CN116538972B - 基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，包括以下步骤：根据温度和相位值进行曲线拟合，得到相位补偿公式；S2、在低温冰箱中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下测取等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值；根据相位补偿公式计算待测覆冰样品在特定温度下经补偿后的相位值；根据覆冰样品对应的相位值计算待测覆冰样品经补偿后的相位值的区域性偏差对角矩阵，根据该区域性偏差对角矩阵以及该待测覆冰样品所在区域经验线性方程计算得到系数向量，进而计算待测覆冰样品的厚度。本发明可实现积冰灾害下的气象站覆冰厚度的预测。

Description

基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置

技术领域

本发明属于微波检测技术领域，具体涉及一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置。

背景技术

高海拔地区气象站的微波覆冰检测技术是一种利用微波辐射探测冻冰厚度和性质的方法，广泛应用于高寒地区的气象观测和预报中。

在高海拔地区，气象观测是十分重要的，因为这些地区的气候环境十分恶劣，气象变化也往往非常剧烈，这给当地居民和旅游者的生命和财产安全带来了很大的威胁。微波覆冰检测技术具有许多优点，例如可以实现自动化观测，减少人力和物力成本；可以实现实时监测，以便及时采取相应的气象预警和措施；可以实现高精度探测，以提高气象预报和科学研究的准确性和可靠性。

总之，高海拔地区气象站的微波覆冰检测技术已经成为一种重要的气象观测手段，为保障当地居民和旅游者的生命和财产安全，以及促进高海拔气象科学研究提供了重要的支持和保障。

常用的覆冰厚度检测方法主要包括以下几种：

(1)红外线法

利用红外线辐射的吸收能力，通过测量红外线信号的强度来间接推断地面结冰的程度和厚度。该方法可以实现远距离探测和实时监测，并且对大气湿度、气温等因素的影响较小。其缺点是需要专用设备，成本较高；同时受到覆冰质量、表面反射率等因素的影响，精度有一定限制。

(2)超声波法

利用超声波的穿透能力，通过测量超声波信号的传播速度和衰减程度来判断地面是否结冰。该方法可以实现非接触式探测和实时监测，并且对大气湿度、气温等因素的影响较小。其缺点是需要专用设备，成本较高；同时受到覆冰质量、超声波传播介质等因素的影响，精度有一定限制。

(3) 激光干涉法

利用激光干涉的原理，通过测量激光信号的相位差来推断地面结冰的程度和厚度。该方法可以实现非接触式探测和高精度探测，并且对大气湿度、气温等因素的影响较小。其缺点是需要专用设备，成本较高；同时受到激光干涉的光程、光路等因素的影响，需要精确校准。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种检测精度较高的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，包括以下步骤：

S1、将阵列传输线置于冷冻空间中，随温度下降测取阵列传输线微波信号的相位值，根据温度和相位值进行曲线拟合，并得到相位补偿公式，其中/>为当前温度/>下的相位值，/>为待补偿温度/>下补偿后的相位值，/>为拟合曲线的斜率；

S2、在低温冰箱中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下测取等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值/>，其中i为覆冰样品个数；

S3、将待测覆冰样品和阵列微波传输线放置在一定温度的测量冷冻空间，测得当前温度下的阵列传输线微波信号的相位值，根据相位补偿公式计算待测覆冰样品在特定温度下经补偿后的相位值/>；

S4、根据覆冰样品对应的相位值计算待测覆冰样品经补偿后的相位值/>的区域性偏差对角矩阵/>，其中/>为衡量权重区域大小的参数，根据该区域性偏差对角矩阵以及该待测覆冰样品所在区域经验线性方程计算得到系数向量/>，其中该待测覆冰样品所在区域经验线性方程为/>，该区域经验线性方程是阵列传输线微波信号的相位值/>与覆冰厚度/>之间的线性关系，其中/>为斜率，/>为截距；/>为/>，/>为/>；

S5、根据以下公式计算待测覆冰样品的厚度。

接上述技术方案，步骤S2中覆冰样品个数大于等于100。

接上述技术方案，步骤S2中覆冰厚度是取自覆冰多个位置的平均值，按在1~10mm十个区间内按近似0.1mm增长的趋势制得100份，最后达到厚度10mm。

接上述技术方案，衡量权重区域大小的参数取值为1。

接上述技术方案，步骤S4中具体基于线性回归最小二乘法构建损失函数求得区域经验线性方程中的系数、/>。

接上述技术方案，步骤S1中，对温度和相位值/>进行拟合，得到拟合曲线，其中/>为斜率，/>为截距。

本发明还提供一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，该覆冰厚度预测装置用于实现上述技术方案所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法；该覆冰厚度预测装置包括微波信号发生器、阵列传输线和ADC转换模块，其中微波发生器与阵列传输线的始端相连，产生固定的微波频率信号；ADC转换模块与阵列传输线的尾端相连，获取微波信号的数字相位值。

接上述技术方案，阵列传输线是由多根传输线串联而成，包括测量部与接口部，其中测量部用于检测覆冰样品，接口部置于一防水层中，与微波信号发生器和ADC转换模块相连。

接上述技术方案，测量部分传输线包括多条传输线，传输线为铜制导线。

接上述技术方案，测量时，整个覆冰厚度预测装置装置置于一定温度的冷冻空间中。

本发明产生的有益效果是：本发明使用微波相位值来表征覆冰厚度，通过区域性线性加权拟合方法，建立了对待测覆冰样品微波信号相位值与覆冰厚度之间的定量数学计算模型，结合基于温差的相位补偿模型对待测覆冰样品微波信号相位值进行校正使得预测结果更加精确、鲁棒。

进一步地，相比于其它覆冰预测技术，本发明所提供的检测方法效率高，检测精度高，采用的检测装置结构简单，成本低。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法的流程图；

图2是本发明实施例温度和相位的拟合曲线示意图；

图3是本发明实施例基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置结构示意图；

图4是本发明实施例的阵列传输线的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，包括以下步骤：

S1、将阵列传输线置于冷冻空间中，随温度下降测取阵列传输线微波信号的相位值，根据温度和相位值进行曲线拟合，并得到相位补偿公式，其中/>为当前温度/>下的相位值，/>为待补偿温度/>下补偿后的相位值，/>为拟合曲线的斜率；

S2、在低温冰箱中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下测取等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值/>，其中i为覆冰样品个数；

S3、将待测覆冰样品和阵列微波传输线放置在一定温度的测量冷冻空间，测得当前温度下的阵列传输线微波信号的相位值，根据相位补偿公式计算待测覆冰样品在特定温度下经补偿后的相位值/>；

S4、根据覆冰样品对应的相位值计算待测覆冰样品经补偿后的相位值/>的区域性偏差对角矩阵/>，其中/>为衡量权重区域大小的参数，根据该区域性偏差对角矩阵以及该待测覆冰样品所在区域经验线性方程计算得到系数向量/>，其中该待测覆冰样品所在区域经验线性方程为/>，该区域经验线性方程是阵列传输线微波信号的相位值/>与覆冰厚度/>之间的线性关系，其中/>为斜率，/>为截距；/>为/>，/>为/>；

S5、根据以下公式计算待测覆冰样品的厚度。

该实施例针对单根直线传输线检测物料范围较小，不均匀等问题，采用阵列式传输线进行检测。在冷冻空间中随着温度下降，拟合温度与阵列传输线微波信号初始相位值之间的关系，推导出在不同温度下的相位补偿的数学模型；同时，在多覆冰样本中进行待预测覆冰样品的厚度预测，引入区域性偏差对角阵来实现一种小区域的线性拟合方法，建立了对待测覆冰样品微波信号相位值与覆冰厚度之间的定量数学计算模型，相比于其它覆冰预测技术，本发明所提供的检测方法效率高，检测精度高。

实施例2

该实施例基于上述实施例1，将实施例1的方法具体进行实验。

将阵列微波传输线置于冷冻空间中，随着温度下降测取阵列传输线微波信号多个的初始相位，得到的实验数据表如下表1所示。

表1实验数据表

对所测量的温度和初始相位/>进行拟合，可以得到拟合曲线。

结合对关于温度/>和初始相位/>的表1中的一系列数据进行拟合得到拟合曲线的实际表达式：

,其中/>，/>。

拟合曲线如图2所示。

根据该拟合曲线得到随温度变化初始相位的差值表达式，待测覆冰相位引入此部分差值可得到补偿公式/>，其中，/>为/>温度下的测量相位，/>为待测覆冰样品相位补偿后的相位值，/>为待补偿温度，即实施例1中的步骤/>中实验时的特定温度，/>取-22℃。

由上述内容，可得到待测覆冰相位补偿公式的通式：

在冷冻空间中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下，即下测取1~10mm十个区间内按近似等额厚度/>分布的覆冰样品对应的相位值/>，其中/>为覆冰样本个数。在此专利中，覆冰样本个数/>取100份。

等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值/>数据如下表2所示：

表2不同厚度覆冰样品对应的相位值

等额厚度分布的覆冰样品可取自覆冰的上表面前后左右四个方向高度的平均值，四个方向的平均计算公式如下：

。

将待测覆冰样品所在区域经验线性方程表示为，该区域经验线性方程是阵列传输线微波信号的相位值/>与覆冰厚度/>之间的线性关系，其中/>为斜率，/>为截距。

基于线性回归最小二乘法构建损失函数即误差平方和，来求得区域经验线性方程中的系数、/>，损失函数表达式如下：

，其中m表示覆冰样本的个数，该实施例中取m=100，/>表示等额分布的覆冰样品厚度及对应的相位值/>。

进一步，引入区域性偏差对角矩阵来提高待测覆冰样品厚度的预测精度，该矩阵是一个对角矩阵，主对角线上的数值对应着每一个/>对待测覆冰样品补偿后的相位值/>的影响权重，式中/>为衡量权重区域大小的参数，在本实施例中/>。

基于区域性偏差对角矩阵的损失函数表达式如下：

基于区域性偏差对角矩阵的损失函数表达展开式为：

上式为标量，即可写为/>；

令矩阵;

基于区域性偏差对角矩阵的损失函数矩阵表达式如下：

,

进一步，令,其中/>为待测覆冰样品所在区域经验线性方程的系数向量，/>为/>，/>为/>，T表示矩阵转置。

基于区域性偏差对角矩阵的损失函数具体矩阵表达式如下：

令损失函数对待测覆冰样品所在区域经验线性方程的系数向量求取导数表达式如下：

进一步，由矩阵的运算微分性质化简得到以下表达式：

令导数表达式等于零，待测覆冰样品所在区域经验线性方程的系数向量计算表达式如下：

计算待测覆冰样品的预测厚度。

具体地，上述方法检验步骤如下：

取一待测覆冰样品，在阵列传输线装置-18℃时测得相位值=1042；

，由公式/>得：

待测覆冰样品补偿后得相位=1036；

计算待测覆冰样品补偿相位的区域性偏差对角矩阵,由式/>，/>取1，覆冰样品的维度为100，/>的维度即100x100；

由式求取待测覆冰样品所在区域经验线性方程的系数向量/>；

求得=0.0821，/>=-84.304；

由计算待测覆冰样品的预测厚度：

,求得/>=0.75mm，接近于真实值0.7mm。

实施例3

该实施例的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置主要用于实现上述实施例的方法，如图3所示，该覆冰厚度预测装置包括微波信号发生器4、阵列传输线1和ADC转换模块5，其中微波发生器4与阵列传输线1的始端相连，产生固定的微波频率信号；ADC转换模块5与阵列传输线4的尾端相连，获取微波信号的数字相位值。

具体地，其中，阵列传输线1包括测量部以及连接各个测量部的连接线，且测量部的首尾均连接接口部。测量部用于检测覆冰样品，接口部置于一防水层3中，两个接口部分别与微波信号发生器、ADC转换模块相连。

测量时，阵列传输线置于冷冻空间中。待测覆冰样品放置在阵列传输线上，阵列传输线是由多根传输线串联而成，如图4所示，测量部总共包括9条传输线，尺寸和材料分别是6根长度为6cm的铜制导线和3根长度为4cm的铜制导线。将整个预测装置的外壳设置为圆柱形，顶部设置阵列传输线，多根传输线平行整齐排列，中间等间距放置6根长度为6cm的铜制导线，两侧各放置1根长度为4cm的铜制导线，横向放置1根传输线。阵列传输线的始端通过一接口与微波信号发生器连接，尾端通过另一接口部与ADC转换模块相连。

基于实验装置中的ADC转换模块是基于12位分辨率，可以将相位值0~3.3V的模拟电压转换在数字电压0~4095的区间。

综上，本发明所提供的检测方法效率高，检测精度高，采用的检测装置结构简单，成本低，实质解决了对于积冰灾害下的气象站覆冰厚度的预测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将阵列传输线置于冷冻空间中，随温度下降测取阵列传输线微波信号的相位值，根据温度和相位值进行曲线拟合，并得到相位补偿公式，其中/>为当前温度下的相位值，/>为待补偿温度/>下补偿后的相位值，/>为拟合曲线的斜率；

S2、在低温冰箱中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下测取等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值/>，其中i为覆冰样品个数；

S3、将待测覆冰样品和阵列微波传输线放置在一定温度的测量冷冻空间，测得当前温度下的阵列传输线微波信号的相位值，根据相位补偿公式计算待测覆冰样品在特定温度下经补偿后的相位值/>；

S4、根据覆冰样品对应的相位值计算待测覆冰样品经补偿后的相位值/>的区域性偏差对角矩阵/>，其中/>为衡量权重区域大小的参数，根据该区域性偏差对角矩阵以及该待测覆冰样品所在区域经验线性方程计算得到系数向量/>，其中该待测覆冰样品所在区域经验线性方程为/>，该区域经验线性方程是阵列传输线微波信号的相位值/>与覆冰厚度/>之间的线性关系，其中/>为斜率，/>为截距；/>为，/>为/>；

S5、根据以下公式计算待测覆冰样品的厚度。

2.根据权利要求1所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，步骤S2中覆冰样品个数大于等于100。

3.根据权利要求2所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，步骤S2中覆冰厚度是取自覆冰多个位置的平均值，在1~10mm十个区间内按近似0.1mm增长的趋势制得100份，最后达到厚度10mm。

4.根据权利要求1所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，衡量权重区域大小的参数取值为1。

5.根据权利要求1所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，步骤S4中具体基于线性回归最小二乘法构建损失函数求得区域经验线性方程中的系数、/>。

6.根据权利要求1所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，步骤S1中，对温度和相位值/>进行拟合，得到拟合曲线/>，其中/>为斜率，/>为截距。

7.一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，该覆冰厚度预测装置用于实现权利要求1-5中任一项所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法；该覆冰厚度预测装置包括微波信号发生器、阵列传输线和ADC转换模块，其中微波信号发生器与阵列传输线的始端相连，产生固定的微波频率信号；ADC转换模块与阵列传输线的尾端相连，获取微波信号的数字相位值。

8.根据权利要求7所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，阵列传输线是由多根传输线串联而成，包括测量部与接口部，其中测量部用于检测覆冰样品，接口部置于一防水层中，与微波信号发生器和ADC转换模块相连。

9.根据权利要求8所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，测量部分传输线包括多条传输线，传输线为铜制导线。

10.根据权利要求7所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，测量时，整个覆冰厚度预测装置置于一定温度的冷冻空间中。