一种红外地表温度观测系统及其观测方法
技术领域
本发明涉及地表温度观测
技术领域
，尤其涉及一种红外地表温度观测系统及其观测方法。背景技术
地表温度是地面气象观测项目之一，现有的气象业务上，用来测量地表温度的主要方法是将铂电阻温度传感器放置在下垫面上，其测量的是下垫面单点的地表温度值，在测量地表温度的过程中，铂电阻温度传感器需与被测下垫面充分接触，其感温部分一半与下垫面接触，另一部分则处于空气中，故其测量的温度值由测量的下垫面的温度和空气温度的平均值，并不能完全代表所测量的地表温度。再者，在实际测量时需使铂电阻温度传感器的感温部分与被测地表之间进行充分的热交换达到热平衡才能得到温度值，故测得的温度值存在延迟现象，此外，在现如今的气象地表温度的观测中，铂电阻因其自身条件受限，在测量地表温度的过程中，只能测量个别下垫面类型，如裸地和草地等，不能对水面、冰面等下垫面的温度进行测量；
而红外传感器是通过测量物体发出的红外辐射值计算得到被测物体的温度值，测量过程中不需要与地表直接接触，不影响被测下垫面原有温场的分布，其测量的范围更广、准确性更高、适应性更强，其测量的温度为地表的面温度，测量的值更具有象征性，即使下垫面的材料不同，均能直接进行测量，但在实际的测量环境中，其测量精度也容易受到外界因素的影响，如被测地表的发射率、传感器探头到下垫面之间的距离等，因此，本发明提出一种红外地表温度观测系统及其观测方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种红外地表温度观测系统及其观测方法，该系统通过红外辐射对地表温度进行测量，并对测量过程中的相关因子进行校正，使系统输出的红外温度值满足气象业务要求。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种红外地表温度观测系统，包括核心处理器、信息采集模块、数据输出模块、供电模块和存储模块，所述信息采集模块包括用于测量系统与下垫面之间距离的激光测距模块、用于测量下垫面温度的红外测温模块和用于识别下垫面类型及对应发射率的图像采集模块，所述数据输出模块包括用于完成核心处理器数据无线输出的无线模块、用于完成核心处理器数据有线输出的串口输出、用于显示系统状态的状态指示模块和用于及时的实时时钟芯片，所述供电模块用于为系统通电并与核心处理器电性连接，所述无线模块、串口输出、状态指示模块和实时时钟芯片均与核心处理器电性连接。
进一步改进在于：所述存储模块包括用于存储数据的FLASH闪存、电可擦编程只读存储器和随机存取存储器，所述FLASH闪存、电可擦编程只读存储器和随机存取存储器均与核心处理器电性连接。
进一步改进在于：所述图像采集模块与核心处理器电性连接，并采用摄像头完成下垫面图片的采集。
进一步改进在于：所述红外测温模块与核心处理器电性连接，并采用红外传感器完成地表温度的测量。
进一步改进在于：所述激光测距模块与核心处理器电性连接，并采用激光测距芯片测量系统与下垫面之间的距离。
进一步改进在于：所述供电模块采用12V的蓄电池供电，并分别通过变压芯片和电源转换器将12V的电源先后转换为5V的电源和3.3V的电源为核心处理器、信息采集模块、数据输出模块和存储模块进行供电。
一种红外地表温度观测系统的观测方法，系统上电后先进行初始化，然后分别通过红外测温模块、图像采集模块和激光测距模块采集下垫面的红外温度数据、图片数据和距离数据，之后图像采集模块采集到的下垫面图片通过识别得到当前所采集下垫面的类型与其对应的发射率，然后将下垫面的温度、距离和发射率输入到核心处理器的温度拟合模型中，最后系统输出校正后的红外温度值。
本发明的有益效果为：本发明的红外地表温度观测系统与目前气象中使用的铂电阻温度传感器相比，利用地表发出的红外辐射计算得到地表的温度，不与地表直接接触，不影响地表的温场分布，测量值更加具有代表性、准确度更高，并且该系统针对红外测温过程的影响因子进行校正，其输出的值更加精确，满足气象业务要求。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的系统硬件总体框图；
图3是本发明的系统工作流程图；
图4是本发明的红外传感器标定流程图；
图5是本发明的下垫面识别流程图；
图6是本发明的距离补偿流程图；
图7是本发明的温度拟合模型流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参见图1、2，本实施例提供了一种红外地表温度观测系统，包括核心处理器、信息采集模块、数据输出模块、供电模块和存储模块，所述核心处理器采用STM32F407处理器，所述信息采集模块包括用于测量系统与下垫面之间距离的激光测距模块、用于测量下垫面温度的红外测温模块和用于识别下垫面类型及对应发射率的图像采集模块，所述数据输出模块包括用于完成核心处理器数据无线输出的无线模块、用于完成核心处理器数据有线输出的串口输出、用于显示系统状态的状态指示模块和用于及时的实时时钟芯片，所述供电模块用于为系统通电并与核心处理器电性连接，所述无线模块、串口输出、状态指示模块和实时时钟芯片均与核心处理器电性连接。
所述存储模块包括用于存储数据的FLASH闪存、电可擦编程只读存储器和随机存取存储器，所述FLASH闪存、电可擦编程只读存储器和随机存取存储器均与核心处理器电性连接。
所述图像采集模块与核心处理器电性连接，并采用OV2640摄像头完成下垫面图片的采集。
所述红外测温模块与核心处理器电性连接，并采用热电堆红外传感器完成地表温度的测量。
所述激光测距模块与核心处理器电性连接，并采用VL53L0X激光测距芯片测量系统与下垫面之间的距离。
所述供电模块采用12V的蓄电池供电，并分别通过TPS5430变压芯片和AMS1117电源转换器将12V的电源先后转换为5V的电源和3.3V的电源为核心处理器、信息采集模块、数据输出模块和存储模块进行供电。
参见图3，本实施例还一种红外地表温度观测系统的观测方法，系统上电后先进行初始化，然后分别通过红外测温模块、图像采集模块和激光测距模块采集下垫面的红外温度数据、图片数据和距离数据，之后图像采集模块采集到的下垫面图片通过识别得到当前所采集下垫面的类型与其对应的发射率，然后将下垫面的温度、距离和发射率输入到核心处理器的温度拟合模型中，最后系统输出校正后的红外温度值。
实施例二
参见图4，对红外传感器进行标定，选择合适的黑体源，根据红外传感器工作时的环境温度范围划分多个温度区间，在设定的环境温度条件下利用传统的接触性温度传感器标定红外传感器，采用联机仪器记录红外传感器测得的黑体的温度，且得到对应的铂电阻温度传感器测得的黑体温度，对数据进行回归分析，由此可以得到红外传感器的相关输出特性的线性回归方程，将其输出特性应用到实际的测量环境中，由此减少传感器自身带来的测量误差，提高测量精度；
参见图5，根据流程图实现对下垫面的识别，采集大量所测区域内的草地、裸露地面以及水泥地三种下垫面的图片，对其进行筛选，组成数据集，并且收集所测下垫面所对应的发射率并进行存储，对数据集中的样本数据进行标记、处理和分类，对下垫面的特征进行提取得到特征向量，搭建基于深度学习的下垫面识别模型，将特征向量作为分类器的输入，对下垫面进行分类与识别，通过识别出的下垫面类型，得到与其对应的发射率，通过下垫面类型对发射率进行修订；
参见图6，对距离进行补偿，根据下垫面的温度范围，基于红外传感器的标定环境，采集大量相同时刻传感器在不同的距离下的红外温度值，选择从0～100cm的距离进行以5cm为基数的等距离划分，分别是1cm、5cm、10cm......95cm、100cm，共计21个温度数据，真实温度采用相同条件下Pt100测得的温度值，利用标定环境设置不同的温度，对红外温度数据和铂电阻温度数据以及距离数据进行线性拟合，通过利用不同的函数进行对比分析，最终选择拟合后误差最小的多项式类型函数作为拟合函数，由此计算得到误差-距离补偿公式，从而每一次测量都可以根据传感器与被测物体之间的距离，代入公式中计算得到相应的补偿值，最后将测量到的红外温度与补偿值进行加运算则可以得到距离补偿后的温度值。
参见图7，以铂电阻测得的温度值为标准值，搭建基于遗传神经网络的红外温度拟合模型，对采集到的红外温度值和铂电阻温度值经过处理后划分为训练集和测试集，将距离、发射率和红外温度值作为模型的输入，铂电阻测得的温度值作为模型的输出值，对红外温度值进行拟合。
最后，将算法移植到STM32F407处理器中，红外地表温度观测系统实时输出当前的下垫面温度值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
