与无线电探空仪相关联的方法和系统与流程

本发明的一些方面涉及一种与无线电探空仪相关联的方法。特别地，本发明的一些方面涉及用于无线电探空仪中的湿度测量的误差补偿。此外，本发明的一些方面还涉及一种包括无线电探空仪和地面站的系统。此外，本发明的一些方面还涉及一种计算机可读介质，在其上存储有一组计算机可执行指令。此外，本发明的一些方面还涉及一种计算机程序。

背景技术：

无线电探空仪是一种天气观测设备，其与气球相连，用来测量大气参数，并通常将测量信息发送给地面站。通常，所测量的或计算的参数包括在各种高度下的环境温度、压力和湿度，以及风速和风向。

借由气球将无线电探空仪向上携带通过大气，由此要被测量的大气和测量装置的环境状态动态地变化。本发明的某些实施方案还适用于下投式探空仪。下投式探空仪是一种与无线电探空仪类似的天气观测设备，但是它并不借由气球来提升，而是从机载系统(通常为飞机、无人机系统(UAS)或漂移气球)上落下来。

气象测量可由无线电探空仪的传感器来执行。通过无线电探空仪得到的大气简况作为许多天气预测模型和气候研究的输入是非常重要的。军事的无线电探空仪例如还用于天气预测和发射准备。

例如，文献US 7,358,862 B2公开了无线电探空仪系统，无线电探空仪系统的接收器和用于无线电探空仪系统中的信号处理方法。该无线电探空仪系统包括至少一个无线电探空仪，该至少一个无线电探空仪带有用于获取位置数据和/或天气数据的机构，用于通过射频路径向下游传输数据的机构，用于接收天气数据和/或位置数据的信号捕获机构，以及用于处理接收到的信号的接收机构。

通过无线电探空仪来测量的其中一个关键参数为水蒸气含量，其测量为相对湿度，或者为露点温度。例如，这种湿度测量的其中一个目的在于探测云及其高度。通常，在测量周期中的温度范围非常大，例如可以在+40[℃]至－80[℃]之间的范围内。

该测量尤其可能因各个测量变量的较大范围以及雨、温度、冷冻、冷凝和过饱和而变得复杂。测量误差还可能由无线电探空仪的传感器的延迟以及大气中的辐射热交换导致。

在气候研究和传统的天气预测的近期研究中设立了对湿度测量的更加严格的精度要求。低温与平流层中的低水蒸气含量或者上部对流层中的高水蒸气含量的结合使得测量环境极其困难。湿度还会相对于时间和高度快速地变化。

文献US 2008/0072669 A1描述了一种用于针对辐射热交换导致的误差来校正无线电探空仪的湿度测量结果的方法。通过无线电探空仪中的湿度传感器来测量湿度。使用误差校正表或误差校正函数来消除由辐射热交换导致的误差，其为具有影响传感器热平衡的一个或多个参数(例如，太阳辐射强度、太阳高度角、气球上升速率和空气密度)的函数。作为替代，可使用校正表或校正函数来估算湿度传感器的温度，并根据所测量的湿度和所估算的湿度传感器的温度来计算校正的湿度值。

文献WO 2014/128348 A1公开了一种方法和一种无线电探空仪。根据该方法，通过无线电探空仪来至少测量大气的温度和相对湿度。可在升高的温度中连续地进行湿度测量，以便使测量更快，且可以同时测量该升高的温度和环境空气温度。这三种测量可用于确定校正的大气湿度。该方法不需进行如文献US 2008/0072669 A1中所提到的辐射误差校正。

在无线电探空仪中，最常用的湿度传感器的类型是薄膜电容传感器。当水被吸收到绝缘的聚合物膜中而改变聚合物的电容率时，电容湿度传感器的信号会改变。所吸收的水的量与在传感器的温度下的相对湿度近似成正比，即，与水蒸气的分压力和依赖传感器温度的饱和蒸气压力之比成正比。在分子层面中，被吸收到聚合物中的水的量依赖于可用于水分子的适当的结合部分的量，其还依赖于被吸收到聚合物中的其他气体的量。因此，在水蒸气的给定分压力下，到给定聚合物中的水的吸收依赖于传感器温度、气体压力和气体组成。在本文的其他部分中，由忽略某些上述依赖性而造成的误差被称为吸收模型误差。

作为无线电探空仪的制造过程的一部分，各个无线电探空仪传感器可由测量误差来单独地表征。出于成本考虑，在不同的温度下，通常在标准压力(即1013.15[hPa])附近进行误差表征。归因于表征环境，在标准压力附近的相关温度范围内，吸收模型误差通常低至不明显的水平。此外，在室温下的空气中，在从标准压力到全真空的压力范围内，吸收模型误差通常非常小。这解释了在无线电探空仪中为何不能检测到湿度测量的吸收模型误差。

然而，在低压环境下的测量显示出，基于电容聚合物的传感器的吸收模型误差在低温下迅速增长，在低于－20[℃]时变得明显，且在从约－60[℃]到－80[℃]之间的无线电探空仪温度范围的下端处变得显著。大于0.5[％RH]的校正值可被认为与无线电探空数据相关。

然而，在低压和低温下进行用于湿度测量的单个无线电探空仪误差表征是非常费时且昂贵的。

因此，需要用于湿度测量的误差补偿，该误差补偿将探空期间遇到的低压和低温纳入考虑。

技术实现要素：

本发明由独立权利要求中的特征所限定。在从属权利要求中限定了某些具体的实施方案。

本发明的某些实施方案的一个目的在于提出一种用于校正无线电探空仪的湿度测量结果的方法和系统。特别地，本发明的某些实施方案的目的在于提出一种用于无线电探空仪中的湿度测量的吸收模型误差补偿方法和系统。此外，本发明的某些实施方案的目的在于提出一种与无线电探空仪相关联的方法，该方法包括以下步骤：在多个高度处至少测量大气的压力和湿度；测量湿度传感器的温度；以及通过具有聚合物绝缘体的电容器来测量相对湿度。此外，本发明的某些实施方案的目的在于提出一种包括无线电探空仪和地面站的系统。此外，本发明的某些实施方案的目的在于提出一种计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储有一组计算机可执行指令。本发明的某些实施方案的一个目的在于提出一种计算机程序。

根据本发明的第一方面，提出了一种与无线电探空仪相关联的方法，该方法包括：在大气中的多个不同高度处测量大气的湿度；在大气中的多个不同高度处测量压力，或通过从GPS或其他卫星导航系统处得到的无线电探空仪的高度来计算该压力；测量或估算湿度传感器的温度；以及通过带有聚合物绝缘体的电容器来测量相对湿度，至少部分地根据压力、湿度传感器的温度和相对位置来确定校正因子；以及根据该校正因子来校正相对湿度值，以使得当压力降低时湿度值降低。

该第一方面的多个实施方案可包括以下列表中的至少一个特征：

所获得的校正湿度值直接用于无线电探空仪中，或者被传输给使用其的地面站。

借由测量或通过环境温度进行估算来得到湿度传感器的温度。

将测量结果传输给地面站，基于在地面站处接收的信号来校正相对湿度值。

根据以下公式来进行校正：

RH_final＝RH–RH_correction(P,T,RH)

pi＝bi·(P/P0)/(1+bi·(P/P0))-bi/(1+bi)，

其中，

RH为校正之前的所测量的相对湿度[％]，

RH_correction为压力和温度导致的误差的校正值[％]，

P为压力[hPa]，

P0为标准空气压力，即，1013.2[hPa]；

T为估算的或测量的湿度传感器的温度[℃]；

cik和bi为聚合物特定参数，其中下标i和k在从0到3的范围内，通过针对校准参数的测量来确定。

所使用的聚合物的体积电阻率在从1.0×10⁶[Ohm/m]到1.0×10¹⁸[Ohm/m]的范围内。

所使用的聚合物的相对电容率在从2到6的范围内。

当传感器处于从0[RH％]到100[RH％]的相对湿度的阶跃变化中时，传感器的电容的相对变化在从5[％]到50[％]的范围内。

湿度传感器的温度在从－100[℃]到50[℃]的范围内。

在海平面之上的高度大于15000[m]、16000[m]、17000[m]、18000[m]、19000[m]、20000[m]、25000[m]或30000[m]处进行相对湿度的校正。

在测量湿度期间或者之后，例如根据存档数据来进行相对湿度值的校正。

校正因子(RH_correction)仅为压力、湿度传感器的温度和相对湿度的函数。

根据本发明的第二方面，提出了一种包括无线电探空仪和地面站的系统，其中无线电探空仪包括用于测量相对湿度的机构，无线电探空仪包括用于测量压力的机构，或者该系统包括用于通过从GPS或其他卫星导航系统处得到的无线电探空仪的高度来计算压力的机构，该无线电探空仪包括带有聚合物绝缘体的电容器，该系统还包括用于测量或估算湿度传感器的温度的机构，其中该系统构造成能根据校正因子来校正相对湿度值，该校正因子为压力、湿度传感器的温度和相对湿度的函数，以使得当压力降低时湿度值降低。

该第二方面的许多实施方案可包括在与第一方面相关联地提出的上述列表中的特征相关的至少一个特征。

根据本发明的第三方面，提出了一种计算机可读介质，在其上存储有一组计算机可执行指令，该计算机可执行指令能使得与无线电探空仪或地面站相关联的处理器根据校正因子来校正测量的相对湿度值，该校正因子为压力、湿度传感器的温度和相对湿度的函数，以使得当压力降低时湿度值降低。

该第三方面的许多实施方案可包括在与第一方面相关联地提出的上述列表中的特征相关的至少一个特征。

根据本发明的第四方面，提出了一种计算机程序，其构造成能执行根据第一方面的方法。

该第四方面的许多实施方案可包括在与第一方面相关联地提出的上述列表中的特征相关的至少一个特征。

通过本发明的实施方案获得了相当大的优势。本发明的某些实施方案提出了一种用于校正无线电探空仪的湿度测量结果的方法和系统。所测量的湿度值可由根据测量的湿度、湿度传感器的温度和压力的函数来补偿。

所需要的吸收模型误差的补偿为用于湿度传感器中的聚合物材料的材料特性。所测量的相对湿度可由不依赖于在低压和低温下针对单个无线电探空仪进行测量的标准函数来补偿。

由吸收模型误差导致的测量误差很大，在－80[℃]下高达10[％RH]。由于探空期间的环境是变化的，所以明确的吸收模型误差的补偿的引入改善了测量精度和稳定性。通过使用这种补偿，可以消除在热带纬度中的对流顶层内频繁地出现错误的过饱和湿度读数。某些持续性误差(例如，对流顶层的高偏差)也可通过此现象来解释，并可以被消除。

附图说明

图1显示了根据本发明的至少某些实施方案的方法的流程图，

图2显示了根据本发明的至少某些实施方案的方法的流程图，

图3显示了根据本发明的至少某些实施方案的方法的流程图，

图4显示了在不同高度下的温度和相对湿度的第一关系图，

图5显示了在不同高度下的温度和相对湿度的第二关系图。

具体实施方式

本发明的某些实施方案涉及一种与无线电探空仪相关联的方法，该方法包括以下步骤：在多个高度处至少测量大气的压力和湿度；测量或估算湿度传感器的温度；以及通过具有聚合物绝缘体的电容器来测量相对湿度；其中根据校正因子来校正相对湿度值，该校正因子为压力、湿度传感器的温度和相对湿度的函数，以使得当压力降低时湿度值降低。通过本发明的实施方案，可以校正由低压和低温导致的误差。

在图1中显示了根据本发明的一个实施方案的方法的流程图。与无线电探空仪相关联的该方法包括在大气中的多个不同高度处测量大气的湿度。另外，该方法还包括在大气的多个不同高度处测量压力。作为替代，可通过无线电探空仪的高度估算出该压力。例如，可通过从GPS或其他卫星导航系统处获得的无线电探空仪的高度(即，海拔高度)来计算该压力。此外，该方法还包括测量或估算湿度传感器的温度。另外，该方法还包括通过带有聚合物绝缘体的电容器来测量相对湿度。根据该方法，至少部分地或仅根据压力、湿度传感器的温度和相对湿度来确定校正因子。根据该校正因子来校正相对湿度值，以使得在压力降低时湿度值降低。所得到的校正湿度值可直接用于无线电探空仪，或者可被传输给使用其的地面站。

根据某一个实施方案，所使用的聚合物的体积电阻率有利地处于从1.0×10⁶[Ohm/m]到1.0×10¹⁸[Ohm/m]的范围内，所使用的聚合物的相对电容率有利地处于从2到6的范围内，并且当传感器处于从0[RH％]到100[RH％]的相对湿度的阶跃变化中时，传感器的电容的相对变化在从5[％]到50[％]的范围内。

在图2中显示了根据本发明的另一个实施方案的方法的流程图。在无线电探空仪发射之后，至少在大气的多个不同高度处测量大气的湿度和湿度传感器的温度。此外，还在大气中的多个不同高度处测量压力，或通过无线电探空仪的高度来计算压力。在后一情况下，该压力可以是由GPS高度导出的压力。另外，还通过具有聚合物绝缘体的电容器来测量相对湿度。随后，将测量结果传输给地面站，根据地面站处接收到的信号而校正相对湿度值。

根据某些实施方案，可使用计算装置(例如，常规的工作站计算机)来对无线电探空数据进行后处理。通常，还可为了存档数据来进行数据处理。

在图3中显示了根据本发明的一个实施方案的方法的流程图。与无线电探空仪相关联的该方法包括在大气中的多个不同高度处测量大气的湿度。此外，该方法还包括在大气中的多个不同高度处测量压力。作为替代，可通过无线电探空仪的高度来估算该压力。例如，可通过从GPS或其他卫星导航系统处获得的无线电探空仪的高度来计算该压力。此外，该方法还包括测量或估算湿度传感器的温度。另外，该方法还包括通过具有聚合物绝缘体的电容器来测量相对湿度。根据校正因子(RH_correction)来校正相对湿度值(RH)，该校正参数为压力、湿度传感器的温度和相对湿度的函数，以使得当压力降低时湿度值降低。

根据以下公式来进行校正：

RH_final＝RH–RH_correction(P,T,RH)

pi＝bi·(P/P0)/(1+bi·(P/P0))-bi/(1+bi)，

其中，

RH为校正之前的所测量的相对湿度[％]，

RH_correction为压力和温度导致的误差的校正值[％]，

P为压力[hPa]，

P0为标准空气压力，即，1013.2[hPa]；

T为估算的或测量的湿度传感器的温度[℃]；

cik和bi为聚合物特定参数，其中下标i和k在从0到3的范围内，通过针对校准参数的测量来确定。

根据某些实施方案，可为了具有露点校准的聚合物传感器的露点而使用物理定律对上文中给出的校正公式进行修改。

在标准空气压力之下的压力处进行校正。相对湿度值(RH)的校正可在无线电探空仪中进行，或者在将测量结果传输给地面站之后在地面站处进行。通常，无线电探空仪和地面站中的至少一个包括计算机可读介质，在其中存储有一组计算机可实施指令，该计算机可实施指令能使与无线电探空仪或地面站相关联的处理器来校正所测量的相对湿度值。作为替代，可通过计算装置来进行数据的后处理。

在图4中显示了不同高度处的温度和相对湿度的第一关系图。在该关系图中显示了温度、测量的相对湿度、校正的相对湿度，以及测量的相对湿度与校正的相对湿度之间的差。可以清楚地看到，最大测量误差出现在海平面之上16000[m]至18000[m]之间的范围内。

图5显示了不同高度处的温度和相对湿度的第二关系图。在该关系图中显示了温度、测量的相对湿度、校正的相对湿度，以及测量的相对湿度与校正的相对湿度之间的差。可以清楚地看到，最大测量误差发生在最低测量温度下的海平面之上15000[m]至20000[m]之间的范围内。

应当理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，所披露的本发明的实施方案不限于本文中所公开的特定的结构、方法步骤或材料，而是可以延伸至它们的等价物。还应当理解的是，本文所使用的术语仅用于描述特定的实施方案，不欲作为限制。

在本文中，针对一个实施方案或一个实施方法而言，与该实施方案相关联的特定的特征、结构或特性均包含在本发明的至少一个实施方案中。由此，在本文的许多地方出现的“在一个实施方案中”或“在某个实施方案中”不必须都指代同一个实施方案。涉及使用例如为约或基本上的数值也都披露了该确切的数值。

本文中所使用的多个物体、结构元素、组成元素和/或材料可为了方便而出现在一个公共的列表中。然而，这些列表应被视为该列表中的各个元素独立地作为单独且唯一的元素。由此，这些列表中的独立元素不应当仅因它们出现在公共群组内而无矛盾显示就被认为是同一列表中的任何其他元素的实际等价物。此外，在本文中，可涉及本发明的许多实施方案和实施例和与它们的各个部件的替代物。应当理解的是，这些实施方案、实施例和替代物不应被视为另一实施方案、实施例和替代物的实际等价物，而是应被看做为本发明的独立且自发的表现形式。

此外，所描述的特征、结构和特性可以任何适当的形式在一个或多个实施方案中结合。在本文中，提出了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等，以便于深入理解本发明的实施方案。然而，本领域的技术人员应当理解，本发明可以在不具备一个或多个这些具体细节的情况下实施，或在具备其他方法、部件、材料等的情况下实施。另外，为了避免使本发明难以理解，没有对已知的结构、材料或操作进行显示或详细描述。

尽管前述实施例在一个或多个特定应用中显示了本发明的原则，然而应当理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以在不进行创造性劳动的情况下对形式、使用和实施细节进行许多修改，而不会与本发明的原则和概念相背离。因此，本发明不欲被随附的权利要求书所限制。

动词“包括”和“包含”在本文中用于开放是限定，既不排除也不必须要其它未提出的特征的存在。除非另有明确说明，否则从属权利要求中提出的特征可自由地相互结合。此外，应当理解的是，“一个”或“一”(即，单数形式)的使用不将多数形式排除在外。

工业实用性

本发明的至少某些实施方案得到了无线电探空仪和湿度测量方法的工业应用。

引用文献列表

专利文献

US 7,358,862 B2

US 2008/0072669 A1

WO 2014/128348 A1