本發(fā)明屬于探空濕度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差修正方法及裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，全球范圍內(nèi)的自然災(zāi)害頻發(fā)。氣象災(zāi)害在給我國(guó)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，給人民生活和健康也帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。鑒于這些惡劣的天氣和氣候的發(fā)生與高空濕度密切關(guān)聯(lián)，因而高空濕度的精確測(cè)量對(duì)于提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候診斷預(yù)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)以及氣象災(zāi)害預(yù)警與減災(zāi)的能力均具有重要意義。

目前高空濕度探測(cè)主要利用無(wú)線探空儀實(shí)現(xiàn)，其濕度測(cè)量誤差源自諸多因素，傳感器本身的電氣性能易受高空溫度環(huán)境影響，且影響過(guò)程復(fù)雜，而標(biāo)定過(guò)程、操作流程、測(cè)量時(shí)間常數(shù)和相關(guān)算法修正等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生測(cè)量誤差。值得注意的是，一個(gè)較為嚴(yán)重的偏干誤差——太陽(yáng)輻射偏干誤差卻常被忽略，這一誤差普遍存在于世界多種型號(hào)探空儀的濕度測(cè)量中，包括芬蘭vaisala公司的rs80、rs92，中國(guó)的gts1探空儀等。

占我國(guó)探空站使用75％的gts1探空儀，雖然濕度傳感器上帶有防護(hù)罩，其能夠起到防雨和一定防輻射功能，但是經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，濕度測(cè)量仍存在較大太陽(yáng)輻射誤差，有必要對(duì)其進(jìn)行太陽(yáng)輻射誤差修正，且對(duì)gts1探空濕度歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)輻射誤差修正，可保持濕度測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，有助于對(duì)氣候等現(xiàn)象的研究。目前市面上關(guān)于探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差的研究中，大多是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，很少給出具體解決方案。申請(qǐng)?zhí)枮?01611076267.4的專利，給出了一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的方法，從濕度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)出發(fā)，雖然可以解決太陽(yáng)輻射誤差的問(wèn)題，但是不能對(duì)市面上已經(jīng)存在的探空儀上的濕度傳感器的太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行修正，更不能對(duì)濕度歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。本發(fā)明可對(duì)市面上任何一款探空儀的濕度測(cè)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行修正，對(duì)探空濕度測(cè)量輻射誤差修正的研究具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差修正方法及裝置，修正了太陽(yáng)輻射對(duì)探空濕度測(cè)量帶來(lái)的偏干誤差，提高了濕度測(cè)量的精確性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差修正裝置，該裝置包括上位機(jī)、微處理器模塊、電源模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊；

所述微處理器模塊與電源模塊、液晶顯示模塊連接，所述上位機(jī)通過(guò)所述串口通信模塊與所述微處理器模塊相連；所述微處理器模塊還連接有g(shù)ts1通信接口，所述電源模塊為上述各個(gè)模塊供電。

作為優(yōu)選，所述的微處理器模塊選用stm32f407型號(hào)的單片機(jī)。

作為優(yōu)選，所述的液晶顯示模塊選用lcd12864型號(hào)。

作為優(yōu)選，所述的串口通信模塊選用rs232芯片。

作為優(yōu)選，所述的電源模塊選用7133穩(wěn)壓芯片。

一種采用上述裝置的探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差修正方法，該方法為：1.通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬仿真濕度傳感器在探空測(cè)量時(shí)由于太陽(yáng)輻射引起的溫度誤差(傳感器上的溫度與環(huán)境實(shí)際溫度的差)，并通過(guò)設(shè)置不同太陽(yáng)高度角、不同太陽(yáng)輻射量、不同大氣壓強(qiáng)而獲得溫度誤差的數(shù)據(jù)樣本；2.通過(guò)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，對(duì)溫度誤差數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行擬合，獲得小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和伸縮平移尺度因子；3.通過(guò)得到的權(quán)值與伸縮平移尺度因子形成表達(dá)式，結(jié)合探空儀所在空間的大氣壓強(qiáng)、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)輻射量進(jìn)行對(duì)濕度傳感器上溫度誤差的預(yù)測(cè)；4.通過(guò)探空儀上溫度測(cè)量值(環(huán)境溫度)、溫度誤差預(yù)測(cè)值以及飽和水汽壓公式推導(dǎo)出當(dāng)前濕度測(cè)量的相對(duì)誤差，對(duì)當(dāng)前濕度測(cè)量值進(jìn)行太陽(yáng)輻射誤差修正。

具體包括以下步驟：

步驟1.太陽(yáng)高度角選取7.5°-90°，太陽(yáng)輻射量選取500w/m²-1400w/m²，將探空高度通過(guò)氣壓值分為1000hpa-100hpa與100hpa-10hpa兩段，其中1000hpa-100hpa以100hpa為遞減間隔，100hpa-10hpa主要以10hpa為遞減量，為了能夠更好地反應(yīng)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，在20hpa-10hpa之間增加了樣本點(diǎn)；

步驟2.根據(jù)遺傳算法的原理優(yōu)化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的權(quán)值wjk和wij、伸縮平移尺度因子a、b，具體如下：

a.設(shè)定染色體個(gè)體數(shù)目為40個(gè)，最大遺傳代數(shù)為50；

b.通過(guò)遺傳算法對(duì)權(quán)值、伸縮平移尺度因子進(jìn)行初始化；

c.保存優(yōu)化后的權(quán)值與伸縮平移尺度因子；

步驟3.對(duì)訓(xùn)練樣本中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到[0,1]范圍內(nèi)，對(duì)每一組樣本中的每個(gè)變量都要進(jìn)行歸一化，具體算法如下：

pn＝(p-pmin)/(pmax-pmin)

式中，p是所采集的一組數(shù)據(jù)，pmin、pmax分別為數(shù)據(jù)中的最小值和最大值，pn是映射后的數(shù)據(jù)；

步驟4.建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定3個(gè)輸入層神經(jīng)元，分別為大氣壓強(qiáng)p、太陽(yáng)高度角a和太陽(yáng)輻射量r，輸出層神經(jīng)元為溫度誤差值δt，隱含層神經(jīng)元為9個(gè)；其中，隱含層節(jié)點(diǎn)激勵(lì)函數(shù)選取小波基函數(shù)

小波網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為wjk和wij，伸縮平移尺度因子為a、b；其中，k為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，k＝1,2,3；j為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，j＝1,2,…,9；i為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，i＝1；

步驟5.通過(guò)各層之間的激活函數(shù)與得到的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值生成擬合函數(shù)表達(dá)式，在單片機(jī)中進(jìn)行對(duì)溫度誤差值δt的預(yù)測(cè)，從而得到濕度傳感器在太陽(yáng)輻射下溫度t1＝t0+δt，t0為溫度傳感器溫度值。

步驟6.通過(guò)公式求出濕度相對(duì)誤差er:

其中，e1(t1)為濕度傳感器周圍溫度t1下的飽和水氣壓值，e0(t0)為環(huán)境溫度t0下的飽和水氣壓值。最后再有公式求出修正后的相對(duì)濕度rhc:

最終將修正后的相對(duì)濕度值通過(guò)單片機(jī)輸出到顯示模塊。

有益效果：

本發(fā)明探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差的修正方法和裝置，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬仿真探空濕度傳感器上的太陽(yáng)輻射溫度誤差，并通過(guò)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，最后將算法移植到單片機(jī)，結(jié)合飽和水汽壓公式對(duì)探空儀濕度測(cè)量的太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行修正。與現(xiàn)有方法和技術(shù)相比，具有以下進(jìn)步：

1.采用流體動(dòng)力學(xué)方法模擬仿真探空濕度傳感器上由于太陽(yáng)輻射引起的溫度升高誤差，相比實(shí)驗(yàn)比較法，節(jié)省了大量的人力和財(cái)力；

2.濕度傳感器由太陽(yáng)輻射引起的溫度誤差與諸多因素有關(guān)，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，省時(shí)省力；

3.該發(fā)明相比其他方法和技術(shù)，可針對(duì)市面上已經(jīng)存在的探空儀濕度測(cè)量的太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行修正，避免探空儀的更新?lián)Q代，方便快捷；

4.可對(duì)探空濕度的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)輻射誤差修正，保證濕度測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性。

綜上，本發(fā)明可方便快捷地對(duì)探空儀濕度測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行修正，提高探空濕度測(cè)量的精度和保持探空濕度測(cè)量的一致性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2是小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明方法流程圖；

圖4是濕度廓線修正前后對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，一種探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差修正裝置，該裝置包括上位機(jī)、微處理器模塊、電源模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊；

所述微處理器模塊與電源模塊、液晶顯示模塊連接，所述上位機(jī)通過(guò)所述串口通信模塊與所述微處理器模塊相連；所述微處理器模塊還連接有g(shù)ts1通信接口，所述電源模塊為上述各個(gè)模塊供電。

所述的微處理器模塊選用stm32f407型號(hào)的單片機(jī)。所述的液晶顯示模塊選用lcd12864型號(hào)。所述的串口通信模塊選用rs232芯片。所述的電源模塊選用7133穩(wěn)壓芯片。

如圖3所示，一種使用上述裝置的探空濕度測(cè)量太陽(yáng)輻射誤差修正方法，讀取探空儀中溫度傳感器溫度值t0(忽略溫度傳感器的太陽(yáng)輻射誤差，由于其對(duì)濕度誤差的計(jì)算影響較小)，濕度傳感器的測(cè)量值rh1；利用流體動(dòng)力學(xué)方法模擬仿真濕度傳感器由于太陽(yáng)輻射導(dǎo)致的溫度升溫δt，而其值受到濕度傳感器所處位置的太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)輻射量與氣壓值的影響；通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)方法獲得不同太陽(yáng)高度角、不同太陽(yáng)輻射量、不同氣壓值下的δt樣本值，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理獲得δt的預(yù)測(cè)模型，然后結(jié)合飽和水氣壓公式對(duì)濕度測(cè)量的太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行修正。

具體包括以下步驟：

步驟1.太陽(yáng)高度角選取7.5°-90°，太陽(yáng)輻射量選取500w/m²-1400w/m²，將探空高度通過(guò)氣壓值分為1000hpa-100hpa與100hpa-10hpa兩段，其中1000hpa-100hpa以100hpa為遞減間隔，100hpa-10hpa主要以10hpa為遞減量，為了能夠更好地反應(yīng)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，在20hpa-10hpa之間增加了樣本點(diǎn)；

步驟2.初始化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，根據(jù)遺傳算法的原理優(yōu)化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的權(quán)值wjk和wij、伸縮平移尺度因子a和b，具體如下：

a.設(shè)定染色體個(gè)體數(shù)目為40個(gè)，最大遺傳代數(shù)為50；

b.通過(guò)遺傳算法對(duì)權(quán)值、伸縮平移尺度因子進(jìn)行初始化；

c.保存優(yōu)化后的權(quán)值與伸縮平移尺度因子。

步驟3.對(duì)訓(xùn)練樣本中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到[0,1]范圍內(nèi)，對(duì)每一組樣本中的每個(gè)變量都要進(jìn)行歸一化，具體算法如下：

pn＝(p-pmin)/(pmax-pmin)

式中，p是所采集的一組數(shù)據(jù)，pmin、pmax分別為數(shù)據(jù)中的最小值和最大值，pn是映射后的數(shù)據(jù)；

步驟4.如圖2所示，建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定輸入層神經(jīng)元為3個(gè)，分別為大氣壓強(qiáng)、太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)輻射量，輸出層神經(jīng)元為溫度差值，隱含層神經(jīng)元為9個(gè)；其中，隱含層節(jié)點(diǎn)激勵(lì)函數(shù)選取小波基函數(shù)

其中：

小波網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為wjk和wij，伸縮平移尺度因子為a，b；其中，k為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，k＝1,2,3；j為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，j＝1,2,…,9；i為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，i＝1；

步驟5.設(shè)定訓(xùn)練周期為500次，對(duì)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；

步驟6.通過(guò)各層之間的激活函數(shù)與得到的遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳權(quán)值和伸縮平移尺度因子生成擬合函數(shù)表達(dá)式：

式中，xk(k＝1,2,3)分別為氣壓值p、太陽(yáng)高度角a、太陽(yáng)輻射量r。

步驟7.單片機(jī)通過(guò)通信接口接收來(lái)自gts1探空儀發(fā)來(lái)的氣壓值p、太陽(yáng)高度角a、太陽(yáng)輻射量r與外部溫度t0，并通過(guò)表達(dá)式計(jì)算得到δt。

步驟8.通過(guò)公式求出濕度相對(duì)誤差er:

其中，e1(t1)為濕度傳感器周圍溫度t1下的飽和水氣壓值，e0(t0)為環(huán)境溫度t0下的飽和水氣壓值。最后再有公式求出修正后的相對(duì)濕度rhc:

最終將修正后的相對(duì)濕度通過(guò)微處理器驅(qū)動(dòng)顯示模塊進(jìn)行顯示。

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明：

由流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬仿真的數(shù)據(jù)樣本，第一段氣壓值為1000hpa、900hpa、800hpa、700hpa、600hpa、500hpa、400hpa、300hpa、200hpa、1000hpa時(shí)，太陽(yáng)高度角分別為7.5°、17.5°、27.5°、32.5°、37.5°、42.5°、52.5°、62.5°、72.5°、82.5°、90°，太陽(yáng)輻射量分別為500w/m²、600w/m²、700w/m²、800w/m²、900w/m²、1000w/m²、1100w/m²、1200w/m²、1300w/m²、1400w/m²，由此在上位機(jī)中得到的最佳遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與伸縮平移尺度因子如下：

第二段氣壓值為100hpa、90hpa、80hpa、70hpa、60hpa、50hpa、40hpa、30hpa、20hpa、15hpa、12.5hpa、11hpa、10hpa、時(shí)，太陽(yáng)高度角分別為7.5°、17.5°、27.5°、32.5°、37.5°、42.5°、52.5°、62.5°、72.5°、82.5°、90°，太陽(yáng)輻射量分別為500w/m²、600w/m²、700w/m²、800w/m²、900w/m²、1000w/m²、1100w/m²、1200w/m²、1300w/m²、1400w/m²，由此在上位機(jī)中得出的最佳遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與伸縮平移尺度因子如下：

然后由stm32f407單片機(jī)通過(guò)公式：

得到δt進(jìn)而得到t1及對(duì)應(yīng)的e1(t1)，同時(shí)通過(guò)gts1通信接口讀取t0并獲得e0(t0)，再由公式：

計(jì)算出濕度相對(duì)誤差，進(jìn)而，再讀取濕度傳感器相對(duì)濕度值rh1(t1)，并計(jì)算出修正后的相對(duì)濕度值：

濕度廓線修正前后對(duì)比圖如圖4，最后通過(guò)單片機(jī)口輸出到顯示模塊lcd12864中以顯示。

當(dāng)然，以上只是本發(fā)明的典型實(shí)例，除此之外，本發(fā)明還可以有其它多種具體實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。