浅谈自动雪深仪结构原理及维护应用

摘  要：介绍雪深观测仪的结构与原理，阐明其应用范围及意义，讲述仪器维护与现场校准工作，指出雪深仪不仅减少台站观测人员的工作量，还进一步提高观测质量和观测效率，为防灾减灾及“三农”气象服务等工作提供更多有价值的气象信息和观测产品。

关键词：雪深仪;结构原理;维护;应用

雪深（积雪深度）观测是地面气象观测的主要项目之一，利用以超声波测距或激光测距为原理的观测设备开展雪深实时自动观测，不仅适合在各种苛刻环境的条件下进行雪深测量，还具有高可靠性、高准确性、易使用、易维护等特点，能够有效提高雪深观测的时效性和准确性，为农业生产、水资源调配、交通运输、气象监测等提供重要的基础资料。

1结构及原理

1.1结构

雪深仪主要由测距探头、处理控制单元和安装支架等3个部分组成。

1.1.1测距探头

目前国内气象部门使用的雪深仪所采用的测距原理为超声波测距或激光测距。

⑴超声波测距

超声波测距探头由1个收发超声波的探头和1个用于波速订正的温度传感器组成。

⑵激光测距

激光测距探头由1个激光收发器和1个低温加热模块组成。

1.1.2处理控制单元

处理控制单元负责对测距探头的激发控制、计算测量波速发送和接收的时差（或相位差），并对采样样本进行数据质量控制、数据运算处理、记录存储和传输。

1.1.3安装支架

安装支架用于固定测距探头，包括设备支撑杆、探头安装连接件、预埋件定位板和预埋件等。支架高度可调，能满足探头在指定高度范围内进行测量。

1.1.4附件

在雪深仪停用期间，须使用防护罩保护测距探头。防护罩具有防水、防尘、透气等特点。

在雪深仪现场校准过程中，须使用经计量检定的校准模块。校准模块使用铝合金材质制作，经氧化处理，表面平整光滑，不易磨损和变形。模块分为5cm和20cm高度两种规格，各2块。

1.2测距原理

测距探头是雪深仪的关键组成部分，是利用发射的波束（光波、声波或电磁波）遇到障碍物反射回来的特性进行距离差测量。目前国内气象部门使用的雪深仪采用超声波测距探头或激光测距探头。

1.2.1声波测距探头

超声波探头由一个超声波激发电路、机械波发生器和一个超声波接收电路组成，实现电信号到超声波能量的转换，同时可以接收超声波在目标物上的反射回波，并转换成电信号。采用时差法可计算出探头到目标的距离，由于超声波受周围环境影响较大，所以必须通过温度补偿、数字滤波等技术提高测量准确性达毫米级。超声波探头安装须保持水平，测量波束角为22°～30°，距离盲区约为50cm。

1.2.2激光测距探头

激光探头由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成，采用相位法测距，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返測线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。激光探头倾斜安装在支撑杆上，倾斜角10°～30°，距离盲区约为10cm。

2观测记录

雪深仪每6秒扫描一次雪面高度，采样一个当前高度值，每分钟得到10 个采样值（采样瞬时值）。传感器在对每分钟内的采样值进行质量控制后，对通过质量控制的采样值求平均，输出当前分钟高度值，根据初始高度值和当前高度值计算得到积雪深度值，并对积雪深度值进行质量标示，计算出每分钟的积雪深度值（瞬时值）。

（1）雪深观测记录，以厘米（cm）为单位，四舍五入，取整数;平均雪深不足0.5cm记0;

（2）雪深仪接入现行自动气象站时使用数字量输出，以正点前5分钟雪深观测平均值作为小时正点观测结果。观测数据的数据格式应符合《地面气象要素数据文件格式》的要求。

3维护与现场校准

3.1维护方法

按时巡视、检查和维护设备。

①每日对采集器工作状态进行检查。

②每日检查通信情况。

③长时间不使用观测仪时，需切断交流电源，断开蓄电池连接，套上防护罩。

④激光雪深传感器的激光等级为 2 级，长时间直视会对眼睛造成伤害。

⑤传感器工作时，发射到测量面上的红点也不应长时间直视，以免引起可能对眼睛造成的损伤。

⑥在容易产生蛛网、污染等的场合，则需要对传感器的波束通路进行清洁。

⑦清洁传感器时，应使用超细纤维布（如擦眼镜布、麂皮），以及中性清洁剂（如水）。

3.2现场校准方法

雪深仪现场校准方法如下：

①检查仪器线路连接，确保仪器的工作状态正常。

②调试，确认超声波探头安装水平、基准面水平、测量路径无遮挡;获得激光探头安装倾角，确认基准面高度。

③使用校准模块模拟5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm高度积雪深度，用传感器分别测量这6种高度，每种高度重复进行3次测量，测量结果应当在允许误差范围内。

其中：对于激光测距探头，应将校准模块置于激光探头的激光测量光点处;对于超声波传感器，应将校准模块置于探头的正下方。

④超声波传感器的温度传感器应按照技术要求，定期检定。

若现场校准结果超出最大允许误差范围，应首先再次检查确认雪深仪探头安装、基准面水平、测量路径无遮挡等无误。

4 结束语

雪深观测仪既可以作为单独的传感器挂接在自动气象站上也可以作为观测仪独立使用，其广泛应用不仅减少观测人员的工作量，还进一步提高观测质量和观测效率，为防灾减灾及“三农”气象服务提供更多有价值的气象信息和观测产品。

参考文献

[1]  张斌、俞卫平、宋树礼，等.气象仪器和观测方法指南（第六版）. 北京：气象出版社，1996：106-107.

[2]  俞卫平、周诗健、王伟，等.地面气象观测规范（2003年）. 北京：气象出版社，2003：61.

[3]  王柏林、关彦华、冯冬霞，等. 雪深自动观测规范. 北京：气象出版社，2012：3-6.

作者简介：李继辉（1975年10月─），大专学历，工程师，主要研究方向：农业气象。