基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置

本发明属于微波检测，具体涉及一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置。

背景技术：

1、高海拔地区气象站的微波覆冰检测技术是一种利用微波辐射探测冻冰厚度和性质的方法，广泛应用于高寒地区的气象观测和预报中。

2、在高海拔地区，气象观测是十分重要的，因为这些地区的气候环境十分恶劣，气象变化也往往非常剧烈，这给当地居民和旅游者的生命和财产安全带来了很大的威胁。微波覆冰检测技术具有许多优点，例如可以实现自动化观测，减少人力和物力成本；可以实现实时监测，以便及时采取相应的气象预警和措施；可以实现高精度探测，以提高气象预报和科学研究的准确性和可靠性。

3、总之，高海拔地区气象站的微波覆冰检测技术已经成为一种重要的气象观测手段，为保障当地居民和旅游者的生命和财产安全，以及促进高海拔气象科学研究提供了重要的支持和保障。

4、常用的覆冰厚度检测方法主要包括以下几种：

5、(1)红外线法

6、利用红外线辐射的吸收能力，通过测量红外线信号的强度来间接推断地面结冰的程度和厚度。该方法可以实现远距离探测和实时监测，并且对大气湿度、气温等因素的影响较小。其缺点是需要专用设备，成本较高；同时受到覆冰质量、表面反射率等因素的影响，精度有一定限制。

7、(2)超声波法

8、利用超声波的穿透能力，通过测量超声波信号的传播速度和衰减程度来判断地面是否结冰。该方法可以实现非接触式探测和实时监测，并且对大气湿度、气温等因素的影响较小。其缺点是需要专用设备，成本较高；同时受到覆冰质量、超声波传播介质等因素的影响，精度有一定限制。

9、(3) 激光干涉法

10、利用激光干涉的原理，通过测量激光信号的相位差来推断地面结冰的程度和厚度。该方法可以实现非接触式探测和高精度探测，并且对大气湿度、气温等因素的影响较小。其缺点是需要专用设备，成本较高；同时受到激光干涉的光程、光路等因素的影响，需要精确校准。

技术实现思路

1、本发明主要目的在于提供一种检测精度较高的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、提供一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，包括以下步骤：

4、s1、将阵列传输线置于冷冻空间中，随温度下降测取阵列传输线微波信号的相位值，根据温度和相位值进行曲线拟合，并得到相位补偿公式，其中为当前温度下的相位值，为待补偿温度下补偿后的相位值，为拟合曲线的斜率；

5、s2、在低温冰箱中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下测取等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值，其中 i为覆冰样品个数；

6、s3、将待测覆冰样品和阵列微波传输线放置在一定温度的测量冷冻空间，测得当前温度下的阵列传输线微波信号的相位值，根据相位补偿公式计算待测覆冰样品在特定温度下经补偿后的相位值；

7、s4、根据覆冰样品对应的相位值计算待测覆冰样品经补偿后的相位值的区域性偏差对角矩阵，其中为衡量权重区域大小的参数，根据该区域性偏差对角矩阵以及该待测覆冰样品所在区域经验线性方程计算得到系数向量，其中该待测覆冰样品所在区域经验线性方程为，该区域经验线性方程是阵列传输线微波信号的相位值与覆冰厚度之间的线性关系，其中为斜率，为截距；为，为；

8、s5、根据以下公式计算待测覆冰样品的厚度。

9、接上述技术方案，步骤s2中覆冰样品个数大于等于100。

10、接上述技术方案，步骤s2中覆冰厚度是取自覆冰多个位置的平均值，按在1~10mm十个区间内按近似0.1mm增长的趋势制得100份，最后达到厚度10mm。

11、接上述技术方案，衡量权重区域大小的参数取值为1。

12、接上述技术方案，步骤s4中具体基于线性回归最小二乘法构建损失函数求得区域经验线性方程中的系数、。

13、接上述技术方案，步骤s1中，对温度和相位值进行拟合，得到拟合曲线，其中为斜率，为截距。

14、本发明还提供一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，该覆冰厚度预测装置用于实现上述技术方案所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法；该覆冰厚度预测装置包括微波信号发生器、阵列传输线和adc转换模块，其中微波发生器与阵列传输线的始端相连，产生固定的微波频率信号；adc转换模块与阵列传输线的尾端相连，获取微波信号的数字相位值。

15、接上述技术方案，阵列传输线是由多根传输线串联而成，包括测量部与接口部，其中测量部用于检测覆冰样品，接口部置于一防水层中，与微波信号发生器和adc转换模块相连。

16、接上述技术方案，测量部分传输线包括多条传输线，传输线为铜制导线。

17、接上述技术方案，测量时，整个覆冰厚度预测装置装置置于一定温度的冷冻空间中。

18、本发明产生的有益效果是：本发明使用微波相位值来表征覆冰厚度，通过区域性线性加权拟合方法，建立了对待测覆冰样品微波信号相位值与覆冰厚度之间的定量数学计算模型，结合基于温差的相位补偿模型对待测覆冰样品微波信号相位值进行校正使得预测结果更加精确、鲁棒。

19、进一步地，相比于其它覆冰预测技术，本发明所提供的检测方法效率高，检测精度高，采用的检测装置结构简单，成本低。

技术特征：

1.一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于微波阵列传输线的覆冰厚度检测方法，其特征在于，步骤s2中覆冰样品个数大于等于100。

3.根据权利要求2所述的基于微波阵列传输线的覆冰厚度检测方法，其特征在于，步骤s2中覆冰厚度是取自覆冰多个位置的平均值，在1~10mm十个区间内按近似0.1mm增长的趋势制得100份，最后达到厚度10mm。

4.根据权利要求1所述的基于微波阵列传输线的覆冰厚度检测方法，其特征在于，衡量权重区域大小的参数取值为1。

5.根据权利要求1所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，步骤s4中具体基于线性回归最小二乘法构建损失函数求得区域经验线性方程中的系数、。

6.根据权利要求1所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，其特征在于，步骤s1中，对温度和相位值进行拟合，得到拟合曲线，其中为斜率，为截距。

7.一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，该覆冰厚度预测装置用于实现权利要求1-5中任一项所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法；该覆冰厚度预测装置包括微波信号发生器、阵列传输线和adc转换模块，其中微波发生器与阵列传输线的始端相连，产生固定的微波频率信号；adc转换模块与阵列传输线的尾端相连，获取微波信号的数字相位值。

8.根据权利要求7所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，阵列传输线是由多根传输线串联而成，包括测量部与接口部，其中测量部用于检测覆冰样品，接口部置于一防水层中，与微波信号发生器和adc转换模块相连。

9.根据权利要求8所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，测量部分传输线包括多条传输线，传输线为铜制导线。

10.根据权利要求7所述的基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测装置，其特征在于，测量时，整个覆冰厚度预测装置置于一定温度的冷冻空间中。

技术总结
本发明公开了一种基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法，包括以下步骤：根据温度和相位值进行曲线拟合，得到相位补偿公式；S2、在低温冰箱中制取不同厚度的覆冰样品，在特定温度下测取等额厚度分布的覆冰样品对应的相位值；根据相位补偿公式计算待测覆冰样品在特定温度下经补偿后的相位值；根据覆冰样品对应的相位值计算待测覆冰样品经补偿后的相位值的区域性偏差对角矩阵，根据该区域性偏差对角矩阵以及该待测覆冰样品所在区域经验线性方程计算得到系数向量，进而计算待测覆冰样品的厚度。本发明可实现积冰灾害下的气象站覆冰厚度的预测。

技术研发人员：洪汉玉,吴忠辉,章秀华,孟敏,刘二余
受保护的技术使用者：武汉工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14