校准条件时，开始自校准工作；

(3)开始校准时，通过加热装置和制冷装置分别对高温黑体腔和低温黑体腔进行温度控制，通过铂电阻温度传感器分别测量低温黑体腔、常温黑体腔和高温黑体腔内部的真实温度值分别为T_L，T_A，T_H，同时，通过调整旋转底座，使得红外测温传感器分别对准三个黑体腔，测量其内部温度值分别为T′_L，T′_A，T′_H，然后通过数据拟合，调整红外测温传感器之前的参数值，可使T′_L＝T_L，T′_A＝T_A，T′_H＝T_H，将得到的新参数替换之前的参数并保存；

(4)将自校准完成状态信息发至主控系统存储，并通过通信系统发至岸站接收端显示；主控系统存储状态信息后记录时间，经过程序设定好的时间间隔后或者岸站接收端发送校准指令才能再次启动自校准判断。

2.根据权利要求1所述的一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，数据拟合方法采用最小二乘法进行数据的直线拟合。

3.根据权利要求1所述的一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，所述高温黑体腔外部设置加热装置，所述低温黑体腔外部设置制冷装置。

4.根据权利要求3所述的一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，所述加热装置为缠绕于高温黑体腔外部的加热电阻丝。

5.根据权利要求3所述的一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，所述制冷装置为缠绕于低温黑体腔外部的制冷管，所述制冷管内通循环冷却水。

6.根据权利要求1所述的一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，所述黑体腔的腔口直径不小于红外测温传感器的视场角直径的1.4倍。

7.根据权利要求1所述的一种海洋浮标平台红外测温传感器自校准方法，其特征在于，步骤(2)中，自校准调节判断如下，当符合以下三个条件之一时，即可认定外界条件符合，并开始自校准工作：

(1)数据符合提前设定好的区域范围内，并距离上一次自校准间隔3个月以上；

(2)如果红外测温传感器与气象水文传感器单元的数值对比有明显偏离或明显与实际不符；

(3)岸站接收端发送允许自校准工作开始的命令，且浮标平台电量大于自校准最低电量设定值。

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