一种光栅感应积雪深度观测装置的研究设计

郭志忠，程红霞，肖继东，王 进，沙依然，梁凤超，崔 宇

（乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐 830000）

冬季的积雪深度，特别是山区积雪蓄积，反映了当地水资源情况，其变化规律及其变化过程反映融雪水资源存量的变化趋势，对其进行观测及时了解当地水资源情况，对工、农业发展有决定性的意义[1-3]。春夏积雪融化带来水资源的同时，往往也伴随着一定的灾害发生，如融雪性洪水、融雪性泥石流，严重威胁着当地工、农业生产及人民的生命和财产安全。山区积雪蓄积情况，因地形、地茂复杂，积雪深度受坡度、坡向、森林郁闭度、海拔高度、迎风面、被风面等影响很大[4-6]，现有观测设备在这些特定区域难于架设，布站难度大，对供电、通讯等技术保障要求高，因而多采用人工方式观测采集数据，人工观测采集受人为因素、环境与条件影响大，观测频次低，对降雪过程中的积雪雪深变化不能很好的实时记录，更多山区积雪情况无法观测，难以反映水资源及灾害成因的真实情况。本研究设计了一种低功耗、轻便、易于架设的立杆式光栅感应积雪深度观测装置，以期为积雪深度自动观测研究提供技术支撑。

1 整体结构和工作原理

1.1 整体结构

光栅感应积雪深度观测装置整体结构如图1所示，其主要部件包括：等距激光组立杆、光栅感应立杆、单片机控制采集电路、无线传输电路、光栅感应电路、蓄电池、保温箱、水平基板和红光滤光片。

图1 光栅感应积雪深度观测装置整体结构示意图

1.2 工作原理

通过在水平基板竖立等距激光组立杆发射出水平光栅，光栅感应立杆侧感应出积雪对光栅的遮挡，反映出积雪深度数据。 （1）光栅感应立杆感应面背向阳光，降低日光对感应的影响。 （2）为排除日光及其散射光对感应的影响，选取红光波段作为感应波段，并增加红光滤光去除其他波段杂散。 （3）使用激光组为光栅光源，通过增强线性光源光照强度，提升感应器件的感应门限，排除杂散光，提高感应正确率。

2 主要部件设计与程序控制设计

光栅感应积雪深度观测装置设计的整体思路，就是在达到预期观测效果基础上，结构尽量简单，布设更为灵活，安全可靠且成本低廉。观测装置采用了单机编址，无线接力传输的数据传输策略，以便于野外布设传输问题的解决。

2.1 结构部件设计

此部分由水平基板上安装的等距激光组立杆，光栅感应立杆、蓄电池、保温箱、红光滤光片等主要部件组成。

水平基板上间隔40 cm 安装有竖立的等距激光组立杆和光栅感应立杆，光栅感应立杆由内向外依次安装等距光感应电路、光栅狭缝组件、红光滤光片和防尘玻璃，等距激光组立杆内装有红光线激光。通过红光滤光片和光栅狭缝滤除其他波段的杂光与光线杂散对感应的影响。观测装置安装在埋于地面的蓄电池保温箱上，安装时水平基板与地面齐平。

2.2 控制电路设计

此部分主要由单片机控制采集电路，无线传输电路、光栅感应电路和数据存储电路组成。单片机依照观测设置策略，控制激光发射，光栅感应扫描获取积雪对光栅的遮挡情况，计算出雪深数据，生成数据存储到可改写的铁电存储芯片中，防止因掉电而导致数据丢失，并通过无线传输电路对数据进行实时传输，观测电路在观测间歇时进入省电模式，减少电量消耗。

2.3 程序设计

控制程序主要由程控设置程序、光栅感应扫描程序和通讯传输程序组成。

3 功能验证

研制成型的光栅感应积雪深度观测装置的整机重量约为10 kg，采用的60AH 蓄电池可工作6 ～7 个月，该观测装置可存储10 个月的观测数据（可在降雪时增加采集密集度），保证数据3 年的掉电保护。为了验证此机的功能实现情况，进一步进行了实测试验。通过为期1 周的观测装置实测试验，实现了预设功能，观测精度达到1 cm。该装置结构简单，便于布设，可使观测频次和观测准确率明显提高。

4 小结

本文通过对人工观测积雪深度过程和观测要求的分析，研究设计了一种光栅感应积雪深度观测装置，试验证明，此样机能够很好地实现预设功能，而且该观测装置还具有以下特点：（1）设备成本低廉。采用常规器件即可实现积雪深度的观测。（2）整体结构设计质量轻，体积小，空间省，架设仅需0.1 m2，更加便于复杂地形的积雪观测。 （3）采用无线数据链，实现多机接力数据传输。