一種光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置的研究設(shè)計(jì)

郭志忠，程紅霞，肖繼東，王 進(jìn)，沙依然，梁鳳超，崔 宇

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830000）

冬季的積雪深度，特別是山區(qū)積雪蓄積，反映了當(dāng)?shù)厮Y源情況，其變化規(guī)律及其變化過(guò)程反映融雪水資源存量的變化趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)及時(shí)了解當(dāng)?shù)厮Y源情況，對(duì)工、農(nóng)業(yè)發(fā)展有決定性的意義[1-3]。春夏積雪融化帶來(lái)水資源的同時(shí)，往往也伴隨著一定的災(zāi)害發(fā)生，如融雪性洪水、融雪性泥石流，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)毓?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。山區(qū)積雪蓄積情況，因地形、地茂復(fù)雜，積雪深度受坡度、坡向、森林郁閉度、海拔高度、迎風(fēng)面、被風(fēng)面等影響很大[4-6]，現(xiàn)有觀測(cè)設(shè)備在這些特定區(qū)域難于架設(shè)，布站難度大，對(duì)供電、通訊等技術(shù)保障要求高，因而多采用人工方式觀測(cè)采集數(shù)據(jù)，人工觀測(cè)采集受人為因素、環(huán)境與條件影響大，觀測(cè)頻次低，對(duì)降雪過(guò)程中的積雪雪深變化不能很好的實(shí)時(shí)記錄，更多山區(qū)積雪情況無(wú)法觀測(cè)，難以反映水資源及災(zāi)害成因的真實(shí)情況。本研究設(shè)計(jì)了一種低功耗、輕便、易于架設(shè)的立桿式光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置，以期為積雪深度自動(dòng)觀測(cè)研究提供技術(shù)支撐。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要部件包括：等距激光組立桿、光柵感應(yīng)立桿、單片機(jī)控制采集電路、無(wú)線(xiàn)傳輸電路、光柵感應(yīng)電路、蓄電池、保溫箱、水平基板和紅光濾光片。

圖1 光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

通過(guò)在水平基板豎立等距激光組立桿發(fā)射出水平光柵，光柵感應(yīng)立桿側(cè)感應(yīng)出積雪對(duì)光柵的遮擋，反映出積雪深度數(shù)據(jù)。 （1）光柵感應(yīng)立桿感應(yīng)面背向陽(yáng)光，降低日光對(duì)感應(yīng)的影響。 （2）為排除日光及其散射光對(duì)感應(yīng)的影響，選取紅光波段作為感應(yīng)波段，并增加紅光濾光去除其他波段雜散。 （3）使用激光組為光柵光源，通過(guò)增強(qiáng)線(xiàn)性光源光照強(qiáng)度，提升感應(yīng)器件的感應(yīng)門(mén)限，排除雜散光，提高感應(yīng)正確率。

2 主要部件設(shè)計(jì)與程序控制設(shè)計(jì)

光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置設(shè)計(jì)的整體思路，就是在達(dá)到預(yù)期觀測(cè)效果基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，布設(shè)更為靈活，安全可靠且成本低廉。觀測(cè)裝置采用了單機(jī)編址，無(wú)線(xiàn)接力傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸策略，以便于野外布設(shè)傳輸問(wèn)題的解決。

2.1 結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

此部分由水平基板上安裝的等距激光組立桿，光柵感應(yīng)立桿、蓄電池、保溫箱、紅光濾光片等主要部件組成。

水平基板上間隔40 cm 安裝有豎立的等距激光組立桿和光柵感應(yīng)立桿，光柵感應(yīng)立桿由內(nèi)向外依次安裝等距光感應(yīng)電路、光柵狹縫組件、紅光濾光片和防塵玻璃，等距激光組立桿內(nèi)裝有紅光線(xiàn)激光。通過(guò)紅光濾光片和光柵狹縫濾除其他波段的雜光與光線(xiàn)雜散對(duì)感應(yīng)的影響。觀測(cè)裝置安裝在埋于地面的蓄電池保溫箱上，安裝時(shí)水平基板與地面齊平。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

此部分主要由單片機(jī)控制采集電路，無(wú)線(xiàn)傳輸電路、光柵感應(yīng)電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。單片機(jī)依照觀測(cè)設(shè)置策略，控制激光發(fā)射，光柵感應(yīng)掃描獲取積雪對(duì)光柵的遮擋情況，計(jì)算出雪深數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到可改寫(xiě)的鐵電存儲(chǔ)芯片中，防止因掉電而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，觀測(cè)電路在觀測(cè)間歇時(shí)進(jìn)入省電模式，減少電量消耗。

2.3 程序設(shè)計(jì)

控制程序主要由程控設(shè)置程序、光柵感應(yīng)掃描程序和通訊傳輸程序組成。

3 功能驗(yàn)證

研制成型的光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置的整機(jī)重量約為10 kg，采用的60AH 蓄電池可工作6 ～7 個(gè)月，該觀測(cè)裝置可存儲(chǔ)10 個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)（可在降雪時(shí)增加采集密集度），保證數(shù)據(jù)3 年的掉電保護(hù)。為了驗(yàn)證此機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)情況，進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)為期1 周的觀測(cè)裝置實(shí)測(cè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能，觀測(cè)精度達(dá)到1 cm。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于布設(shè)，可使觀測(cè)頻次和觀測(cè)準(zhǔn)確率明顯提高。

4 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)人工觀測(cè)積雪深度過(guò)程和觀測(cè)要求的分析，研究設(shè)計(jì)了一種光柵感應(yīng)積雪深度觀測(cè)裝置，試驗(yàn)證明，此樣機(jī)能夠很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，而且該觀測(cè)裝置還具有以下特點(diǎn)：（1）設(shè)備成本低廉。采用常規(guī)器件即可實(shí)現(xiàn)積雪深度的觀測(cè)。（2）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量輕，體積小，空間省，架設(shè)僅需0.1 m2，更加便于復(fù)雜地形的積雪觀測(cè)。 （3）采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)多機(jī)接力數(shù)據(jù)傳輸。