[发明专利]一种基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置

权利要求书

1.一种基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置，包括：

-凸台模型，所述凸台模型为堆叠的立方体，凸台模型具有上凸台和下凸台，上凸台的水平尺寸小于下凸台的水平尺寸；所述凸台装置不同表面设有热电偶作为测点，所述测点位于所处表面的几何中心处，用于模拟舰船表面的局部特征；

-红外热像仪，配合所述热电偶，用于检测凸台模型在外界对流环境和辐射环境变化下的瞬态温度场；

-风速仪气象仪和辐射气象仪，用于记录试验过程中的气象环境；

还包括：

-数据采集单元，数据采集单元与所述测点处的热电偶相连，用于记录凸台模型表面温度数据；

-计算机，与所述红外热像仪通过网线连接，对准凸台模型，用于通过红外软件记录凸台模型的红外辐射图像和温度场变化；

其特征在于，反演所述太阳辐照的步骤是：

第一步，将凸台模型放置于具备光照条件的试验场地，布置好凸台模型各表面测点位置，并与数据采集单元相连；

第二步，架设好红外热像仪并对准凸台模型，通过网线连接红外热像仪和计算机，用于实时记录凸台模型的红外辐射热像；

第三步，布设风速气象仪和辐射气象仪，记录试验过程中的气象环境变化；

第四步，对于每一个所述凸台模型表面，忽略其相邻面元导热和内部导热，有温度平衡方程：

式中，等号左侧各项依次为面元i接受到的太阳直射辐射得热、太阳散射辐射得热、天空背景辐射得热、对流换热得热及面元对外辐射失热；

如果令未知数分别为x₁，x₂，x₃，上述方程可以表示为：a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+b＝0；

第五步，对上述方程的求解理论上只需要3个独立方程，也即3个测点位置的温度信息即可计算得到求解太阳直射辐射、太阳散射辐射和天空半球辐射3个未知数；

第六步，由于可能存在的个别面元测温不准，直接选择三个面元进行辐射参数反算的风险较高，为此，可选择多个测点组成超定方程组Ax＝y，其中x＝(x₁，x₂，x₃)^T；

第七步，记残差为r(x)＝y-Ax，目的是找到向量x，在l₁范数的意义下，使得泛函f₁(x)＝||y-Ax||₁的值最小；

第八步，将残差分为两部分r₁(x)＝y₁-A₁x＝0和r₂(x)＝y₂-A₂x≠0，求解上述超定方程组的具体步骤如下：

步骤1：选取x的任一初始值，计算残差向量r(x)＝y-Ax；

步骤2：如果残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤3：选取向量Δ使得A₁Δ＝0，求解优化问题

得到步长ε⁰，其中e_m表示除第m个元素外其余元素均为0的单位向量，令x＝x+ε⁰Δ并计算新的残差向量；

步骤4：如果新的残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤5：记如果||c||_∞＞1，不妨设其第n₁个分量绝对值大于1，求解优化问题

得到步长α⁰，令转到步骤2；如果||c||_∞≤1，则x为超定方程组最优解。

2.根据权利要求1所述的基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置，其特征在于，所述立方体的堆叠个数为2个。

3.根据权利要求1所述的基于温度测量的用于反演太阳辐照的凸台装置，其特征在于，所述测点设有13个，测点布置在所述凸台模型不同表面。

4.一种通过权利要求1所述的凸台装置反演太阳辐照的方法，其特征在于：

第一步，将凸台模型放置于具备光照条件的试验场地，布置好凸台模型各表面测点位置，并与数据采集单元相连；

第二步，架设好红外热像仪并对准凸台模型，通过网线连接热像仪和计算机，用于实时记录凸台模型的红外辐射热像；

第三步，布设风速气象仪和辐射气象仪，记录试验过程中的气象环境变化；

第四步，对于每一个所述凸台模型表面，忽略其相邻面元导热和内部导热，有温度平衡方程：

式中，等号左侧各项依次为面元i接受到的太阳直射辐射得热、太阳散射辐射得热、天空背景辐射得热、对流换热得热及面元对外辐射失热；

如果令未知数分别为x₁，x₂，x₃，上述方程可以表示为：a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+b＝0；

第五步，对上述方程的求解理论上只需要3个独立方程，也即3个测点位置的温度信息即可计算得到求解太阳直射辐射、太阳散射辐射和天空半球辐射3个未知数；

第六步，由于可能存在的个别面元测温不准，直接选择三个面元进行辐射参数反算的风险较高，为此，可选择多个测点组成超定方程组Ax＝y，其中x＝(x₁，x₂，x₃)^T；

第七步，记残差为r(x)＝y-Ax，目的是找到向量x，在l₁范数的意义下，使得泛函f₁(x)＝||y-Ax||₁的值最小；

第八步，将残差分为两部分r₁(x)＝y₁-A₁x＝0和r₂(x)＝y₂-A₂x≠0，求解上述超定方程组的具体步骤如下：

步骤1：选取x的任一初始值，计算残差向量r(x)＝y-Ax；

步骤2：如果残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤3：选取向量Δ使得A₁Δ＝0，求解优化问题

得到步长ε⁰，其中e_m表示除第m个元素外其余元素均为0的单位向量，令x＝x+ε⁰Δ并计算新的残差向量；

步骤4：如果新的残差向量0元素个数小于3，则进行步骤3，否则进行步骤5；

步骤5：记如果||c||_∞＞1，不妨设其第n₁个分量绝对值大于1，求解优化问题

得到步长α⁰，令转到步骤2；如果||c||_∞≤1，则x为超定方程组最优解。