蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設(shè)計

許晨 王心鵬 王光杰 劉寧

摘 ?要： 為了實時獲取海氣分界層氣象水文參數(shù)，計算修正折射率指數(shù)廓線從而現(xiàn)場評估蒸發(fā)波導(dǎo)對海上電磁波的傳播影響，設(shè)計了蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)進行多傳感器組網(wǎng)，可以測量不同高度層的溫度、濕度、氣壓參數(shù)，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法解算測量終端姿態(tài)，通過計算快速獲取蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強度參數(shù)，具有實時性強、測量范圍廣等優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，一般海況下該系統(tǒng)可以滿足測量要求，為蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境實時監(jiān)測與診斷提供了新的硬件方法。

關(guān)鍵詞： 蒸發(fā)波導(dǎo); ZigBee; 自適應(yīng)卡爾曼濾波算法; CC2530; 傳感網(wǎng)絡(luò); 修正折射率; 氣象數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN02?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）01?0153?04

Design of environment monitoring and diagnosis system for evaporative duct

XU Chen， WANG Xinpeng， WANG Guangjie， LIU Ning

Abstract： In order to obtain the meteorological and hydrological parameters of the air?sea boundary layer in real time and calculate the profile of modified refractivity index， so as to evaluate the influence of the evaporation duct on the electromagnetic wave propagation on the spot， an environment monitoring and diagnosis system for the evaporation duct is designed. The system is based on ZigBee technology for multi?sensor networking， which can measure temperature， humidity and air pressure parameters at different altitudes. The adaptive Kalman filtering algorithm is adopted to calculate the measurement terminal posture， and the height and strength parameters of the evaporative duct are quickly acquired by calculation. Thus， the system has the advantages of high real?time performance and wide measurement range. The experimental results show that the system can meet the measurement requirements under normal sea conditions and provides a new hardware?based method for real?time monitoring and diagnosis of evaporation duct environment.

Keywords： evaporation duct; ZigBee; adaptive Kalman filtering algorithm; CC2530; sensor network; modified refractivity index; meteorological data collection

0 ?引 ?言

電磁波傳播不需要介質(zhì)，其在大氣、高層空間的信息傳輸和探測中有著極其廣泛的應(yīng)用。海上雷達測距、衛(wèi)星定位、無線通信過程都會受到蒸發(fā)波導(dǎo)的影響，所以研究近海面蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波傳播的影響，無論對于理論研究還是工程實踐來說都具有重要意義。蒸發(fā)波導(dǎo)是海上常見的自然現(xiàn)象，高度方向上的大氣折射率梯度是蒸發(fā)波導(dǎo)產(chǎn)生與否的判斷依據(jù)[1]。

常用的折射率指數(shù)測量系統(tǒng)存在一些問題。例如，探空儀搭載傳感器對大氣的溫度、濕度、壓強分別進行測量后代入公式計算折射率指數(shù)，探空儀釋放后無法回收且測量數(shù)據(jù)量小，其測量點定高精度差且不可控[2?4];通過電容式折射率儀測量折射率指數(shù)，測量精度高，但其測量儀器體積較大[5]，無法實現(xiàn)多點同時測量，該方法適用于觀測塔，但海上架設(shè)觀測塔較為困難，陸地上觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用到海上蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境分析時具有一定的局限性[6?7];拉曼激光雷達可以遙測大氣的溫度、濕度從而計算折射率指數(shù)，但同樣需要岸基或船基搭載，不能保證海氣分界層真實狀態(tài)，而且測量數(shù)據(jù)存在起始高度限制，無法保證其完整性[8]。因此本文提出了蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)采用多傳感器無線組網(wǎng)的方式實時測量不同高度層的氣象參數(shù)，該方式可以保留海氣分界層原始狀態(tài)，給出較遠海域的修正折射率指數(shù)廓線。

1 ?系統(tǒng)原理

1.1 ?系統(tǒng)組成及工作原理

測量系統(tǒng)由測量終端、主控單元、數(shù)傳電臺、浮標體及氣象氣球五部分組成，測量終端集成溫、濕、壓、姿態(tài)傳感器及射頻模塊，測量大氣參數(shù)后回傳數(shù)據(jù)，測量得到的溫濕壓數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以直接代入折射率指數(shù)與大氣溫度、相對濕度、水汽壓的半經(jīng)驗公式得到折射率指數(shù)，表達式如下：

[N=DTP+EeT] （1）

式中：[T]為溫度，單位為K;[P]為氣壓，單位為hPa;[e]為水汽壓，單位為hPa;[D]，[E]為實驗常數(shù)，分別為77.6，4 810。浮標體搭載電池及部分配重，為主控單元及數(shù)傳電臺供電，并在海水中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，保證電臺通信。氣象氣球提供穩(wěn)定的升力保證測量終端分布在海表高度45 m范圍內(nèi)，監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

浮標體入水后系統(tǒng)開始工作，測量終端以一定的時間間隔采集溫濕壓數(shù)據(jù)、解算姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送回主控單元（協(xié)調(diào)器）。主控單元在標體入水后打開ZigBee模塊，與測量終端組網(wǎng)，回傳數(shù)據(jù)并通過串口接收GPS數(shù)據(jù)更新測量位置信息，驗證傳感器數(shù)據(jù)完整性后將數(shù)據(jù)及位置信息通過數(shù)傳電臺發(fā)回船載或陸地接收電臺[9]，通過上位機軟件實時解算修正折射率指數(shù)廓線。

1.2 ?基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的姿態(tài)解算算法

蒸發(fā)波導(dǎo)的關(guān)鍵參數(shù)是修正折射率指數(shù)的廓線形式及波導(dǎo)高度，測量點定高的絕對誤差會影響波導(dǎo)高度，相對誤差會影響修正折射率指數(shù)的廓線形式。因此基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的姿態(tài)解算算法是本測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵算法，姿態(tài)角的解算精度直接影響定高精度。查閱資料，目前可行的測量終端定高有四種方法，如表1所示。

綜合考慮定高精度及實際海上環(huán)境、測量終端重量限制等因素，最終采用傾角繩長結(jié)構(gòu)解算的方法為測量終端定高。由于海上風速變化，測量終端不會一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，運動加速度導(dǎo)致姿態(tài)快速解算無法測出準確傾角，因此采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對加速度計解算傾角及陀螺儀積分傾角進行數(shù)據(jù)融合，得到傾角的線性最優(yōu)估計結(jié)果。針對姿態(tài)傳感器輸出量及觀測量，建立如下濾波模型：

[xk=Axk-1+Bwk-1yk=Cxk+vk] （2）

式中：[A=1dt01];[B=0000];[C=1001];[xk=AkAgk]，[Ak]為傾角，[Agk]為陀螺儀輸出角速度;[wk-1]為2維系統(tǒng)噪聲;[vk]為2維的量測噪聲。

卡爾曼濾波可以抑制加速度和角速度的白噪聲干擾，但是風速變化帶來的加速度計輸出量并非白噪聲，這部分誤差會嚴重影響姿態(tài)解算精度，因此自適應(yīng)卡爾曼濾波采用的策略是給出一個符合正態(tài)分布的權(quán)值函數(shù)如式（3）所示：

[f（x）=100e-M×（x-glocal）2] （3）

[R=Qf（x）] （4）

式中：[Q]為量測噪聲;[R]為系統(tǒng)噪聲;[x]為測量出的加速度絕對值;[glocal]為當?shù)刂亓铀俣?[M]為置信度系數(shù)，本文采用的[M]值為2 763.1。

2 ?硬件設(shè)計

2.1 ?測量終端

測量終端選用TI公司的CC2530作為處理芯片，其外圍電路搭載溫濕傳感器SHT15，氣壓傳感器MS5534B，9軸姿態(tài)傳感器MPU9150，倒F型PCB天線，射頻電路功放RFX2401C，穩(wěn)壓芯片LM2937?3.3，構(gòu)成完整的測量終端，測量終端使用的鋰聚合物電池輸出電壓為4.2 V，不滿足姿態(tài)、溫濕傳感器要求，需要穩(wěn)壓芯片LM2937?3.3，從而獲得穩(wěn)定、低噪聲的3.3 V電壓為傳感器供電，測量終端主要芯片功耗如表2所示。

設(shè)定傳感器每5 s回傳一次數(shù)據(jù)，MPU9150進行姿態(tài)解算的時間為0.4 s，每5 s消耗的電量[Q]為：

[Q=0.525 ?4 ?mAh] （5）

最大消耗電流為：

[Imax=384.15 ?mA] （6）

采用600 mA[?]h的鋰聚合物電池供電，其最大輸出電流為0.5 A，可以滿足測量終端需要，理論最長工作時間[T≈1 100 ?h]，實際使用過程中測量終端連續(xù)工作6 h后電源負載能力下降，輸出電壓降低，傳感器不能正常工作，回傳數(shù)據(jù)失效。

現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，測量終端增重會導(dǎo)致整個測量鏈受風影響傾斜，嚴重時可導(dǎo)致部分終端落入水中;外接桿狀天線與測量板成“L形”，易受風力影響導(dǎo)致姿態(tài)不穩(wěn);氣象氣球受光照、溫度變化等因素影響變形導(dǎo)致凈舉力逐漸下降，因此在保證ZigBee通信距離的情況下采用經(jīng)過阻抗匹配的“倒F型”板載PCB天線，既減輕終端重量又縮小體積，減少了氣象氣球的氦氣消耗，提升氣球凈舉力，延長系統(tǒng)在風速較大、日照嚴重等惡劣條件下的工作時間。

2.2 ?主控單元

主控單元選用TI公司的CC2530作為主控芯片，外圍電路搭載定位芯片S?87 GPS，用于電平轉(zhuǎn)換的MAX3232，射頻電路功放RFX2401C，穩(wěn)壓芯片LM2937?3.3，其原理如圖2所示。

主控單元添加入水開關(guān)，保證在投棄過程前系統(tǒng)不工作，延長海上測量時間。測量終端的板載PCB天線的增益不及外接桿狀天線，為了保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，主控單元連接固定在浮標頂?shù)母咴鲆鏃U狀天線，提高通信鏈路增益，部分測量終端添加路由功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3 ?軟件設(shè)計

3.1 ?基于Z?stack協(xié)議棧的系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用TI公司的Z?stack協(xié)議棧完成測量終端與主控單元的通信軟件編寫，測量終端和主控單元上電后首先要進行協(xié)議棧的初始化，通過Z?stack協(xié)議棧的操作系統(tǒng)對事件進行統(tǒng)一管理調(diào)度可以保證單片機穩(wěn)定運行。

3.2 ?測量終端軟件設(shè)計

測量終端上電后初始化協(xié)議棧，然后進行串口、I/O口、定時器、看門狗配置，等待主控單元組網(wǎng)，組網(wǎng)完成后采集溫、濕、壓、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，進行姿態(tài)解算后將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控單元，組網(wǎng)成功后，無論主控單元是否接收，測量終端都不會停止數(shù)據(jù)采集、發(fā)送過程，直到電量耗盡。CC2530采用I2C協(xié)議與傳感器同步通信，由于姿態(tài)解算需要精確的采樣時間間隔，因此MPU9150的數(shù)據(jù)采集過程使用片上定時器中斷觸發(fā)，解算完成后關(guān)閉定時器，避免中斷程序影響協(xié)議棧數(shù)據(jù)發(fā)送，測量終端軟件流程如圖3所示。

3.3 ?主控單元軟件設(shè)計

主控單元開啟后首先初始化協(xié)議棧，等待測量終端入網(wǎng)，終端入網(wǎng)后主控單元更新網(wǎng)表信息，根據(jù)不同物理地址尋找新設(shè)備，同時將接收到的數(shù)據(jù)處理后由串口1發(fā)送至數(shù)傳電臺，通過串口0接收GPS數(shù)據(jù)更新位置信息。主控單元掉電后再次上電，設(shè)備不會重新組網(wǎng)，而是作為路由器入網(wǎng)，入網(wǎng)后繼續(xù)完成數(shù)據(jù)接收驗證任務(wù)，其工作流程如圖4所示。

4 ?系統(tǒng)測試及實測數(shù)據(jù)分析

4.1 ?通信距離測試

為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定回傳，需要確定測量終端與主控單元的最遠通信距離，由于天線制作工藝、饋線損耗、環(huán)境噪聲、空氣中固態(tài)和液態(tài)顆粒物及地面的影響，ZigBee實測通信距離遠小于理論值。在復(fù)雜的城市環(huán)境中測試其通信距離，如果可以滿足要求，那么在環(huán)境相對單一且無遮擋的海氣分界層也能達到同樣的效果，不同天線穩(wěn)定通信距離實測結(jié)果如表3所示。

采用10 dBi增益天線，接收信號強度為-94 dBm時，點對點通信距離達到24.5 m，實際使用中，3、7號測量終端添加路由功能負責信號的轉(zhuǎn)發(fā)。驗證ZigBee通信距離后對測量終端傳感器進行標定，完成后將整個系統(tǒng)投放至待測海域中，測量現(xiàn)場如圖5所示。

4.2 ?海上試驗及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)回傳數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，不能直接進行廓線擬合，數(shù)據(jù)中可能包含有明顯偏差項、重復(fù)項及數(shù)據(jù)不全項，測量鏈上設(shè)置有兩個具有轉(zhuǎn)發(fā)功能的測量終端（路由器），測量終端在空中的姿態(tài)不可控，可能導(dǎo)致主控單元分別與測量終端、路由器間的鏈路質(zhì)量相同，這樣的情況會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重復(fù)接收，重復(fù)數(shù)據(jù)會影響后續(xù)的曲線擬合過程，因此需要將這部分數(shù)據(jù)刪除。完成該步后，針對傳感器的測量數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行處理，刪除含有異常值的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)塊進行完整性驗證，整合剩余數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)段應(yīng)滿足以下三個條件：

[950≤p≤1 ?040] （7）

[RH≥0] （8）

[T-Tmean≤5] （9）

溫度均值限制是為了避免電池電壓下降導(dǎo)致的測量溫度偏差過大，經(jīng)過參數(shù)檢驗后的數(shù)據(jù)需要驗證其所屬數(shù)據(jù)塊的完整性，剩余完整數(shù)據(jù)塊可以用來擬合氣象參數(shù)廓線、計算修正折射率及分析預(yù)測模型中的普適函數(shù)。2018年7月2日下午2：00—3：00，平均風速為0.6 m/s，于山東威海附近海域使用本系統(tǒng)測量得到的溫度、濕度、氣壓及計算出的修正折射率散點及擬合廓線如圖6所示。

測量當日出現(xiàn)了蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象，其高度為12.5 m，波導(dǎo)強度為20個單位。測量時長為1 h，測量數(shù)據(jù)RSSI最小值為-86 dBm，均值為-74 dBm，CC2530接收信號強度最低為-98 dBm，說明測量過程中主控單元與測量終端通信穩(wěn)定。傾角定高結(jié)果與氣壓定高結(jié)果趨勢基本吻合，濕度傳感器的測量數(shù)據(jù)顯示海氣分界層的相對濕度在高度方向上呈非線性衰減狀態(tài)，這主要是由于測量點距岸較近，廣闊海域微風條件下相對濕度廓線呈現(xiàn)單調(diào)衰減的趨勢。

5 ?結(jié) ?語

本文提出蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的設(shè)計思路，詳細介紹了系統(tǒng)原理、軟件流程，并給出了系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計方案。通過實驗驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，最后選擇近海作為實測場地對系統(tǒng)進行了外場測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定測量海氣分界層氣象參數(shù)，與數(shù)據(jù)處理軟件配合可以實時監(jiān)測蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象，具有工作穩(wěn)定、實用性高、監(jiān)測范圍廣等特點，且最大程度保留了海氣分界層狀態(tài)，可以為遠海海氣分界層理論研究及蒸發(fā)波導(dǎo)對海面電磁波傳播影響研究提供數(shù)據(jù)支持。

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作者簡介：許 ?晨（1993—），男，天津人，碩士研究生，主要從事海洋觀測技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)研究。

王心鵬（1983—），男，天津人，碩士，工程師，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

王光杰（1987—），男，河北人，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

劉 ?寧（1977—），男，河北人，博士，研究員，主要研究領(lǐng)域為海洋觀測。