探空温度传感器设计与辐射误差修正方法研究

周亚 刘清惓 孙启云 戴伟

关键词： 探空温度传感器; 测量精度; 太阳辐射; 24位模/数转换器; 误差修正; L?M算法

中图分类号： TN820.1?34; TP212.9             文献标识码： A                    文章编号： 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

探空温度传感器在高空气象探测时，通过吸收太阳辐射造成的温升将叠加在传感器所测真实大气温度上，太阳辐射使温度升高产生的测量误差简称太阳辐射误差。太阳辐射、元件沾湿、探空仪摆动、气球尾流、云层辐射都可能对探空温度传感器的测量带来误差，其中太阳辐射是高空气象温度测量误差的主要来源[1]。根据1961—2000年中国、1901—2012年全球和1979—2008年中国局地高空年平均气温变化趋势的数据，高空温度变化趋势的数量级[2?4]可能在±0.01～±0.1 ℃/a。世界气象组织（WMO）气象仪器和观测方法指南（第6版）的高空测量资料[5]显示，探空温度传感器在300 hPa，100 hPa，30 hPa和10 hPa高空时，太阳辐射误差分别可达0.3～1.0 ℃，0.8～1.8 ℃，1.4～3.3 ℃和1.8～5.1 ℃。如按照WMO提供的数据对太阳辐射误差进行修正，难以满足对±0.01～±0.1 ℃/a量级全球温度变化趋势的测量要求。为提高探空温度传感器的测量精度，本文设计一种高精度低噪声测量电路，并提出一种利用L?M算法对太阳辐射误差进行修正的方法。

1  高精度探空温度测量电路设计

高精度探空温度测量电路[6]主要由Cortex?M3 ARM处理器STM32F103RBT6、AD7794模/数转换器、电压基准源、NTC温度传感器和模拟电源等组成，电路框图如图1所示。2个NTC温度传感器通过24位高精度模/数转换器AD7794将模拟信号转换为数字信号[7]。电机转速通过按键输入设置并通过无线模块发送，霍尔传感器测量电机转速，ARM处理器通过PID算法调节电机转速与设定值保持一致。测量的数据通过无线模块发送到实验箱外的上位机上。NTC温度传感器具有非线性传输特性[8]，为保证2个探空温度传感器在相同环境下测温结果一致，需在同一环境下对2个探空温度传感器同时进行标定。NTC温度传感器使用Fluke1595A测温电桥与ISOTECH干体炉进行标定。

除太阳辐射误差之外，探空温度传感器测温電路中的噪声也会对测量精度造成影响，为降低测量电路的噪声，利用具有低噪声、低压差、温漂系数3 ppm/℃的高精度基准源ADR444[9]，为测量电路和ADC提供基准电压。在PCB布线时，通过0 Ω电阻将模拟地和数字地隔开，防止微处理器的高频噪声对模拟电路造成干扰。为进一步提高测量精度，使用温漂为 ±2 ppm/K、精度为±0.01%的精密参考电阻，并使用Fluke电桥对其进行标定。采用24位Σ?Δ模/数转换器AD7794，该芯片内置可编程增益放大器，通过配置寄存器可设置不同的输出速率，选用不同的内置滤波器，以进一步抑制噪声。探空温度测温电路板实物图如图2所示。

2  太阳辐射模拟实验平台搭建

太阳辐射主要受太阳辐射强度以及气流密度的影响。因此，实验过程中主要考虑太阳辐射强度、风速和气压等因素。参照美国军标MIL?E?38453，设地面到高空的平均太阳辐射强度为1 200 W/m2。实验使用LED光源模拟1 200 W/m2太阳辐射强度，LED光源的辐射强度使用TES1333太阳辐射仪校准。探空温度传感器的线速度用来模拟传感器在高空的垂直上升速度，上升速度的大小由按键输入设置。高低温低气压实验箱用来模拟高空大气的部分温度和气压环境，其温度工作范围为-70～150 ℃，气压工作范围为1～100 kPa。太阳福射误差模拟实验平台示意图如图3所示。

电路板放置在直流电机上方，探空温度传感器2与LED光源位于支架一侧，探空温度传感器1位于支架另一侧，LED光源照射在探空温度传感器2上，探空温度传感器1上无光照。通过设置上升速度和高低温低气压试验箱内的气压等环境参数，将采集到的2个探空温度传感器上的数据通过无线模块发送到实验箱外的上位机上，2个探空温度传感器上的温度差即为模拟的太阳辐射误差。

3  实验数据分析

将实验设备置于高低温低气压实验箱中，搭建如图4所示的实验环境。设置不同的上升速度、气压等环境参数，采集探空温度传感器在一定太阳辐射强度下的数据。在上升速度V分别为1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s和6 m/s，气压P分别为1 kPa，5 kPa，10 kPa，25 kPa，50 kPa和100 kPa时测得的太阳辐射误差与上升速度和气压的关系图如图5所示。

根据测量结果，当气压一定时，上升速度越大，太阳辐射误差越小;当上升速度一定时，气压越高，太阳辐射误差越小。气压为25 kPa时，当上升速度从1 m/s变化至6 m/s时，太阳辐射误差由1.40 ℃减少到0.82 ℃，则产生的太阳辐射误差差值可达到0.58 ℃。

4  基于L?M算法的太阳辐射误差修正方法

利用实验平台进行测试，仅能对有限多个点进行标定。这里提出使用L?M算法对采集的有限多个离散数据进行拟合，求出太阳辐射误差修正方程，则可在一定范围内的任意上升速度和气压值下对太阳辐射误差进行修正。

L?M算法是一种非线性最小二乘法[10?11]，是高斯?牛顿法和梯度下降法的结合，具有高斯?牛顿法的局部收敛性和梯度下降法的全局特性。其搜索方向定义为：

当λ很小或者很大时，L?M 算法步长分别等于牛顿法步长和梯度下降法的步长。L?M算法的迭代过程为[12?13]：

式中：[Zi]表示第i次迭代的权值和阈值组成的向量;[Zi+1]表示第i+1次迭代的权值和阈值组成的向量。

式中：βi>0;I为单位矩阵;[eZ]为误差，其表达式如下：

L?M算法的误差指标函数为：

在计算过程中，首先给出训练允许误差值ε，β，μ以及初始化权值和阈值向量Z（0） ，然后计算式（3）、式（4）和式（6），最后计算E（Z（i）），如果E（Z（i））<ε，停止迭代;否则令i=i+1，μ=[μβ]，继续迭代，直到E（Z（i））<ε。

使用L?M算法拟合得到太阳辐射误差关于上升速度和气压的方程：

[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为太阳辐射误差（单位：℃）;V为上升速度（单

位：m/s）;P为气压（单位：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。

为验证太阳辐射误差修正方程的修正效果，采集15组数据进行验证，结果如表1所示。修正前的均方根误差RMSE为0.88 ℃，修正后的均方根误差RMSE为0.28 ℃，修正后的太阳辐射误差比修正前的太阳辐射误差降低68.2%。

5  结  语

本文设计一种高精度探空测温电路，为了降低太阳辐射误差对探空温度传感器的影响，搭建模拟实验平台进行测试，提出基于L?M算法的太阳辐射误差修正方程的方法。实验结果表明，该传感器的均方根误差RMSE为0.28 ℃，可满足在高空气象探测领域的测温要求，具有一定的潜在应用前景。在后续研究中，将设计并搭建低气压辐射风洞实验平台，可进一步提高实验过程中温度场和风场的稳定性。

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