探空溫度傳感器設計與輻射誤差修正方法研究

周亞 劉清惓 孫啟云 戴偉

關鍵詞： 探空溫度傳感器; 測量精度; 太陽輻射; 24位模/數(shù)轉換器; 誤差修正; L?M算法

中圖分類號： TN820.1?34; TP212.9 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0001?04

Design of sounding temperature sensor and research on radiation error correction method

ZHOU Ya1，2，3， LIU Qingquan1，2，3， SUN Qiyun1， DAI Wei4

（1. School of Electronics and Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Signal Processing， Nanjing 210044， China;

3. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China;

4. Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： In allusion to the problem that the solar radiation affects the measurement accuracy of the sounding temperature sensor， a high?precision temperature measurement circuit based on the 24?bit Σ?Δ analog?digital converter （ADC） is designed. An experimental platform is established for solar radiation simulation， and a high?temperature， low?temperature and low?pressure experimental box is used to conduct the experiment. A method of using the Levenberg?Marquardt （L?M） algorithm to fit out the solar radiation error correction equation is proposed. The experimental results show that the sounding temperature sensor and its algorithm can reduce the mean square root error from 0.88 ℃ to 0.28 ℃， and improve the measurement accuracy of the sounding temperature sensor， which have a certain application potential in the high?altitude meteorological sounding field.

Keywords： sounding temperature sensor; measurement accuracy; solar radiation; 24?bit ADC; error correction; L?M algorithm

0 ?引 ?言

探空溫度傳感器在高空氣象探測時，通過吸收太陽輻射造成的溫升將疊加在傳感器所測真實大氣溫度上，太陽輻射使溫度升高產生的測量誤差簡稱太陽輻射誤差。太陽輻射、元件沾濕、探空儀擺動、氣球尾流、云層輻射都可能對探空溫度傳感器的測量帶來誤差，其中太陽輻射是高空氣象溫度測量誤差的主要來源[1]。根據(jù)1961—2000年中國、1901—2012年全球和1979—2008年中國局地高空年平均氣溫變化趨勢的數(shù)據(jù)，高空溫度變化趨勢的數(shù)量級[2?4]可能在±0.01～±0.1 ℃/a。世界氣象組織（WMO）氣象儀器和觀測方法指南（第6版）的高空測量資料[5]顯示，探空溫度傳感器在300 hPa，100 hPa，30 hPa和10 hPa高空時，太陽輻射誤差分別可達0.3～1.0 ℃，0.8～1.8 ℃，1.4～3.3 ℃和1.8～5.1 ℃。如按照WMO提供的數(shù)據(jù)對太陽輻射誤差進行修正，難以滿足對±0.01～±0.1 ℃/a量級全球溫度變化趨勢的測量要求。為提高探空溫度傳感器的測量精度，本文設計一種高精度低噪聲測量電路，并提出一種利用L?M算法對太陽輻射誤差進行修正的方法。

1 ?高精度探空溫度測量電路設計

高精度探空溫度測量電路[6]主要由Cortex?M3 ARM處理器STM32F103RBT6、AD7794模/數(shù)轉換器、電壓基準源、NTC溫度傳感器和模擬電源等組成，電路框圖如圖1所示。2個NTC溫度傳感器通過24位高精度模/數(shù)轉換器AD7794將模擬信號轉換為數(shù)字信號[7]。電機轉速通過按鍵輸入設置并通過無線模塊發(fā)送，霍爾傳感器測量電機轉速，ARM處理器通過PID算法調節(jié)電機轉速與設定值保持一致。測量的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到實驗箱外的上位機上。NTC溫度傳感器具有非線性傳輸特性[8]，為保證2個探空溫度傳感器在相同環(huán)境下測溫結果一致，需在同一環(huán)境下對2個探空溫度傳感器同時進行標定。NTC溫度傳感器使用Fluke1595A測溫電橋與ISOTECH干體爐進行標定。

除太陽輻射誤差之外，探空溫度傳感器測溫電路中的噪聲也會對測量精度造成影響，為降低測量電路的噪聲，利用具有低噪聲、低壓差、溫漂系數(shù)3 ppm/℃的高精度基準源ADR444[9]，為測量電路和ADC提供基準電壓。在PCB布線時，通過0 Ω電阻將模擬地和數(shù)字地隔開，防止微處理器的高頻噪聲對模擬電路造成干擾。為進一步提高測量精度，使用溫漂為 ±2 ppm/K、精度為±0.01%的精密參考電阻，并使用Fluke電橋對其進行標定。采用24位Σ?Δ模/數(shù)轉換器AD7794，該芯片內置可編程增益放大器，通過配置寄存器可設置不同的輸出速率，選用不同的內置濾波器，以進一步抑制噪聲。探空溫度測溫電路板實物圖如圖2所示。

2 ?太陽輻射模擬實驗平臺搭建

太陽輻射主要受太陽輻射強度以及氣流密度的影響。因此，實驗過程中主要考慮太陽輻射強度、風速和氣壓等因素。參照美國軍標MIL?E?38453，設地面到高空的平均太陽輻射強度為1 200 W/m2。實驗使用LED光源模擬1 200 W/m2太陽輻射強度，LED光源的輻射強度使用TES1333太陽輻射儀校準。探空溫度傳感器的線速度用來模擬傳感器在高空的垂直上升速度，上升速度的大小由按鍵輸入設置。高低溫低氣壓實驗箱用來模擬高空大氣的部分溫度和氣壓環(huán)境，其溫度工作范圍為-70～150 ℃，氣壓工作范圍為1～100 kPa。太陽福射誤差模擬實驗平臺示意圖如圖3所示。

電路板放置在直流電機上方，探空溫度傳感器2與LED光源位于支架一側，探空溫度傳感器1位于支架另一側，LED光源照射在探空溫度傳感器2上，探空溫度傳感器1上無光照。通過設置上升速度和高低溫低氣壓試驗箱內的氣壓等環(huán)境參數(shù)，將采集到的2個探空溫度傳感器上的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到實驗箱外的上位機上，2個探空溫度傳感器上的溫度差即為模擬的太陽輻射誤差。

3 ?實驗數(shù)據(jù)分析

將實驗設備置于高低溫低氣壓實驗箱中，搭建如圖4所示的實驗環(huán)境。設置不同的上升速度、氣壓等環(huán)境參數(shù)，采集探空溫度傳感器在一定太陽輻射強度下的數(shù)據(jù)。在上升速度V分別為1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s和6 m/s，氣壓P分別為1 kPa，5 kPa，10 kPa，25 kPa，50 kPa和100 kPa時測得的太陽輻射誤差與上升速度和氣壓的關系圖如圖5所示。

根據(jù)測量結果，當氣壓一定時，上升速度越大，太陽輻射誤差越小;當上升速度一定時，氣壓越高，太陽輻射誤差越小。氣壓為25 kPa時，當上升速度從1 m/s變化至6 m/s時，太陽輻射誤差由1.40 ℃減少到0.82 ℃，則產生的太陽輻射誤差差值可達到0.58 ℃。

4 ?基于L?M算法的太陽輻射誤差修正方法

利用實驗平臺進行測試，僅能對有限多個點進行標定。這里提出使用L?M算法對采集的有限多個離散數(shù)據(jù)進行擬合，求出太陽輻射誤差修正方程，則可在一定范圍內的任意上升速度和氣壓值下對太陽輻射誤差進行修正。

L?M算法是一種非線性最小二乘法[10?11]，是高斯?牛頓法和梯度下降法的結合，具有高斯?牛頓法的局部收斂性和梯度下降法的全局特性。其搜索方向定義為：

當λ很小或者很大時，L?M 算法步長分別等于牛頓法步長和梯度下降法的步長。L?M算法的迭代過程為[12?13]：

式中：[Zi]表示第i次迭代的權值和閾值組成的向量;[Zi+1]表示第i+1次迭代的權值和閾值組成的向量。

式中：βi>0;I為單位矩陣;[eZ]為誤差，其表達式如下：

L?M算法的誤差指標函數(shù)為：

在計算過程中，首先給出訓練允許誤差值ε，β，μ以及初始化權值和閾值向量Z（0） ，然后計算式（3）、式（4）和式（6），最后計算E（Z（i）），如果E（Z（i））<ε，停止迭代;否則令i=i+1，μ=[μβ]，繼續(xù)迭代，直到E（Z（i））<ε。

使用L?M算法擬合得到太陽輻射誤差關于上升速度和氣壓的方程：

[R=?V，P= ? ? ? q1+q2ln V+q3ln V2+q4ln P+q5ln P2+q6ln P31+q7ln V+q8ln V2+q9ln P+q10ln P2+q11ln P3] （8）

式中：R為太陽輻射誤差（單位：℃）;V為上升速度（單

位：m/s）;P為氣壓（單位：kPa）;q1=1.829 54;q2=-1.006 16;q3=0.078 25;q4=0.011 61;q5=-0.016 35;q6=0.002 60;q7=

-0.498 75;q8=-0.498 75;q9=0.036 36;q10=-0.009 84;q11=0.003 92。

為驗證太陽輻射誤差修正方程的修正效果，采集15組數(shù)據(jù)進行驗證，結果如表1所示。修正前的均方根誤差RMSE為0.88 ℃，修正后的均方根誤差RMSE為0.28 ℃，修正后的太陽輻射誤差比修正前的太陽輻射誤差降低68.2%。

5 ?結 ?語

本文設計一種高精度探空測溫電路，為了降低太陽輻射誤差對探空溫度傳感器的影響，搭建模擬實驗平臺進行測試，提出基于L?M算法的太陽輻射誤差修正方程的方法。實驗結果表明，該傳感器的均方根誤差RMSE為0.28 ℃，可滿足在高空氣象探測領域的測溫要求，具有一定的潛在應用前景。在后續(xù)研究中，將設計并搭建低氣壓輻射風洞實驗平臺，可進一步提高實驗過程中溫度場和風場的穩(wěn)定性。

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