CN115639629B - 一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋气象监测领域，提供了一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统及方法，包括固定平台短波测量分系统，运动平台短波测量分系统，数据采集分系统，运动控制分系统，数据处理评估分系统以及供电分系统，通过将固定平台短波测量分系统作为运动平台短波测量分系统的对照组，与运动平台短波测量分系统分别安装在两个相同的长方体铝盒中，运动平台模拟海洋浮标的倾斜、摇摆和观测仪器存在的固有安装倾角，通过对比固定平台短波测量分系统和运动平台短波测量分系统测量的短波辐射值来评估海洋浮标运动导致的短波测量误差。

Description

一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统及方法

技术领域

本发明属于海洋气象监测技术领域，具体涉及一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海气界面净热通量包括感热通量、潜热通量、长波净辐射和短波净辐射，热带海洋和全球大气项目(TOGA)认为净热通量每个部分的期望准确度为±10Wm^-2。

海洋浮标是海-气热通量观测的主要设备，通过在浮标上安装气温传感器、气压传感器、相对湿度传感器、风速风向传感器、雨量传感器、长波辐射传感器和短波辐射传感器等仪器进行连续观测。然而，海洋浮标由于受到海面风、波浪、海流的影响会产生倾斜和摇摆，致使安装其上的观测仪器的测量数据出现误差，特别是对角度比较敏感的短波辐射传感器，如果短波辐射传感器朝向太阳倾斜则测量值会增加，如果背向太阳倾斜则测量值会减小。因此，评估海洋浮标平台运动对短波辐射传感器的影响是非常有必要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统及方法，本发明通过将固定平台短波测量分系统作为运动平台短波测量分系统的对照组，与运动平台短波测量分系统分别安装在两个相同的长方体铝盒中，运动平台模拟海洋浮标的倾斜、摇摆和观测仪器存在的固有安装倾角，通过对比固定平台短波测量分系统和运动平台短波测量分系统测量的短波辐射值来评估海洋浮标运动导致的短波测量误差。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，采用如下技术方案：

一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，包括运动平台短波测量分系统、固定平台短波测量分系统以及数据处理评估分系统，所述数据处理评估分系统对所述运动平台短波测量分系统的测量数据进行评估；

所述运动平台短波测量分系统包括运动测量平台和第一短波辐射传感器；所述运动测量平台为机械驱动运动装置，所述运动测量平台的顶端固定第一短波辐射传感器，且所述第一短波辐射传感器随运动测量平台的运动而运动；

所述固定平台短波测量分系统包括固定测量平台和第二短波辐射传感器；所述固定测量平台的顶端固定第二短波辐射传感器，且所述固定测量平台与所述运动测量平台固定在同一水平面上。

进一步地，该系统还包括数据采集分系统，所述数据采集分系统采集所述第一短波辐射传感器以及所述第二短波辐射传感器的测量值。

进一步地，该系统还包括运动控制分系统，所述运动控制分系统控制运动测量平台的运动方向、运动角度以及运动周期。

进一步地，该系统还包括供电分系统，所述供电分系统给运动控制分系统、数据处理评估分系统、数据采集分系统以及运动平台短波测量分系统提供电源。

进一步地，所述运动平台短波测量分系统和所述固定平台短波测量分系统分别固定在两个相同的盒体内，两个盒体并排固定，且盒体顶部开放、四周等长。

所述运动平台短波测量分系统和所述固定平台短波测量分系统四周的盒体内侧表面涂成黑色，以消除地面反射辐射成分的影响；所述第一短波辐射传感器和所述第二短波辐射传感器球顶内的黑色接收器表面与盒体上沿平齐，且距离盒体四个立面距离相等。

进一步地，所述运动测量平台固定在盒体底部，且所述运动测量平台上还连接有运动控制器、控制倾斜和摇摆的电机、运动安装基座。

进一步地，所述固定测量平台固定在盒体底部，且所述固定测量平台上连接有固定安装基座。

根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估方法，基于第一方案所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，采用如下技术方案：

一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估方法，包括：

实时采集第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的测量数据，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集；

获取运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期；

基于短波辐射传感器采样当前时刻的太阳天顶角，第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集以及运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期，得到该工况下的测量误差值和测量误差百分比；

如果测量误差值大于±10Wm^-2或者测量误差百分比大于±3％，说明短波辐射传感器的测量误差比较大，已经影响海-气净热通量的计算准确度，需要对测量值进行修正；反之，则说明短波辐射传感器的测量误差比较小，在误差允许范围内。

进一步地，实时采集第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的测量数据，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集，具体为：

数据采集分系统以20Hz的采样频率采集第一短波辐射传感器的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值作为第一短波辐射传感器的1s热电堆电压值；

基于第一短波辐射传感器的1s热电堆电压值和第一短波辐射传感器的灵敏度系数确定短波传辐射感器的辐射值，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集：

同时采集第二短波辐射传感器的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值作为第二短波辐射传感器的1s热电堆电压值；

基于第二短波辐射传感器的1s热电堆电压值和第二短波辐射传感器的灵敏度系数确定短波传辐射感器的辐射值，得到第二短波辐射传感器辐射值数据集。

进一步地，根据同一时刻第一短波辐射传感器辐射值和第二短波辐射传感器辐射值的差值确定测量误差值；

根据测量误差值与第二短波辐射传感器辐射值比值确定测量误差百分比。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过运动装置模拟海上平台的倾斜和摇摆运动，并将固定平台短波测量分系统作为运动平台短波测量分系统的对照组，与运动平台短波测量分系统分别安装在两个相同的长方体铝盒中，并与运动平台短波测量分系统并排放置在同一水平面，通过比较运动平台短波测量分析系统在倾斜和运动状态下的短波辐射值与固定平台短波测量分系统的短波辐射值，来评估运动平台对短波辐射传感器测量的影响。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统架构图；

图2是本发明实施例所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统结构示意图；

图中：1-第一短波辐射传感器；2-运动测量平台；3-第二短波辐射传感器；4-固定测量平台；5-电机；6-运动控制器；7-运动安装基座；8-固定安装基座。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，包括运动平台短波测量分系统、固定平台短波测量分系统以及数据处理评估分系统，所述数据处理评估分系统对所述运动平台短波测量分系统的测量数据进行评估；

所述运动平台短波测量分系统包括运动测量平台2和第一短波辐射传感器1；所述运动测量平台2为机械驱动运动装置，所述运动测量平台2的顶端固定第一短波辐射传感器1，且所述第一短波辐射传感器1随运动测量平台的运动而运动；所述运动平台短波测量分系统还包括运动控制器，所述运动控制器6与电机5连接并控制电机的运动。

所述固定平台短波测量分系统包括固定测量平台4和第二短波辐射传感器3；所述固定测量平台4的顶端固定第二短波辐射传感器3，且所述固定测量平台4与所述运动测量平台2固定在同一水平面上。

具体地，该系统还包括数据采集分系统，所述数据采集分系统采集所述第一短波辐射传感器1以及所述第二短波辐射传感器3的测量值。可以理解的是，数据采集分系统与第一短波传感器以及第二短波传感器电连接，连接方式选择现有技术中的有线连接即可，此处不再赘述。

该系统还包括运动控制分系统，所述运动控制分系统控制运动测量平台的运动方向、运动角度以及运动周期。运动控制分系统与运动控制器连接，并发送运动指令给运动控制器，使得运动控制器控制电机运动，从而带动运动安装基座7的运动。

该系统还包括供电分系统，所述供电分系统给运动控制分系统、数据处理评估分系统、数据采集分系统以及运动平台短波测量分系统提供电源，所述供电分系统与其他分系统电连接，此处连接方式为常规电连接，不再赘述。

所述运动平台短波测量分系统和所述固定平台短波测量分系统分别固定在两个相同的盒体内，两个盒体并排固定，且盒体顶部开放、四周等长；

所述运动平台短波测量分系统和固定平台短波测量分系统四周的盒体内侧表面涂成黑色，以消除地面反射辐射成分影响；所述第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的球顶内的黑色接收器表面与盒体上沿平齐，且距离盒体四个立面距离相等。

所述运动测量平台固定在盒体底部，且所述运动测量平台上还连接有运动控制器、控制倾斜和摇摆的电机、运动安装基座7。

所述固定测量平台固定在盒体底部，且所述固定测量平台还连接有固定安装基座8。

运动安装基座7和固定安装基座8指与短波传感器连接的部分，固定测量平台上安装有固定安装基座8，上面安装短波辐射传感器；运动测量平台上安装有运动安装基座7、运动控制器、控制倾斜和摇摆的电机，电机运动带动运动安装基座7和上面的短波辐射传感器运动。

如图2所示，运动平台短波测量分系统包括运动测量平台和第一短波辐射传感器；固定平台短波测量分系统包括固定测量平台和第二短波辐射传感器。

运动测量平台为一个机械驱动的运动装置，包括安装基座、运动控制器、控制安装基座摇摆和倾斜的电机5。能够使短波辐射传感器在60°倾斜角和60s的周期内摆动，以确定摆动周期和摆动角度对运动平台上测量入射短波辐射的影响；或者使短波辐射传感器保持在任意倾角位置，以确定固定倾斜对测量入射短波辐射的影响。

固定测量平台包括一个固定安装基座8和一个第二短波辐射传感器。

运动平台短波测量分系统安装在一个长方体铝盒中，铝盒四周的铝板内侧涂成黑色，用于消除地面反射辐射成分的影响；短波辐射传感器的安装高度，使短波辐射传感器球顶内的黑色接收器表面与铝盒上沿平齐，且距离盒体四个立面距离相等。四个立面距离传感器中心位置约35厘米，主要功能是保证短波辐射传感器在90度以下摇摆时将“看到”同一个黑色铝质表面，使其不受摇摆方向的影响。

固定平台短波测量分系统作为运动平台短波测量分系统的对照组，安装在一个相同的长方体铝盒中，安装高度相同，并与运动平台短波测量分系统并排放置在同一水平面。

供电分系统给运动控制分系统、数据处理与评估分系统、数据采集分系统、运动测量平台提供稳定可靠的电源。

运动测量平台运动过程：

运动控制分系统设定平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期，通过运动控制器控制电机按照设定的固定倾角度、摇摆角度和摇摆周期控制安装基座运动。通过运动控制分系统设定不同的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期的组合，以获得短波辐射传感器在不同工况下的辐射值测量误差。

实施例二

本实施例提供了一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估方法，基于实施例一所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，采用如下技术方案：

一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估方法，包括：

实时采集第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的测量数据，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集；

获取运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期；

基于短波辐射传感器采样当前时刻的太阳天顶角，第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集以及运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期，得到该工况下的测量误差值和测量误差百分比；

如果测量误差值大于±10Wm^-2或者测量误差百分比大于±3％，说明短波辐射传感器的测量误差比较大，已经影响海-气净热通量的计算准确度，需要对测量值进行修正；反之，则说明短波辐射传感器的测量误差比较小，在误差允许范围内。

其中，实时采集第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的测量数据，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集，具体为：

数据采集分系统以20Hz的采样频率采集第一短波辐射传感器的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值作为第一短波辐射传感器的1s热电堆电压值；

基于第一短波辐射传感器的1s热电堆电压值和第一短波辐射传感器的灵敏度系数确定短波传辐射感器的辐射值，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集：

同时采集第二短波辐射传感器的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值作为第二短波辐射传感器的1s热电堆电压值；

基于第二短波辐射传感器的1s热电堆电压值和第二短波辐射传感器的灵敏度系数确定短波传辐射感器的辐射值，得到第二短波辐射传感器辐射值数据集。

其中，根据同一时刻第一短波辐射传感器辐射值和第二短波辐射传感器辐射值的差值确定测量误差值；

根据测量误差值与第二短波辐射传感器辐射值比值确定测量误差百分比

数据采集过程：

数据采集分系统以20Hz的采样频率采集短波辐射传感器1的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值V1作为短波辐射传感器1的1s热电堆电压值，同时，采集短波辐射传感器2的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值V2作为短波辐射传感器2的1s热电堆电压值。

计算短波传辐射感器的辐射值：

R1＝V1/S1；

R2＝V2/S2；

其中S1为短波辐射传感器1的灵敏度系数；S2为短波辐射传感器2的灵敏度系数。

获得两个短波辐射传感器每秒采样一次的辐射值数据集。

数据处理评估过程：

数据处理评估分系统连接数据采集分系统，实时获取两个短波辐射传感器测量的辐射值数据集；连接运动控制分系统，获取运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期；根据当地时间和纬度计算短波辐射传感器测量时刻的太阳天顶角。将以上数据按照时间对应存储为一个采样周期为1s的数据集，最后根据数据集计算出测量误差值E和测量误差百分比PE。

E＝R1-R2

PE＝E/R2*100％

根据各种工况下测量误差值E和测量误差百分比PE，可以评估短波辐射传感器在相应工况下测量的准确度，进而可以指导对在运动平台上短波辐射传感器测量误差进行校正。

短波辐射传感器1和2，通过实验室校准，可以认为相差无几，测量得到的数据几乎完全一致。在每次摇动实验之前，对两个固定在水平位置的短波辐射传感器进行1分钟的短期校准。并且，由于众所周知的传感器的余弦响应问题，在连续长时间测试的情况下，传感器会产生误差，为了纠正这一误差，在摇摆实验之后，再次对两个短波辐射传感器进行平面校准比较，并且假设实验前/后校准之间的变化是线性的。

该系统需要在晴朗无云的天气情况下进行测试，需要安装在开阔平坦且无遮挡的测试场地，短波辐射传感器的视场内无树木、楼房等遮挡物，最好安装在开阔的楼顶处。

该系统需要在一天中的不同时刻进行测试，以测试在不同天顶角情况下平台的运动对短波辐射传感器的影响。天顶角的选择范围根据当地纬度和季节选择，舍弃天顶角大于70°的时间(太阳初升和日落时短波辐射测量误差较大)，此处选择天顶角范围为30°～70°。

安装后的运动控制过程如下：

设计运动平台短波测量分系统的工况如下：

在摇摆0°情况下，固定倾斜角度分别为：正朝向太阳方向5°，10°；正背向太阳方向5°，10°；与太阳方向垂直方向5°，10°。

在固定倾斜角度为0°情况下，摇摆角度分别为：正朝向太阳方向10°，20°，30°，40°；正背向太阳方向10°，20°，30°，40°；与太阳方向垂直方向10°，20°，30°，40°。摇摆周期分别为：3s，5s，10s，15s，20s，30s，40s，50s。

运动控制分系统按照设定的工况控制平台的运动，控制电机按照设定的固定倾角度、摇摆角度和摇摆周期控制安装基座运动。

在满足条件的天气情况下，并在选定的30°～70°天顶角范围内，大约5°一个间隔，对每个工况进行测试，测试时间5分钟。

其中，单个工况的测量过程如下：

系统初始化。

启动数据采集控制器的数据采集程序，以20Hz的频率采集两个传感器的输出电压值，并计算获得两个传感器每1秒的电压平均值V1和V2，并计算短波辐射传感器1的辐射值R1和短波辐射传感器2的辐射值R2：

R1＝V1/S1；

R2＝V2/S2；

其中S1为短波辐射传感器1的灵敏度系数；S2为短波辐射传感器2的灵敏度系数。

启动运动控制分系统控制程序，先使短波辐射传感器1和短波辐射传感器2均处于水平位置，保持1分钟；然后按照设定的工况倾斜和摇摆，保持5分钟；最后使运动平台恢复水平位置，保持1分钟。

将数据采集控制系统获得的两个短波辐射传感器的辐射值实时传输给数据处理和评估系统，数据处理和评估系统记录采样时刻、天顶角、倾斜角度、摇摆角度、摇摆周期、短波辐射传感器1的辐射值R1和短波辐射传感器2的辐射值R2，并生成一个采样周期为1s的数据集；

数据处理和评估系统对数据集进行计算处理，计算出该工况下的测量误差值E和测量误差百分比PE。

E＝R1-R2

PE＝E/R2*100％

如果E大于±10Wm^-2或者PE大于±3％，说明短波辐射传感器的测量误差比较大，已经影响海-气净热通量的计算准确度，需要对测量值进行修正。

如果E小于±10Wm^-2或者PE小于±3％，说明短波辐射传感器的测量误差比较小，在误差允许范围内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，其特征在于，包括运动平台短波测量分系统、固定平台短波测量分系统、数据处理评估分系统、数据采集分系统以及运动控制分系统，所述数据处理评估分系统对所述运动平台短波测量分系统的测量数据进行评估；

所述运动平台短波测量分系统包括运动测量平台和第一短波辐射传感器；所述运动测量平台为机械驱动运动装置，所述运动测量平台的顶端固定第一短波辐射传感器，且所述第一短波辐射传感器随运动测量平台的运动而运动；

所述固定平台短波测量分系统包括固定测量平台和第二短波辐射传感器；所述固定测量平台的顶端固定第二短波辐射传感器，且所述固定测量平台与所述运动测量平台固定在同一水平面上；

所述数据采集分系统采集所述第一短波辐射传感器以及所述第二短波辐射传感器的测量值；

所述运动控制分系统控制运动测量平台的运动方向、运动角度以及运动周期。

2.如权利要求1所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，其特征在于，还包括供电分系统，所述供电分系统给运动控制分系统、数据处理评估分系统、数据采集分系统以及运动平台短波测量分系统提供电源。

3.如权利要求1所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，其特征在于，所述运动平台短波测量分系统和所述固定平台短波测量分系统分别固定在两个相同的盒体内，两个盒体并排固定，且盒体顶部开放、四周等长；

所述运动平台短波测量分系统和固定平台短波测量分系统四周的盒体内侧表面涂成黑色，以消除地面反射辐射成分的影响；所述第一短波辐射传感器和所述第二短波辐射传感器球顶内的黑色接收器表面与盒体上沿平齐，且距离盒体四个立面距离相等。

4.如权利要求3所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，其特征在于，所述运动测量平台固定在盒体底部，且所述运动测量平台还连接有运动安装基座、运动控制器、控制倾斜和摇摆的电机。

5.如权利要求4所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统，其特征在于，所述固定平台测量分系统固定在盒体底部。

6.基于权利要求1-5任一项所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统的评估方法，其特征在于，包括：

实时采集第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的测量数据，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集；

获取运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期；

基于短波辐射传感器采样当前时刻的太阳天顶角，第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集以及运动测量平台的固定倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期，得到该工况下的测量误差值和测量误差百分比；

如果测量误差值大于±10Wm^-2或者测量误差百分比大于±3％，说明短波辐射传感器的测量误差比较大，已经影响海-气净热通量的计算准确度，需要对测量值进行修正；反之，则说明短波辐射传感器的测量误差比较小，在误差允许范围内。

7.如权利要求6所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统的评估方法，其特征在于，实时采集第一短波辐射传感器和第二短波辐射传感器的测量数据，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集和第二短波辐射传感器辐射值数据集，具体为：

数据采集分系统以20Hz的采样频率采集第一短波辐射传感器的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值作为第一短波辐射传感器的1s热电堆电压值；

基于第一短波辐射传感器的1s热电堆电压值和第一短波辐射传感器的灵敏度系数确定短波传辐射感器的辐射值，得到第一短波辐射传感器辐射值数据集：

同时以同样的方式采集第二短波辐射传感器的热电堆电压值，然后计算20个测量数据的平均值作为第二短波辐射传感器的1s热电堆电压值；

基于第二短波辐射传感器的1s热电堆电压值和第二短波辐射传感器的灵敏度系数确定短波传辐射感器的辐射值，得到第二短波辐射传感器辐射值数据集。

8.如权利要求6所述的一种运动平台对短波辐射传感器影响的评估系统的评估方法，其特征在于，根据同一时刻第一短波辐射传感器辐射值和第二短波辐射传感器辐射值的差值确定测量误差值；

根据测量误差值与第二短波辐射传感器辐射值比值确定测量误差百分比。