一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法技术

本发明专利技术公开的一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，属于探空大气压力传感器技术领域。本发明专利技术采用组合式的大气压力探测方法代替传统的单一传感器探测的方式，利用绝压传感器测量范围广和差压传感器分辨率高的优点，在低气压区利用不同量程的差压传感器进行测量，在高气压区利用绝压传感器进行测量。通过所述组合式的大气压力探测方法，能够实现宽量程气压探测能力。本发明专利技术通过建立信息熵、信息增量与传感器管理算法的关联关系，不断计算出最适合当前气压环境的传感器，判断是否该切换其他量程进行测量，实现气压的高精度、高分辨测量。本发明专利技术能够实现大气压力探测范围更广，探测精度更高的实时测量目标，满足高空探测需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法


[0001]本专利技术属于探空大气压力传感器
，尤其涉及一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法。

技术介绍

[0002]气象变化影响着人类生产生活的方方面面。大气探测对大气科学的发展有重要的促进作用，为了能更好的掌握高空气象规律，指导日常生活、工作，研究人员为此做出了许多工作。气压作为气象探测领域的重要元素之一，其测量的广度与精度对整个临近空间探测有着重大影响。例如，80
‑
100km的高空再入段气象模型会严重影响特种飞行器的研制，但由于目前的测量条件限制，往往只能测量30km以下的气压参数，再通过分析计算反演出高空气象模型，这样就会造成较大的测量误差，不利于临近空间飞行器的研制及落点精度的提升。我国缺少临近空间顶层的大气参数，导致我国与国际气象模型偏差较大。为建成空间环境地基监测网，揭示空间环境的时间和空间变化规律，并逐步形成覆盖更多重要区域的空间环境监测、预警能力，找到一种宽量程的气压测量方法极为重要。
[0003]众所周知，随着高度的上升，气压值会逐渐降低。据计算，高度每提升9m，大气压降低约100Pa。标准大气压值为1013.25hPa，在30km左右的高空时，气压则会降低至11.7hPa，随着高度的进一步提升，到80
‑
100km时，气压值将无限趋于零，难以获得精确的气压值。根据调研，目前市场流行产品及专利专利技术均无法达到这一要求。如国际气压传感器领先品牌Druck，其型号为UNIK 5000的气压传感器测量范围为0
‑
70MPa间任意量程的表压或绝压，但精度仅为
±
0.2％FS，无法实现在小量程的高精度气压测量；再如其1000系列传感器，测量精度
±
0.5％FS，但范围也仅仅是25Pa
‑
7kPa，远不能达到测量目标。而作为微差压传感器领先者的美国Setra品牌，虽能完成小量程的气压测量，如其型号为setra268的传感器，测量范围0
‑
25Pa，测量精度
±
0.25％FS，但它也只能够提供小量程范围内的气压测量，当传感器处在更高气压的环境下，便无法正常工作。综上所述，目前市场上暂无满足临近空间探测，具备宽量程能力的气压传感器存在。
[0004]在对现有公开专利的调研中发现，有一名为“一种复合量程气压传感器和高精度探空气压测量装置”(公开号：CN108332898A)设计了一种复合量程的气压传感器，其最主要特征为设计了两个厚度不同的应变薄膜。内膜片较薄，测压范围为3
‑
500hPa；外膜片较厚，测压范围为500
‑
1100hPa。系统采集外部气压传感器的输出信号，利用无线模块传输到地面控制中心，并判断气压是否小于500hPa，若低于500hPa则转换为内部传感器进行测量，同时将信号通过无线模块传送至地面，否则继续下一步，将信号输出至信号处理电路进行处理后输出。最后地面控制中心进行信号处理，给出整个量程(3
‑
1100hPa)范围内的气压测量结果。然而这种专利技术的量程也太小，精度不高，无法满足高空探测的需要。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中只能够提供小量程范围内的气压测量，当传感器处在更高气压
的环境下，无法正常工作，量程太小，精度低，无法满足高空探测的需要的问题。本专利技术主要目的是提供一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，以实现大气压力探测范围更广，探测精度更高的实时测量的目标，满足满足高空探测需求。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]本专利技术公开的一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，包括如下步骤：
[0008]S1将一个绝压传感器与多个不同量程差压传感器组合，形成一个气压测量模块；
[0009]S2将所述气压测量模块搭载至探测仪器上；
[0010]S3建立信息熵、信息增量与传感器管理算法的关联关系；
[0011]S4下投所述探测仪器，并选用量程最低的差压传感器作为当前测量传感器，开始对立体空间气压进行测量，并实时计算绝压传感器和各差压传感器所对应的期望信息增量；若所得期望信息增量最大的传感器与当前测量传感器为同一传感器，则输出当前测量气压值，并继续采用当前测量传感器；否则，将期望信息增量最大的传感器切换为当前测量传感器；
[0012]S5采用当前测量传感器测量当前环境气压单元，并输出气压值，并实时计算当前环境气压单元下的绝压传感器和各差压传感器所对应的期望信息增量；
[0013]S6判断是否需要切换传感器进行下一量程气压测量，若步骤S5中所得期望信息增量最大的传感器与当前测量传感器为同一传感器，则继续采用当前测量传感器；否则，将期望信息增量最大的传感器切换为当前测量传感器；
[0014]S7返回步骤S5，直至步骤S5中所得绝压传感器期望信息增量高于其他传感器；
[0015]S8将绝压传感器切换为当前测量传感器，对环境气压进行测量，并持续输出气压值，直至整个下投探空过程结束，实现大气压力宽范围、高精度实时测量。
[0016]进一步地，所述S1，还包括：
[0017]在地面将量程最低的差压传感器两端压力抽至0Pa，并将其两端阀门关闭，其余差压传感器阀门均处于打开状态。
[0018]进一步地，所述S3实现方法为：
[0019]S31定义T为一离散有限集合，其状态t(t＝0，
…
，T)互斥，若q(t)为尚未获得一个量测之前，将状态t的一个概率密度分布函数作为先验分布，则该状态下信息熵为：
[0020][0021]其中，t为离散有限集合T的状态，q(t)为尚未获得一个量测之前关于状态t的概率密度分布函数；
[0022]p(t)为获得量测后状态t的估计概率密度分布，并将其作为后验分布，则信息熵为：
[0023][0024]其中，p(t)为获得一个量测后状态t的估计概率密度分布；
[0025]S32信息增量为先验信息熵减去后验信息熵如下式所示：
[0026][0027]S33所述传感器管理算法中，通过计算目标状态在第k次量测后的熵H
k
和第k+1次量测前熵的数学期望值E[H
(k+1)/k
]，并计算所述第k次量测后的熵H
k
和所述第k+1次量测前熵
的数学期望值E[H
(k+1)/k
]的差I
k
＝H
k
‑
E[H
(k+1)/k
]，且I
k
越大说明对应的传感器越适合当前环境气压单元。
[0028]进一步地，所述S5还包括如下操作：
[0029]基于当前测量传感器测量的气压值，通过基于信息熵的传感器管理算法，计算出各传感器的期望信息增量，对各传感器的信息增量初始化排序，形成顺序链。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，其特征在于：包括如下步骤，S1将一个绝压传感器与多个不同量程差压传感器组合，形成一个气压测量模块；S2将所述气压测量模块搭载至探测仪器上；S3建立信息熵、信息增量与传感器管理算法的关联关系；S4下投所述探测仪器，并选用量程最低的差压传感器作为当前测量传感器，开始对立体空间气压进行测量，并实时计算绝压传感器和各差压传感器所对应的期望信息增量；若所得期望信息增量最大的传感器与当前测量传感器为同一传感器，则输出当前测量气压值，并继续采用当前测量传感器；否则，将期望信息增量最大的传感器切换为当前测量传感器；S5采用当前测量传感器测量当前环境气压单元，并输出气压值，并实时计算当前环境气压单元下的绝压传感器和各差压传感器所对应的期望信息增量；S6判断是否需要切换传感器进行下一量程气压测量，若步骤S5中所得期望信息增量最大的传感器与当前测量传感器为同一传感器，则继续采用当前测量传感器；否则，将期望信息增量最大的传感器切换为当前测量传感器；S7返回步骤S5，直至步骤S5中所得绝压传感器期望信息增量高于其他传感器；S8将绝压传感器切换为当前测量传感器，对环境气压进行测量，并持续输出气压值，直至整个下投探空过程结束，实现大气压力宽范围、高精度实时测量。2.如权利要求1所述的一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，其特征在于：所述S1，还包括如下操作：在地面将量程最低的差压传感器两端压力抽至0Pa，并将其两端阀门关闭，其余差压传感器阀门均处于打开状态。3.如权利要求2所述的一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，其特征在于：所述S3实现方法为，S31定义T为一离散有限集合，其状态t(t＝0，
…
，T)互斥，若q(t)为尚未获得一个量测之前，将状态t的一个概率密度分布函数作为先验分布，则该状态下信息熵为：其中，t为离散有限集合T的状态，q(t)为尚未获得一个量测之前关于状态t的概率密度分布函数；p(t)为获得量测后状态t的估计概率密度分布，并将其作为后验分布，则信息熵为：其中，p(t)为获得一个量测后状态t的估计概率密度分布；S32信息增量为先验信息熵减去后验信息熵如下式所示：S33所述传感器管理算法中，通过计算目标状态在第k次量测后的熵H
k
和第k+1次量测前熵的数学期望值E[H
(k+1)/k
]，并计算所述第k次量测后的熵H
k
和所述第k+1次量测前熵的数学期望值E[H
(k+1)/k
]的差I
k
＝H
k
‑
E[H
(k+1)/k
]，且Ik越大说明对应的传感器越适合当前环境气压单元。4.如权利要求3所述的一种基于信息熵的下投探空大气压力测量方法，其特征在于：所述S5还包括基于当前测量传感器测量的气压值，通过基于信息熵的传感器管理算法，计算
出各传感器的期望信息增量，对各传感器的信息增量初始化排序，形成顺序链；所述各传感器的期望信息增量，通过以下方法计算得到：(1)利用当前测量传感器对当前环境气压单元v
p
进行测量，得到气压值，计算在当前环境气压单元下各传感器所对应的信息增量，探空仪器共装配S个传感器，记为传感器s，s＝1，
…
，S，在每一时刻仅使用一个传感器采样该时刻的当前环境气压单元，得到量测结果的概率密度；(2)使用传感器s测量当前环境气压单元v
p
，产生量测结果为r，则新的观测集合...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑德智，李大鹏，常海龙，王帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：