淺談自動雪深儀結構原理及維護應用

摘 ?要：介紹雪深觀測儀的結構與原理，闡明其應用范圍及意義，講述儀器維護與現場校準工作，指出雪深儀不僅減少臺站觀測人員的工作量，還進一步提高觀測質量和觀測效率，為防災減災及“三農”氣象服務等工作提供更多有價值的氣象信息和觀測產品。

關鍵詞：雪深儀;結構原理;維護;應用

雪深（積雪深度）觀測是地面氣象觀測的主要項目之一，利用以超聲波測距或激光測距為原理的觀測設備開展雪深實時自動觀測，不僅適合在各種苛刻環境的條件下進行雪深測量，還具有高可靠性、高準確性、易使用、易維護等特點，能夠有效提高雪深觀測的時效性和準確性，為農業生產、水資源調配、交通運輸、氣象監測等提供重要的基礎資料。

1結構及原理

1.1結構

雪深儀主要由測距探頭、處理控制單元和安裝支架等3個部分組成。

1.1.1測距探頭

目前國內氣象部門使用的雪深儀所采用的測距原理為超聲波測距或激光測距。

⑴超聲波測距

超聲波測距探頭由1個收發超聲波的探頭和1個用于波速訂正的溫度傳感器組成。

⑵激光測距

激光測距探頭由1個激光收發器和1個低溫加熱模塊組成。

1.1.2處理控制單元

處理控制單元負責對測距探頭的激發控制、計算測量波速發送和接收的時差（或相位差），并對采樣樣本進行數據質量控制、數據運算處理、記錄存儲和傳輸。

1.1.3安裝支架

安裝支架用于固定測距探頭，包括設備支撐桿、探頭安裝連接件、預埋件定位板和預埋件等。支架高度可調，能滿足探頭在指定高度范圍內進行測量。

1.1.4附件

在雪深儀停用期間，須使用防護罩保護測距探頭。防護罩具有防水、防塵、透氣等特點。

在雪深儀現場校準過程中，須使用經計量檢定的校準模塊。校準模塊使用鋁合金材質制作，經氧化處理，表面平整光滑，不易磨損和變形。模塊分為5cm和20cm高度兩種規格，各2塊。

1.2測距原理

測距探頭是雪深儀的關鍵組成部分，是利用發射的波束（光波、聲波或電磁波）遇到障礙物反射回來的特性進行距離差測量。目前國內氣象部門使用的雪深儀采用超聲波測距探頭或激光測距探頭。

1.2.1聲波測距探頭

超聲波探頭由一個超聲波激發電路、機械波發生器和一個超聲波接收電路組成，實現電信號到超聲波能量的轉換，同時可以接收超聲波在目標物上的反射回波，并轉換成電信號。采用時差法可計算出探頭到目標的距離，由于超聲波受周圍環境影響較大，所以必須通過溫度補償、數字濾波等技術提高測量準確性達毫米級。超聲波探頭安裝須保持水平，測量波束角為22°～30°，距離盲區約為50cm。

1.2.2激光測距探頭

激光探頭由高穩定的激光發射器、接收器、前置控制器組成，采用相位法測距，用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測線一次所產生的相位延遲，再根據調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間。激光探頭傾斜安裝在支撐桿上，傾斜角10°～30°，距離盲區約為10cm。

2觀測記錄

雪深儀每6秒掃描一次雪面高度，采樣一個當前高度值，每分鐘得到10 個采樣值（采樣瞬時值）。傳感器在對每分鐘內的采樣值進行質量控制后，對通過質量控制的采樣值求平均，輸出當前分鐘高度值，根據初始高度值和當前高度值計算得到積雪深度值，并對積雪深度值進行質量標示，計算出每分鐘的積雪深度值（瞬時值）。

（1）雪深觀測記錄，以厘米（cm）為單位，四舍五入，取整數;平均雪深不足0.5cm記0;

（2）雪深儀接入現行自動氣象站時使用數字量輸出，以正點前5分鐘雪深觀測平均值作為小時正點觀測結果。觀測數據的數據格式應符合《地面氣象要素數據文件格式》的要求。

3維護與現場校準

3.1維護方法

按時巡視、檢查和維護設備。

①每日對采集器工作狀態進行檢查。

②每日檢查通信情況。

③長時間不使用觀測儀時，需切斷交流電源，斷開蓄電池連接，套上防護罩。

④激光雪深傳感器的激光等級為 2 級，長時間直視會對眼睛造成傷害。

⑤傳感器工作時，發射到測量面上的紅點也不應長時間直視，以免引起可能對眼睛造成的損傷。

⑥在容易產生蛛網、污染等的場合，則需要對傳感器的波束通路進行清潔。

⑦清潔傳感器時，應使用超細纖維布（如擦眼鏡布、麂皮），以及中性清潔劑（如水）。

3.2現場校準方法

雪深儀現場校準方法如下：

①檢查儀器線路連接，確保儀器的工作狀態正常。

②調試，確認超聲波探頭安裝水平、基準面水平、測量路徑無遮擋;獲得激光探頭安裝傾角，確認基準面高度。

③使用校準模塊模擬5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm高度積雪深度，用傳感器分別測量這6種高度，每種高度重復進行3次測量，測量結果應當在允許誤差范圍內。

其中：對于激光測距探頭，應將校準模塊置于激光探頭的激光測量光點處;對于超聲波傳感器，應將校準模塊置于探頭的正下方。

④超聲波傳感器的溫度傳感器應按照技術要求，定期檢定。

若現場校準結果超出最大允許誤差范圍，應首先再次檢查確認雪深儀探頭安裝、基準面水平、測量路徑無遮擋等無誤。

4 結束語

雪深觀測儀既可以作為單獨的傳感器掛接在自動氣象站上也可以作為觀測儀獨立使用，其廣泛應用不僅減少觀測人員的工作量，還進一步提高觀測質量和觀測效率，為防災減災及“三農”氣象服務提供更多有價值的氣象信息和觀測產品。

參考文獻

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[3] ?王柏林、關彥華、馮冬霞，等. 雪深自動觀測規范. 北京：氣象出版社，2012：3-6.

作者簡介：李繼輝（1975年10月─），大專學歷，工程師，主要研究方向：農業氣象。