CN115839769A - 测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质 - Google Patents

测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN115839769A CN202310159425.6A CN202310159425A CN115839769A CN 115839769 A CN115839769 A CN 115839769A CN 202310159425 A CN202310159425 A CN 202310159425A CN 115839769 A CN115839769 A CN 115839769A
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Abstract

本发明属于室外热环境监测技术领域，公开了测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质。利用高阶热平衡理论对双色球形温度计组进行出厂调校，获取标定的表达风速、滤波阈，以及推导的高阶对流换热系数公式；利用出厂调校后的双色球形温度计组，用户根据不同辐射测量需求，选取不同数据记录模式，进行室外热辐射数据测量；处理器对测量的室外热辐射数据自动进行短波辐射通量、长波辐射通量、平均辐射温度参数的计算，并记录环境辐射的测量结果。本发明通用性强，该发明的配套算法对于各种尺寸的双色球形温度计组具有普遍适用性，用户可根据应用精度需求选用特定的球形温度计组或调校自制的双色球形温度计组。

Description

测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质
技术领域
本发明属于室外热环境监测技术领域，尤其涉及测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质。
背景技术
短波辐射与长波辐射都会对人体室外热舒适与热安全产生重要影响。其中短波辐射主要来自太阳辐射；长波辐射强度取决于环境表面温度，受材料热物理特性的影响。比较理想的情况是对短波辐射通量和长波辐射通量分别进行监测，从而可以确定室外热危害的来源。如果没有条件分别测量，业内常用平均辐射温度（mean radiant temperature,t mrt ）来表征环境短波辐射和长波辐射对人体热舒适的综合影响。平均辐射温度是一个生物气象参数，常用的测量方法有三维辐射积分法与黑球温度计法。
短波辐射与长波辐射都会对人体室外热舒适与热安全产生重要影响。其中短波辐射主要来自太阳辐射；长波辐射强度取决于环境表面温度，受材料热物理特性的影响。比较理想的情况是对短波辐射通量和长波辐射通量分别进行监测，从而可以确定室外热危害的来源。如果没有条件分别测量，业内常用平均辐射温度（mean radiant temperature,t mrt ）来表征环境短波辐射和长波辐射对人体热舒适的综合影响。平均辐射温度是一个生物气象参数，常用的测量方法有三维辐射积分法与黑球温度计法。
三维辐射积分法是目前最准确的长波辐射和短波辐射测量方法，进而可计算出比较准确的平均辐射温度。该方法需同时使用3台净辐射计分别测量来自东、西、南、北、上、下6个方向的长波辐射通量和短波辐射通量。但3台净辐射计总价约21万人民币，受成本过高制约，此方法不能用于大范围、多点位的室外热环境监测（网）系统。此外，由于净辐射计自身的缺陷，当太阳高度角大于80°时，该方法会明显低估环境辐射，进而低估正午某时段内的t mrt ，此现象被称为“日间回退”（daytime relapse）。
黑球温度计最初应用于室内热环境评估。它由一个黑色空心球壳和位于其球心的测温元件组成。球壳尺寸并无统一标准，目前常用的直径有0.1m、0.05m和0.04m不等；常见的球壳材质有金属（如银、铜）或非金属（如丙烯酸塑料）；测温元件通常采用Pt100温度传感器等。黑球温度计法的传统假设是发生在球壳外表面的对流换热与辐射传热使黑球系统达到瞬态热平衡（公式a），这是一种非常理想的情况，在此前提假设下任何时刻都可通过测量球心气温（简称球温，tg）、环境气温（ta）和风速（V）来计算黑球所处的环境热辐射。
Figure SMS_1
（a）
ISO7726推荐将Hey的对流换热经验公式（公式b）带入黑球温度计的瞬态热平衡方程中，即按照公式（c）计算对流换热系数
Figure SMS_2
。
Figure SMS_3
（b）
Figure SMS_4
（c）
平均辐射温度的物理定义是与环境实际辐射（含长波辐射与短波辐射）对人体辐射作用相等的平均表面温度（公式d）。根据公式（a）与公式（d）可将平均辐射温度用黑球温度、气温和风速表示处理，但是常规的黑球温度计并不能将短波辐射和长波辐射区分开。
Figure SMS_5
（d）
近年来黑球温度计被广泛应用于室外环境中，该方法虽简单经济，但效果并不理想，既存在明显的系统误差，又存在离散过大的问题。黑球温度计的系统误差可以通过使用金属球壳、重新拟合球体对流换热经验公式等方法进行修正。离散过大的问题由黑球温度计系统在室外条件下的非充分热响应造成。室外环境参数（尤其是风速）波动远比室内条件下剧烈，黑球系统热惯性较大，瞬态热平衡假设在室外条件下根本无法成立，风速的波动表现在计算出的平均辐射温度上，使计算结果呈现强烈的信号噪声干扰。长期以来黑球温度计计算结果离散过大的问题成为制约其在室外热辐射测量、室外热舒适评估等领域应用的根本性障碍。
为了克服离散问题，现有研究大多从降低黑球温度计系统热容的角度出发，试图通过物理结构优化提高其热响应速度，即缩短其时间常数。常用方法有：用导热系数更大的材料制作球壳，比如银；减少球壳厚度；缩小球体尺寸等。但这些方法收效甚微，非但不能克服离散问题，还大大增加了材料成本和对加工精度的要求。
除上述两种方法外，还有一种较为罕见的双球辐射计法（two-sphere non-directional radiometers），或类似原理的加热球组测量装置。双球辐射计由黑色、白色两个球体组成，两球的其他构造完全相同。在两球内置电热丝，使他们温度保持一致，此时两球由于对流和导热产生的热损失相等，对两球加热用电的功率差异只由它们与环境间辐射换热量的差异造成。在已知黑、白两球表面辐射特性的前提下，进而可计算环境辐射。为保证精度，这种方法要求球体直径小于12mm；需内置测温元件与加热元件，对加工工艺水平要求很高；此外还需控制精度很高的自动电加热调节装置、灵敏度很高的功率测量装置。基于以上原因，这种方法虽然理论上可行，但现实中鲜有应用。
综上可见，黑球温度计的物理结构简单经济，如果能解决其精度问题，并拓展其功能，将具备巨大的应用推广潜力。但是通过大量的实验室研究和室外实测发现，不论如何进行物理结构优化，黑球温度计的系统热容始终较大，瞬态热平衡假设在室外根本不成立，其真实的表面换热情况应为非稳态过程（公式e）。强行将剧烈波动的风速引入热平衡计算是造成平均辐射温度计算结果离散过大的根本原因。
Figure SMS_6
（e）
但通过信号分析我们也注意到，室外条件下球形温度计系统虽不满足瞬态热平衡假设，但满足高阶热平衡理论的基本规律。高阶热平衡理论是指球形温度计对环境参数（风速、气温、辐射）的热响应仅在各参数信号的某较低频域部分存在清晰的辐射传热与对流换热的平衡关系。因为低频信号分量往往是滤波过程中的高阶（high-level）成分，所以叫做“高阶热平衡”。高阶热平衡的主要物理表现为：球温的主导趋势是对环境辐射低频分量和风速低频分量基于热平衡关系的综合热响应，该热平衡关系可描述为公式（f）；球温的局时不规则抖动是对风速高频分量的单一响应，与辐射没有直接关系。在应用公式（f）时，球体高阶热平衡的对流换热系数h需根据各环境参数的低频信号分量重新拟合。
Figure SMS_7
（f）
公式（f）中各参数的脚标A表示低频信号分量。需要特别强调的是，与风速相比辐射的高频信号分量非常少，K A 、L A 基本与K、L无异。
对于不同的球形温度计而言，热容越大，热响应越慢，时间常数越大，对室外环境参数的有效热响应频率范围也各不相同，但都与其时间常数有一定关系。怎样识别并剔除信号噪声，保留使球形温度计满足高阶热平衡的较低频信号分量，从而根据高阶热平衡将室外环境中的短波辐射和长波辐射分别测算出来是现有技术亟待解决的难点。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
（1）现有技术黑球温度计计算结果离散过大，测量出的平均辐射温度准确度低，噪声成分高，无法用于数据的直接应用及室外热环境的对比。
（2）现有技术本黑球温度计无法区分环境中的长波辐射通量与短波辐射通量。
（3）现有技术三维辐射积分法容易出现“日间回退”，对全日各时段检测的数据不能维持有效，且硬件成本高，对加工工艺要求高。
（4）现有技术通用性差，不能快速并入现有热环境监测仪器（组、网）中。
（5）现有技术实时监控效果差，对热辐射环境异常（平均辐射温度过高）不能快速发出警报。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质。
本发明的创造性在于，提出了球形温度计系统“高阶热平衡”理论，此理论为本发明首创。据此新理论，本发明在出厂调校方面，提出了全新的标定参数和相应的标定方法，包括表达风速、滤波阈、高阶对流换热系数经验公式。以上三个标定为本发明首次提出。
所述技术方案如下：利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，包括以下步骤：
S1，利用高阶热平衡理论对双色球形温度计组进行调校，获取标定的表达风速、滤波阈以及推导的高阶对流换热系数公式；
S2用户根据不同辐射测量需求利用调校后的双色球形温度计组选取不同数据记录模式，进行室外热辐射数据测量；
S3，处理器对测量的室外热辐射数据自动进行短波辐射通量、长波辐射通量、平均辐射温度参数的计算，并记录环境辐射的测量结果。
在步骤S1中，利用高阶热平衡理论对双色球形温度计组进行调校中，双色球形温度计组在实验室的风洞内进行参数调校，步骤以下包括：
①标定风速预处理的最优前窗宽度
Figure SMS_8
，建立表达风速时间序列；
②识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈；
③拟合高阶对流换热系数公式。
步骤①中，标定风速预处理的最优前窗宽度，建立表达风速时间序列包括以下步骤：
（1）将双色球形温度计组移至标定环境中，记录风速V与黑球温度
Figure SMS_9
；其中V的采样频率为1Hz，黑球温度/>
Figure SMS_10
采样频率为0.1Hz；
（2）对风速V进行前窗滑动平均，生成平均风速
Figure SMS_11
的时间序列；双色球形温度计只响应某时刻之前的风速，某时刻的平均风速为该时刻之前、最优前窗宽度时长内的所有风速采样值的平均值；
（3）对平均风速
Figure SMS_12
进行下采样，生成表达风速u的时间序列；其中表达风速u的时间序列与黑球温度/>
Figure SMS_13
数据时刻一一对应，数据间隔一致；
（4）计算表达风速u列与黑球温度
Figure SMS_14
的Spearman相关系数，确定最优前窗宽度/>
Figure SMS_15
；重复步骤（2）、步骤（3）、步骤（4），令最优前窗宽度/>
Figure SMS_16
历遍/>
Figure SMS_17
与/>
Figure SMS_18
之间的所有整数；其中/>
Figure SMS_19
是黑球温度计的时间常数；/>
Figure SMS_20
是黑球温度计的响应时间，其中，时间常数×ln10=响应时间。
在一个实施例中，所述Spearman相关系数接近-1的窗宽为最优前窗宽度
Figure SMS_21
，其对应的时间序列u为双色球形温度计组的表达风速u。
步骤②中，识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈包括以下步骤：
（a）对黑球温度
Figure SMS_22
和表达风速u的时间序列做交叉小波能量谱，以红噪声检验标定95%置信区间所在频域范围为二者的共有周期；
（b）对黑球温度
Figure SMS_23
和表达风速u的时间序列做小波相干，标定95%置信区间所在频域范围为二者的趋势互锁频域；
（c）将共有周期与趋势互锁频域中的共同部分标记出来，此频域范围为黑球温度
Figure SMS_24
和表达风速u的耦合频域P；
（d）将耦合频域P对应的最低频标记为滤波阈。
步骤③中，拟合高阶对流换热系数公式包括以下步骤：
（a）风速预处理，以标定的最优窗宽对风速V做前窗滑动平均，然后下采样获得表达风速u的时间序列；
（b）对黑球温度
Figure SMS_25
，白球温度/>
Figure SMS_26
，空气温度ta，表达风速u进行滤波。参照标定的滤波阈，将温度与风速时间序列耦合频域P及其以上更高频的信号分量全部滤掉，滤波后形成的新时间序列为/>
Figure SMS_27
，各参数的脚标A表示为滤波前各时间序列的低频信号分量；
（c）计算双色球形温度计组时间序列的各个时刻对应的对流换热系数，用公式（1）计算各时刻黑球温度计的高阶对流换热系数
Figure SMS_28
，用公式（2）计算各时刻白球温度计的高阶对流换热系数/>
Figure SMS_29
；
Figure SMS_30
（1）
Figure SMS_31
（2）
式中，
Figure SMS_32
表示各时刻黑球温度计的高阶对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；/>
Figure SMS_33
表示各时刻白球温度计的高阶对流换热系数，单位为W/(m2·℃)。K为标定过程中测得的标定环境短波辐射通量，单位为W/m2；L为标定过程中测得的标定环境长波辐射通量，单位为W/m2；σ表示斯蒂芬玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·℃4)。/>
Figure SMS_34
表示球形温度计所处周围环境的平均长波发射率，通常可取0.95；/>
Figure SMS_35
、/>
Figure SMS_36
、/>
Figure SMS_37
、/>
Figure SMS_38
分别表示黑球温度计的短波发射率、黑球温度计长波发射率、白球温度计的短波发射率、白球温度计的长波发射率，根据实测确定。
（d）拟合高阶
Figure SMS_39
关系式，根据公式（3）和公式（5）拟合黑球温度计的高阶
Figure SMS_40
关系式；根据公式（4）和公式（5）拟合白球温度计的高阶/>
Figure SMS_41
关系式；
Figure SMS_42
（3）
Figure SMS_43
（4）
Figure SMS_44
（5）
式中，Nub表示黑球温度计的高阶努谢尔特数；Nuw表示白球温度计的高阶努谢尔特数；Re表示高阶雷诺数。D表示球形温度计的直径，单位为m；λ表示空气的导热系数，单位为W/(m·℃)；ν表示空气的运动黏度，单位为m2/s；
（e）推导双色球形温度计组高阶对流换热公式，从高阶
Figure SMS_45
关系式推导黑球温度计的高阶对流换热系数经验公式/>
Figure SMS_46
；从高阶/>
Figure SMS_47
关系式推导白球温度计的高阶对流换热系数经验公式/>
Figure SMS_48
。
在步骤S3中，处理器对测量的室外热辐射数据自动进行短波辐射通量、长波辐射通量、平均辐射温度参数的计算包括以下步骤：
（i）风速预处理：根据需要在各时间序列中取分析窗
Figure SMS_49
，分析窗宽度不短于3h；提取分析窗内的风速V时间序列，根据调校①标定的最优前窗宽度/>
Figure SMS_50
对风速V进行前窗滑动平均并下采样处理至表达风速u；
（ii）滤波：根据调校②标定的滤波阈，将分析窗内
Figure SMS_51
四个时间序列滤波至/>
Figure SMS_52
；
（iii）计算短波辐射通量K与长波辐射通量L：根据黑球、白球的高阶热平衡关系，将分析窗
Figure SMS_53
内各时刻的短波辐射通量K按公式（6）自动计算，长波辐射通量L按公式（7）自动计算；
Figure SMS_54
Figure SMS_55
（6）
Figure SMS_56
Figure SMS_57
（7）
其中，
Figure SMS_58
和/>
Figure SMS_59
为调校步骤③确定的高阶对流换热系数公式；
（iv）计算各时刻的平均辐射温度
Figure SMS_60
：分析窗/>
Figure SMS_61
内各时刻的平均辐射温度/>
Figure SMS_62
按照公式（8）自动计算，单位为℃；
Figure SMS_63
（8）/>
（v）根据用户选择的应用模式，向后滑移分析窗并重复步骤（i）至（iv）计算并记录环境辐射的测量结果。
本发明的另一目的在于提供一种双色球形温度计组配套硬件装置，实施所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，所述双色球形温度计组配套硬件装置包括黑球温度计和白球温度计；
黑球温度计包括黑色金属球壳和伸入所述黑色金属球壳内部的第一测温元件；
白球温度计包括白色金属球壳和伸入白色金属球壳内部的第二测温元件。
在一个实施例中，所述第一测温元件的第一测温探点位于黑色金属球壳的球心处；黑球温度计由第一支撑杆支撑于空气中，黑色金属球壳与第一支撑杆的相接部分由第一隔热材料隔开；第一测温元件将信号传递至数据记录仪；
在一个实施例中，第二测温元件的第二测温探点位于白色金属球壳球心处；白球温度计由第二支撑杆支撑于空气中，白色金属球壳与第二支撑杆的相接部分由第二隔热材料隔开；第二测温元件将信号传递至数据记录仪。
本发明另一目的在于提供一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：
本发明提供一种对室外环境的平均长波辐射通量、平均短波辐射通量和平均辐射温度进行测量的物理装置，及其配套的信号处理与计算方法。本发明可直接应用于大范围、多点位的室外热环境评估（普通条件），特别是晴朗炎热夏日的室外热环境安全监测（极端条件）。
本发明的物理装置为双色球形温度计组，无特殊工艺或功能要求。主要创新点在于通过加大采样密度创造信号分析可能性，并提供配套的信号分析、处理和参数计算方法，属于信号优化方法。本发明与现存该领域其他研究所依靠的物理优化方法明显理念不同，具有显著的创新性。
第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明克服了黑球温度计计算结果离散过大的问题，测量出的平均辐射温度准确度高，噪声成分低，有利于数据的直接应用及室外热环境的对比研究。
本发明克服了常规黑球温度计无法区分环境中的长波辐射通量与短波辐射通量的问题。
本发明克服了三维辐射积分法“日间回退”的问题。该方法全日各时段不分昼夜均有效，且硬件成本远远低于三维辐射积分法。
本发明无需加热及自动控制元件，物理装置简单经济，对加工工艺要求低。克服了双球辐射计的高工艺要求问题。
本发明通用性强。该发明的配套算法对于各种尺寸的双色球形温度计组具有普遍适用性，用户可根据应用精度需求选用特定的球形温度计组或调校自制的双色球形温度计组。
本发明易于实现功能拓展，可快速并入现有热环境监测仪器（组、网）中，比如城市气象站，经济快速地实现大范围、多点位的监测网布置。
本发明的应用形式灵活。启动时间序列准备完成后，既可实现定点长期监测，又可实时监控，当热辐射环境异常（平均辐射温度过高）时迅速发出警报。
第三、作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
（1）本发明物理装置简单经济，具有大规模应用的潜力。将双球温度计组集成到现有地面气象观测系统中，比如成为气象站中的一个测量单元，将本发明提供的算法写入处理器，即可实现原有观测系统的功能拓展，从而使现有观测系统具有更大的应用价值。
本发明成为传统黑球温度计的升级替代产品，测量精度更高，可转化为一种可靠性更强的室外热环境测量的专业仪器。
本发明有望成为三维辐射积分法的功能替代产品，硬件成本大幅降低，可转化为一种更经济的室外热环境测量的专业仪器。
（2）本发明提出了球形温度计室外应用中的高阶热平衡的概念，提出以信号分析手段利用室外环境参数信号的频域特性差异，提高热环境的辐射测量精度；并在此基础上通过添加简单的物理装置实现了长、短波辐射通量的分别测量。本发明提供的相关概念、信号优化及应用方法为国内外首次提出，填补了室外热环境测量领域的技术空白。
（3）本发明利用室外环境参数信号的频域特性差异，通过加大采样密度创造信号分析可能性，并提供配套的信号分析、处理和参数计算方法，属于信号优化方法。本发明与现存该领域其他研究所尝试采用的物理优化方法理念明显不同，具有显著的创新性。
本发明从信号分析的角度解决球形温度计在室外应用中计算结果离散剧烈的问题；并解决室外辐射测量工具成本高、工艺复杂、加工精度要求高等问题。
本发明通过上述信号优化及应用方法，以相对简单经济的物理装置方案，解决了室外热环境测量领域长期以来亟待解决的技术难题。解决了球形温度计精度差的问题；解决了低成本球形温度计系统无法区分长、短波辐射通量的问题；解决了三维辐射积分法缺乏可靠廉价替代产品的问题；并且本发明的方案全日所有时段均有效，无“日间回退”问题。
（4）本发明克服了室外热环境测量领域在黑球温度计应用中关于黑球系统处于瞬态热平衡的技术偏见，提出瞬态热平衡假设在室外条件下无效。本发明提出了更符合客观事实的球形温度计系统室外条件下的高阶热平衡概念，并以信号分析手段加以利用。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的双色球形温度计组配套硬件装置示意图；其中，黑球温度计的剖面图（左）与白球温度计的剖面图（右）；
图2中：1、黑色金属球壳；2、第一隔热材料；3、第一支撑杆；4、第一测温元件；5、第一测温探点；6、白色金属球壳；7、第二隔热材料；8、第二支撑杆；9、第二测温元件；10、第二测温探点；11、数据记录仪；
图3是本发明实施例提供的
Figure SMS_64
与u的Spearman相关系数示意图；
图4（a）是本发明实施例提供的Morlet交叉小波分析中
Figure SMS_65
与u的小波相干图；
图4（b）是本发明实施例提供的Morlet交叉小波分析中
Figure SMS_66
与u的小波相干图；
图5是本发明实施例提供的测算的短波辐射通量K与长波辐射通量L与三维辐射积分法测量值（虚线）的比较图；
图6（a）是本发明实施例提供的辐射测量精度分析中所有短波辐射通量K测量值的精度分析图；
图6（b）是本发明实施例提供的辐射测量精度分析中所有长波辐射通量L测量值的精度分析图；
图7是本发明实施例提供的测算的平均辐射温度与常规黑球温度计方法比较图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一、解释说明实施例：
本发明实施例提供一种利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，目的是提供一种灵活性强、拓展度高、结构简单的室外环境辐射测算方法，既可分别测量长波辐射通量和短波辐射通量，也可测量平均辐射温度。
本发明从信号分析的角度解决球形温度计在室外应用中计算结果离散剧烈的问题；并解决室外辐射测量工具成本高、工艺复杂、加工精度要求高等问题。
本发明所采用的物理装置与常规黑球形温度计在结构上相似，但增加一个白球温度计，二者共同组成双色球形温度计组。
与常规气象观测方法相比，本发明采用了更高的数据采样频率，从而具有更大的信号分析处理空间。
如图1所示，本发明实施例提供一种利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法包括：
S1，利用高阶热平衡理论对双色球形温度计组进行出厂调校，获取标定的表达风速、滤波阈，以及推导的高阶对流换热系数公式；
S2，利用出厂调校后的双色球形温度计组，用户根据不同辐射测量需求，选取不同数据记录模式，进行室外热辐射数据测量；
S3，处理器对测量的室外热辐射数据自动进行短波辐射通量、长波辐射通量、平均辐射温度参数的计算，并记录环境辐射的测量结果。
在本发明实施例中，本发明实施例提供的技术方案包括：在投入使用前先对双色球形温度计组的热响应规律进行标定和出厂调校；使用时，处理器根据调校结果自动完成辐射相关参数的测算，从而减少用户的操作工作量。
本发明实施例提供的出厂调校技术方案为：通过相关性分析标定黑球温度计的表达风速；通过时频分析识别黑球温度与表达风速的耦合频域并确定滤波阈；参照滤波阈剔除各参数中的高频信号分量，对保留的较低频信号分量重新拟合球形温度计高阶对流换热系数公式，并根据高阶热平衡理论推导出室外长波辐射通量与短波辐射通量的计算式。
下面从物理装置、交付使用前的调校、室外应用时的操作方法和测量系统的自动计算方法四个方面详细说明本发明方案。
实施例1。
本发明实施例提供一种物理装置——双色球形温度计组配套硬件装置。
本发明实施例提供的物理装置为双色球形温度计组，由黑、白两个球形温度计组成。除球体外表面颜色外，两个球形温度计的结构相同，均与普通黑球温度计结构类似，无需内置加热或增加其他功能、无需提高加工工艺要求。双色球形温度计组配套硬件装置的物理构造如图2所示，包括黑球温度计和白球温度计；
黑球温度计包括黑色金属球壳1和伸入所述黑色金属球壳1内部的第一测温元件4；第一测温元件4的第一测温探点5位于黑色金属球壳1的球心处；比如测温元件为k型热电偶，它形如电线，一端自带测温探点（不需额外安装测温探点），另一端连接到数据记录仪即可测量温度；
黑球温度计由第一支撑杆3支撑于空气中，黑色金属球壳1与第一支撑杆3的相接部分由第一隔热材料2隔开；第一测温元件4将信号传递至数据记录仪11；
白球温度计包括白色金属球壳6和伸入白色金属球壳6内部的第二测温元件9；第二测温元件9的第二测温探点10位于白色金属球壳6球心处；白球温度计由第二支撑杆8支撑于空气中，白色金属球壳6与第二支撑杆8的相接部分由第二隔热材料7隔开；第二测温元件9将信号传递至数据记录仪11。
如图2所示物理装置无具体尺寸及参数要求，但满足：
所有测温探点位于球心。
所有测温元件须体积小、精度高、反应敏锐，比如k型热电偶。
两金属球壳应采用导热系数大的材料（如铜、铝、银等）制作，球壁不宜过厚，球体外直径不宜大于0.1m，推荐直径为0.04m。
球形结构系统（含球壳、球内空气、测温元件）热容不应过大。
隔热材料尽量阻断金属球壳与支撑杆之间的热传导。
两球体外表面需分别施哑光黑漆、哑光白漆，需采用相同施漆工艺（如静电喷涂）与施漆厚度。表面漆完全干燥后，需实测两球体外表面的长波发射率与短波发射率。
采集信号为黑球球心空气温度（
Figure SMS_67
）、白球球心空气温度（/>
Figure SMS_68
），故需至少两通道数据记录仪。
该装置与常规黑球温度计使用条件一致，即需配合气温（ta）、风速（V）测量，比如将该系统整合到气象台（站），或配套独立的气温、风速测量装置。
满足以上条件的双色球形温度计组都具备使用本发明技术方案的可能性，但须进行交付使用前的调校（出厂调校）。
上述双色球形温度计组的物理装置一旦确定，需记录以下特征常数作为已知条件供后续调校、计算使用：黑球温度计的时间常数
Figure SMS_69
、黑球长波发射率/>
Figure SMS_70
、黑球短波发射率
Figure SMS_71
；白球长波发射率/>
Figure SMS_72
、白球短波发射率/>
Figure SMS_73
。
实施例2。
本发明实施例提供的双色球形温度计组交付使用前的调校（出厂调校）包括：
在将双色球形温度计组移至室外使用之前，需在实验室的风洞内完成准备性的参数调校工作，调校步骤按先后顺序依次为：
①标定风速预处理的最优前窗宽度
Figure SMS_74
，建立表达风速u时间序列；
②识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈；
③拟合高阶对流换热系数公式。
在本发明实施例中，①标定风速预处理的最优前窗宽度
Figure SMS_75
，建立表达风速u时间序列包括：
室外自然风速与其他气象参数相比属于一种高频成分丰富的信号，抖动非常剧烈。而球形温度计受自身热容制约，热惯性较大，球温仅能与风速的某平均值具有明显负相关性。本步骤是为判定物理装置双色球形温度计组所能有效表达的平均风速（表达风速）。
标定环境要求：
推荐在定辐射风洞中进行。风洞内下行短波辐射K=800～1000W/m2，或取项目开展当地的年最大太阳辐射值；风速波动幅值和频率均需模拟室外自然风，风速不大于10m/s（本系统的目标应用环境不包括台风等极端风力条件）。
如无以上条件风洞，可在与地环境条件相近的室外直接进行实测标定。推荐于夏季日间短波辐射强度最强的2个小时（约正午）开展室外标定实验。
在本发明实施例中，室外标定方法包括：
（1）将双色球形温度计组移至标定环境中，记录风速V与黑球温度
Figure SMS_76
。其中V的采样频率为1Hz，/>
Figure SMS_77
采样频率为0.1Hz。采样持续时长不短于2小时。
（2）对V开展前窗滑动平均，生成平均风速
Figure SMS_78
的时间序列。鉴于球形温度计只会响应某时刻之前的风速，故此应用中某时刻的平均风速应为该时刻之前、窗宽/>
Figure SMS_79
时长内的所有风速采样值的平均值。此处理方法与常规滑动平均不同，故定义为前窗滑动平均。
（3）对平均风速
Figure SMS_80
进行下采样，生成表达风速u的时间序列。要求表达风速u的时间序列与/>
Figure SMS_81
数据时刻一一对应，数据间隔一致。
（4）计算表达风速u与
Figure SMS_82
的Spearman相关系数。对表达风速u和/>
Figure SMS_83
进行时间序列间的相关性分析，推荐采用Spearman相关系数。其中，相关性分析的方法有多种，Spearman相关系数效果较好，某些情况下Pearson相关系数也可采用。
（5）确定最优前窗宽度
Figure SMS_84
。重复步骤（2）、步骤（3）、步骤（4），令最优前窗宽度/>
Figure SMS_85
历遍
Figure SMS_86
与/>
Figure SMS_87
之间的所有整数；其中，/>
Figure SMS_88
是黑球温度计的时间常数；/>
Figure SMS_89
是黑球温度计的响应时间，其中，时间常数×ln10=响应时间，具有Spearman相关系数最小（最接近-1）的窗宽，即为最优前窗宽度/>
Figure SMS_90
，其对应的u即为双色球形温度计组的表达风速u。
在本发明中时间序列是一种数据格式，时间序列是指一系列数值，每个数值都有其对应的时间含义。比如12:00风速为2m/s；12:01风速为3m/s；12:02风速为1m/s。则2，3，1构成风速时间序列。
示例性的，最优前窗宽度
Figure SMS_91
为双色球形温度计组的固有参数之一，与黑球温度计的系统热容有关，对于某特定的双色球形温度计组，终生只需标定一次（投入正式使用前）。如不具备上述标定条件，实验表明取τ c =τ b 也可获得较好效果。
确定最优前窗宽度
Figure SMS_92
后，后续所有应用风速都需按照上述步骤（2）、步骤（3）预处理至表达风速u再参与计算。
在本发明实施例中，②识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈包括：
黑球温度与表达风速的耦合频域可以通过时频分析标定，进而可以确定滤除高频信号分量的滤波阈。本发明采用交叉小波分析进行时频分析，具体方法如下：
步骤②中，识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈包括以下步骤：
（a）对黑球温度
Figure SMS_93
和表达风速u的时间序列做交叉小波能量谱，以红噪声检验标定95%置信区间所在频域范围为二者的共有周期；多种复小波都可用于交叉小波分析，由于本发明涉及的参数皆为气象参数，推荐使用Morlet小波。
（b）对黑球温度
Figure SMS_94
和表达风速u的时间序列做小波相干，标定95%置信区间所在频域范围为二者的趋势互锁频域；
（c）将共有周期与趋势互锁频域中的共同部分标记出来，此频域范围为黑球温度
Figure SMS_95
和表达风速u的耦合频域P；
（d）将耦合频域P对应的最低频标记为滤波阈。耦合频域P及其以上更高频的信号分量将造成高阶热平衡的信号噪声，故需全部滤掉。
示例性的，黑球温度计与白球温度计的系统热容相近，二者对风速的耦合频域基本一致。但黑球温度的波动幅度更大，更易识别，故只标定
Figure SMS_96
与u的耦合频域。
在本发明实施例中，③拟合球形温度计组的高阶（低频）对流换热系数公式：
（d）将耦合频域P对应的最低频标记为滤波阈。耦合频域P及其以上更高频的信号分量将造成高阶热平衡的信号噪声，故需全部滤掉。
示例性的，黑球温度计与白球温度计的系统热容相近，二者对风速的耦合频域基本一致。但黑球温度的波动幅度更大，更易识别，故只标定
Figure SMS_97
与u的耦合频域。
在本发明实施例中，③拟合球形温度计组的高阶（低频）对流换热系数公式：
拟合实验要求：
拟合实验需对下列参数进行实测：K、L、
Figure SMS_98
、/>
Figure SMS_99
、ta、V。其中辐射、温度采样频率为0.1Hz，风速采样频率为1Hz。
推荐在变辐射风洞中进行。风洞内短波辐射K与长波辐射L模拟夏季普通室外晴朗日间条件。风速波动幅值和频率均需模拟室外自然风，风速范围0.2～10m/s。
如无以上条件风洞，可在与地环境条件相近的室外直接进行实测实验。
无论利用风洞模拟或室外实测，实验时长内K值应模拟（或记录）至少一个日出-日中-日落过程。
在本发明实施例中，拟合球形温度计组的高阶（低频）对流换热系数公式包括以下：
（a）风速预处理。以步骤①中标定的最优窗宽
Figure SMS_100
对V做前窗滑动平均，然后下采样获得表达风速u的时间序列。
（b）对黑球温度
Figure SMS_101
，白球温度/>
Figure SMS_102
，空气温度ta，表达风速u进行滤波。参照步骤②中标定的滤波阈，将温度与风速时间序列耦合频域P及其以上更高频的信号分量全部滤掉。可使用Symlet16小波以离散小波分解方法进行滤波。滤波后形成的新时间序列为tg b·A 、tg w·A 、ta A 、u A ，各参数的脚标A表示为滤波前各时间序列的低频信号分量。
（c）计算双色球形温度计组时间序列的各个时刻对应的对流换热系数。用公式（1）计算各时刻黑球温度计的高阶对流换热系数
Figure SMS_103
，用公式（2）计算各时刻白球温度计的高阶对流换热系数/>
Figure SMS_104
。
Figure SMS_105
（1）
Figure SMS_106
（2）
其中：式中，
Figure SMS_107
表示各时刻黑球温度计的高阶对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；
Figure SMS_108
表示各时刻白球温度计的高阶对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；K为标定过程中测得的标定环境短波辐射通量，单位为W/m2；L为标定过程中测得的标定环境长波辐射通量，单位为W/m2；/>
Figure SMS_109
表示斯蒂芬玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·℃4)；/>
Figure SMS_110
表示环境发射率，指球形温度计所处周围环境的平均长波发射率，可根据双色球形温度计组所在的应用环境进行估计，通常可取0.95；
Figure SMS_111
、/>
Figure SMS_112
、/>
Figure SMS_113
、/>
Figure SMS_114
分别表示黑球温度计的短波发射率、黑球温度计长波发射率、白球温度计的短波发射率、白球温度计的长波发射率，根据实测确定。
（d）拟合高阶
Figure SMS_115
关系式，根据公式（3）和公式（5）拟合黑球温度计的高阶
Figure SMS_116
关系式；根据公式（4）和公式（5）拟合白球温度计的高阶/>
Figure SMS_117
关系式；
Figure SMS_118
（3）
Figure SMS_119
（4）
Figure SMS_120
（5）
式中，Nub表示黑球温度计的高阶努谢尔特数；Nuw表示白球温度计的高阶努谢尔特数；Re表示高阶雷诺数。D表示球形温度计的直径，单位为m；λ表示空气的导热系数，单位为W/(m·℃)；ν表示空气的运动黏度，单位为m2/s；
（e）推导双色球形温度计组高阶对流换热公式，从高阶
Figure SMS_121
关系式推导黑球温度计的高阶对流换热系数经验公式/>
Figure SMS_122
；从高阶/>
Figure SMS_123
关系式推导白球温度计的高阶对流换热系数经验公式/>
Figure SMS_124
。
示例性的，因辐射主要成分为低频信号，K、L滤波前后几乎无差异，故只对
Figure SMS_125
、/>
Figure SMS_126
、ta、u进行滤波。/>
一般情况下黑球温度计的
Figure SMS_127
关系式拟合度较好，白球温度计的/>
Figure SMS_128
关系式可能会出现拟合度略差的情况，这是因为白球温度波动幅度比较局限，但并不会影响计算精度。
实施例3。
在本发明实施例中，室外应用时的操作方法包括：
经过上述实施例2出厂调校后，双色球形温度计组可移至室外环境中应用。本发明实施例对观测现场的布置要求与常规气象观测基本一致，但需满足：
双色球形温度计组的两个球心在同一水平面上，间距应大于2.5D（两者之间的角系数小于1%），但也不应过远，推荐间距为5~10D。过近两者之间的辐射换热会互相影响，过远会使两者所处的环境条件差异过大。
气温测量装置与风速测量装置应布置在与双色球形温度计组较近的地方。推荐将双色球形温度计组集成到气象台（站）。
温度（气温、黑球温度、白球温度）采样频率为0.1Hz，精度不低于±0.5℃，风速采用频率为1Hz，精度不低于±0.2m/s。
测量场布置完成后，需先运行一段时间，获得启动时间序列后方可开始长期监测或实时监测。启动时间序列推荐于上午开始测量，时长为24小时，不宜短于6小时。
用户根据辐射测量的应用目的，选取数据记录（或输出）模式为“长期模式”或“实时模式”。
示例性的，“长期模式”记录长时间的室外热辐射数据，计算量更小，用于环境评估；“实时模式”时刻对比测量进行当时的环境辐射是否超过安全值，计算量大，用于晴朗炎热夏日的室外热环境安全监测。两种模式的数据处理方法及算法相同，但分析窗的宽度及滑移方式不同。具体分析见实施例4。
实施例4。
在本发明实施例中，测量系统的自动计算方法包括：
室外测量获得的各参数时间序列通过处理器自动处理、计算K、L、
Figure SMS_129
，整个过程无需用户干预。根据出厂调校，将下列算法写入处理器以进行自动计算。自动计算过程如下：
（i）风速预处理：根据需要在各时间序列中取分析窗
Figure SMS_130
，推荐分析窗宽度不短于3h。提取分析窗内的风速V时间序列，根据调校①标定的最优窗宽/>
Figure SMS_131
对V进行前窗滑动平均并下采样处理至表达风速u。
（ii）滤波：根据调校②标定的滤波阈，将分析窗内
Figure SMS_132
、/>
Figure SMS_133
、ta、u四个时间序列滤波至tg b·A 、tg w·A 、ta A 、u A 。
（iii）计算短波辐射通量K与长波辐射通量L：根据黑球、白球的高阶热平衡关系，将分析窗
Figure SMS_134
内各时刻的短波辐射通量K按公式（6）自动计算，长波辐射通量L按公式（7）自动计算；
Figure SMS_135
Figure SMS_136
（6）/>
Figure SMS_137
Figure SMS_138
（7）
其中，
Figure SMS_139
和/>
Figure SMS_140
为调校步骤③确定的高阶对流换热系数公式；
（iv）计算各时刻的平均辐射温度
Figure SMS_141
：分析窗/>
Figure SMS_142
内各时刻的平均辐射温度/>
Figure SMS_143
按照公式（8）自动计算，单位为℃；
Figure SMS_144
（8）
（v）根据用户选择的应用模式，向后滑移分析窗并重复步骤（i）至（iv）计算并记录环境辐射的测量结果。
示例性的，分析窗
Figure SMS_145
是从测得的风速、温度参数时间序列中提取的，用于进行风速预处理、滤波、计算的时间序列长度，注意与前窗宽度/>
Figure SMS_146
区分。分析窗宽度不会影响窗内算法，但会影响数据处理量。需根据辐射测量的目的灵活选取分析窗宽度。比如当用户选择“长期模式”，目的在于记录长期辐射监测数据，用于热环境评估等，分析窗可更宽而滑移次数更少，前后分析窗衔接且无交叉（比如/>
Figure SMS_147
=24h）；当用户选取“实时模式”，目的在于获得测量进行当时的热辐射强度，比如用于室外热环境风险预警等，分析窗可更短（比如/>
Figure SMS_148
=3h），并且需跟随风速、温度的测量实时滑移分析窗，前后分析窗有交叉，读取分析窗末尾计算值即为实时辐射测量数值。
示例性的，平均辐射温度为对象相关参数，此处遵循经典定义以黑球计算。近年有分析建议将人作为分析对象时，应按照灰球计算平均辐射温度，此时只需将公式（8）中的长波发射率ε bL 和短波发射率ε bK 调换成灰体的相应数值。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
二、应用实施例：
应用例1。
本发明应用案例使用的双色球形温度计组物理结构为：铜制，外直径0.04m，壁厚1mm。系统热容C=3900J/(m2·℃)，为方便计算此热容为平均到球体的单位外表面积的热容。黑球温度计时间常数
Figure SMS_149
约为180s。测温元件为k型热电偶。分光光度计测得黑球温度计的长波发射率/>
Figure SMS_150
=0.96、短波发射率/>
Figure SMS_151
=0.95；白球温度计的长波发射率/>
Figure SMS_152
=0.85、短波发射率/>
Figure SMS_153
=0.24。
以上双色球形温度计组硬件装置成本约为50元人民币。
双色球形温度计组交付使用前的调校如下：
出厂调校①，如图3黑球温度
Figure SMS_154
与表达风速u的Spearman相关系数，τ c =[τ b :τ b ln10]。
据图3可知，前窗滑动平均获得的表达风速u与黑球温度
Figure SMS_155
的最小Spearman相关系数为-0.808，对应的最优前窗宽度/>
Figure SMS_156
=239s。
另：时间常数
Figure SMS_157
（180s），对应的Spearman相关系数为-0.787。可见/>
Figure SMS_158
与/>
Figure SMS_159
效果较为接近。
出厂调校②，如图4（a）Morlet交叉小波分析中tg b 与u的交叉小波谱分析图，图4（b）Morlet交叉小波分析中tg b 与u的小波相干图。提取共有周期和趋势互锁频域的共同部分，获得tg b 与u的耦合频域P在周期从2min至近16min。
本发明采用Symlet16小波分解进行滤波，第6层对应的傅里叶周期为15.75min（滤波阈），故滤除第6层及以下所有高频信号分量。也可采用其他滤波方法。
出厂调校③：
将tg b 、tg w 、ta、u滤波，滤波后形成的新时间序列为tg b·A 、tg w·A 、ta A 、u A 。
拟合高阶Nu-Re关系为：
黑球温度计：Nub=0.583Re0.52，R2=0.902，即
Figure SMS_160
。
白球温度计：Nuw=0.435Re0.55，R2=0.670，即
Figure SMS_161
。
该双色球形温度计组出厂调校到此结束。经出厂调校最终确定：本案例使用的双色球形温度计组的表达风速为窗宽239s的前窗滑动平均风速；滤波阈对应傅里叶周期15.75min；黑球和白球的高阶对流换热公式分别为：
Figure SMS_162
和
Figure SMS_163
。
以下为上述双色球形温度计组的室外应用效果。案例测量的是8月某日某城市某地的室外热环境辐射，图5以其中两日数据为例。其中图5为本发明测算的短波辐射通量K与长波辐射通量L与参考值（虚线）的比较图，参考值为三维辐射积分法测量值；
据图5可见本发明方法是全日各时段不分昼夜均适用的，测量值与三维辐射积分法吻合度很高，并且本发明显著地克服了三维辐射积分法的“日间回退”（约发生于12:00-13:00）的问题。
图6（a）是本发明实施例中所有短波辐射通量K测量值的精度分析图；其中，作参考值K为三维辐射积分法测量值。
图6（b）是本发明实施例中所有长波辐射通量L测量值的精度分析图；其中，作参考值L为三维辐射积分法测量值。
图7为本发明实施例提供的平均辐射温度测算值与常规黑球温度计方法比较图；
据图7可见本发明方法有效地消除了室外平均辐射温度测量结果中的信号噪声，具有实际使用的可行性，可用于科学研究、热环境改进效果比较、环境监测等。
应用例2。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random AccessMemory，RAM）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
三、实施例相关效果的证据：
实验表明，
本发明在分析了大量室外实测的短波辐射、长波辐射和风速时间序列的小波能量谱后，发现室外辐射的波动以24小时为主导周期，其波动频率远小于风速。在黑球温度计的常规室外应用中，风速的剧烈波动是计算结果的信号噪声来源，而辐射与风速对黑球温度的主导影响表现在互不重合的频域上，因此可以通过交叉小波分析判断风速与球温的耦合频域，再对各参数进行滤波，仅保留与辐射直接相关的较低频信号分量。
本发明不对球形温度计的结构做明显改进，但提高各环境参数的采样频率，从信号分析的角度出发，提出一种利用双色球形温度计组测量室外长波辐射、短波辐射，进而计算室外平均辐射温度的物理装置及其配套算法，以解决目前室外环境辐射场监测成本高、精度低、元件加工工艺要求高、日间回退等问题。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，利用高阶热平衡理论对双色球形温度计组进行调校，获取标定的表达风速、滤波阈以及推导的高阶对流换热系数公式；
S2，用户根据不同辐射测量需求，利用调校后的双色球形温度计组选取不同数据记录模式，进行室外热辐射数据测量；
S3，处理器对测量的室外热辐射数据自动进行短波辐射通量、长波辐射通量、平均辐射温度参数的计算，并记录环境辐射的测量结果。
2.根据权利要求1所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，在步骤S1中，利用高阶热平衡理论对双色球形温度计组进行调校中，双色球形温度计组在实验室的风洞内进行参数调校，步骤以下包括：
①标定风速预处理的最优前窗宽度
Figure QLYQS_1
，建立表达风速时间序列；
②识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈；
③拟合高阶对流换热系数公式。
3.根据权利要求2所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，步骤①中，标定风速预处理的最优前窗宽度
Figure QLYQS_2
，建立表达风速时间序列包括以下步骤：
（1）将双色球形温度计组移至标定环境中，记录风速V与黑球温度
Figure QLYQS_3
；其中风速V的采样频率为1Hz，黑球温度
Figure QLYQS_4
采样频率为0.1Hz；
（2）对风速V进行前窗滑动平均，生成平均风速的时间序列；双色球形温度计组只响应某时刻之前的风速，某时刻的平均风速为该时刻之前、最优前窗宽度时长内的所有风速采样值的平均值；
（3）对平均风速
Figure QLYQS_5
进行下采样，生成表达风速u的时间序列；其中表达风速u的时间序列与黑球温度
Figure QLYQS_6
数据时刻一一对应，数据间隔一致；
（4）计算表达风速u与黑球温度
Figure QLYQS_7
的Spearman相关系数，确定最优前窗宽度
Figure QLYQS_8
；
（5）重复步骤（2）、步骤（3）、步骤（4），令最优前窗宽度
Figure QLYQS_9
历遍
Figure QLYQS_10
与
Figure QLYQS_11
之间的所有整数；其中，
Figure QLYQS_12
是黑球温度计的时间常数；
Figure QLYQS_13
是黑球温度计的响应时间。
4.根据权利要求3所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，所述Spearman相关系数接近-1的窗宽为最优前窗宽度
Figure QLYQS_14
，其对应的时间序列为双色球形温度计组的表达风速u。
5.根据权利要求2所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，步骤②中，识别黑球温度计与风速的耦合频域，确定滤波阈包括以下步骤：
（a）对黑球温度
Figure QLYQS_15
和表达风速u的时间序列做交叉小波能量谱，以红噪声检验标定95%置信区间所在频域范围为二者的共有周期；
（b）对黑球温度
Figure QLYQS_16
和表达风速u的时间序列做小波相干，标定95%置信区间所在频域范围为二者的趋势互锁频域；
（c）将共有周期与趋势互锁频域中的共同部分标记出来，此频域范围为黑球温度
Figure QLYQS_17
和表达风速u的耦合频域P；
（d）将耦合频域P对应的最低频标记为滤波阈。
6.根据权利要求2所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，步骤③中，拟合高阶对流换热系数公式包括以下步骤：
（a）风速预处理，以标定的最优窗宽
Figure QLYQS_18
对风速V做前窗滑动平均，然后下采样获得表达风速u的时间序列；
（b）对黑球温度
Figure QLYQS_19
，白球温度
Figure QLYQS_20
，空气温度ta，表达风速u进行滤波；参照标定的滤波阈，将温度与风速时间序列耦合频域P及其以上更高频的信号分量全部滤掉，滤波后形成的新时间序列为
Figure QLYQS_21
，各参数的脚标A表示为滤波前各时间序列的低频信号分量；
（c）计算双色球形温度计组时间序列的各个时刻对应的对流换热系数，用公式（1）计算各时刻黑球温度计的高阶对流换热系数
Figure QLYQS_22
，用公式（2）计算各时刻白球温度计的高阶对流换热系数
Figure QLYQS_23
；
Figure QLYQS_24
（1）
Figure QLYQS_25
（2）
式中，
Figure QLYQS_28
表示各时刻黑球温度计的高阶对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；
Figure QLYQS_29
表示各时刻白球温度计的高阶对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；K为标定过程中测得的标定环境短波辐射通量，单位为W/m2；L为标定过程中测得的标定环境长波辐射通量，单位为W/m2；
Figure QLYQS_31
表示斯蒂芬玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·℃4)；
Figure QLYQS_27
表示球形温度计所处周围环境的平均长波发射率，通常可取0.95；
Figure QLYQS_30
、
Figure QLYQS_32
、
Figure QLYQS_33
、
Figure QLYQS_26
分别表示黑球温度计的短波发射率、黑球温度计长波发射率、白球温度计的短波发射率、白球温度计的长波发射率，上述发射率根据实测确定；
（d）拟合高阶
Figure QLYQS_34
关系式，根据公式（3）和公式（5）拟合黑球温度计的高阶
Figure QLYQS_35
关系式；根据公式（4）和公式（5）拟合白球温度计的高阶
Figure QLYQS_36
关系式；
Figure QLYQS_37
（3）
Figure QLYQS_38
（4）
Figure QLYQS_39
（5）
式中，Nub表示黑球温度计的高阶努谢尔特数；Nuw表示白球温度计的高阶努谢尔特数；Re表示高阶雷诺数；D表示球形温度计的直径，单位为m；λ表示空气的导热系数，单位为W/(m·℃)；ν表示空气的运动黏度，单位为m2/s；
（e）推导双色球形温度计组高阶对流换热公式，从高阶
Figure QLYQS_40
关系式推导黑球温度计的高阶对流换热系数经验公式
Figure QLYQS_41
；从高阶
Figure QLYQS_42
关系式推导白球温度计的高阶对流换热系数经验公式
Figure QLYQS_43
。
7.根据权利要求2所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，在步骤S3中，处理器对测量的室外热辐射数据自动进行短波辐射通量、长波辐射通量、平均辐射温度参数的计算包括以下步骤：
（i）风速预处理：在各时间序列中取分析窗
Figure QLYQS_44
，分析窗
Figure QLYQS_45
的宽度不短于3h；提取分析窗
Figure QLYQS_46
内的风速V的时间序列，根据标定的最优前窗宽度
Figure QLYQS_47
对风速V进行前窗滑动平均并下采样处理至表达风速u；
（ii）滤波：根据标定的滤波阈，将分析窗内
Figure QLYQS_48
四个时间序列滤波至
Figure QLYQS_49
；
（iii）计算短波辐射通量K与长波辐射通量L：根据黑球、白球的高阶热平衡关系，将分析窗τf内各时刻的短波辐射通量K按公式（6）自动计算，长波辐射通量L按公式（7）自动计算；
Figure QLYQS_50
Figure QLYQS_51
（6）
Figure QLYQS_52
Figure QLYQS_53
（7）
其中，
Figure QLYQS_54
和
Figure QLYQS_55
为调校确定的高阶对流换热系数公式；
（iv）计算各时刻的平均辐射温度
Figure QLYQS_56
：分析窗
Figure QLYQS_57
内各时刻的平均辐射温度
Figure QLYQS_58
按照公式（8）自动计算，单位为℃；
Figure QLYQS_59
（8）
（v）根据用户选择的应用模式，向后滑移分析窗并重复步骤（i）至（iv）计算并记录环境辐射的测量结果。
8.一种双色球形温度计组配套硬件装置，实施权利要求1-7任意一项所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法，其特征在于，所述双色球形温度计组配套硬件装置包括黑球温度计和白球温度计；
黑球温度计包括黑色金属球壳（1）和伸入所述黑色金属球壳（1）内部的第一测温元件（4）；
白球温度计包括白色金属球壳（6）和伸入白色金属球壳（6）内部的第二测温元件（9）；
所述第一测温元件（4）的第一测温探点（5）位于黑色金属球壳（1）的球心处；黑球温度计由第一支撑杆（3）支撑于空气中，黑色金属球壳（1）与第一支撑杆（3）的相接部分由第一隔热材料（2）隔开；第一测温元件（4）将信号传递至数据记录仪（11）；
第二测温元件（9）的第二测温探点（10）位于白色金属球壳（6）球心处；白球温度计由第二支撑杆（8）支撑于空气中，白色金属球壳（6）与第二支撑杆（8）的相接部分由第二隔热材料（7）隔开；第二测温元件（9）将信号传递至数据记录仪（11）。
9.一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1-7任意一项所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求1-7任意一项所述的利用双色球形温度计组测量室外辐射的方法。
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