本发明专利技术涉及一种便携式多点超声波雪深测量装置及方法，属于自动气象监测领域。该测量装置包括太阳能电池板、太阳能电池板调节电机、温度补偿模块、电机固定块、上端固定块、横臂拉杆、横臂连杆、超声波传感器、移动块、滚珠丝杠、光杆柱、联轴器、丝杠电机、控制及通讯单元、外套筒、底座、测雪板和光杆柱座。本发明专利技术通过四个超声波传感器发射、接收信号，对信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，通过通信单元传送给终端计算机，解决了现有技术存在的超声波雪深测量仪的单点式测量产生的误差大、精度低；超声波回波信号采用分数阶累积量理论进行噪声抑制和目标信号的提取，具有优良的时延测量精度。具有优良的时延测量精度。具有优良的时延测量精度。
【技术实现步骤摘要】
便携式多点超声波雪深测量装置及方法
[0001]本专利技术属于自动气象监测领域，具体涉及一种便捷式多点超声波雪深测量装置及方法。
技术介绍
[0002]大范围降雪造成牧民无法进行正常放牧活动，导致牲畜因冻、饿而出现死亡现象，在非牧区大范围的降雪，积雪，会严重影响或破坏高铁、铁路、高速公路、机场等交通运输网的正常运行，对人民的生产、生活带来了极大的隐患。由此可见，对积雪深度进行实时高精度监测具有重要意义。
[0003]目前主要有两种积雪测量方法：人工测量和物理探测。其中人工现场测量采用量雪尺或普通米尺垂直插入雪中，读取雪深刻度。存在实时性差、人为随机因素误差大、费时费力等缺陷，不能全面、连续反映积雪变化的过程，更为重要的是难以实时地汇总各地的降雪数据，便于人们的观测。物理探测方法最为常用的是超声波法和激光法。激光法存在激光点位置不同而数据不一样的误差缺陷，而且制作难度比较大、成本较高。
[0004]利用超声波遇到积雪表面之后会发生反射现象，探头发生器将信号发射给雪面，通过测量接收器接收到积雪表面反射脉冲信号的时间来计算积雪深度。超声波检测技术应用于气象探测具有抗干扰能力强、精度高的优点，能够在户外作业，不受光线、电磁波等环境干扰，并且建造成本和系统复杂度低，便于维护，信号数据获取方便，成为现行气象行业大力推广和研究的积雪测量方案。
[0005]目前，国内外超声波雪深测量仪器均为固定位置测量装置，通过支架和底座固定在户外测量区域，超声波传感器模块安装在支架横臂固定位置，实现固定区域的积雪深度测量。但是大多数的超声波雪深测量仪成本高昂、只能实现单点测量。在实际情况中，由于自然因素的影响，积雪表面可能是高低不平的，单点测量不能有效的测量积雪深度的真实值，测量结果的精准性低。而且室外环境相对恶劣，长时间放置会有机械磨损和腐蚀，需要工作人员经常维护，尤其是不能适用于环境复杂领域的雪深测量。在传统的对于雪深测量的研究中，大部分测量精度都是通过改进硬件电路来提高的，但随着空间电磁环境的复杂性日益增加，测量环境中存在大量的噪声干扰，空气中存在大量的Alpha稳定分布噪声，尤其是在超声波回波信号中包含超声波遇落雪反射回来的Alpha稳定分布噪声时，传统超声波雪深探测装置的雪深测量的精准度会严重下降。因此设计一种可以有效抑制Alpha噪声并实现超声波传感器伸缩及多点测量的安装伸缩支架，能够在一定程度上提升测量的精度。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种便携式多点超声波雪深测量装置及方法，以解决现有技术存在的超声波雪深测量仪器成本较高、单点式测量产生的误差大、精度低、机械磨损和腐蚀问题。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：包括上端固定块、3个横臂拉杆、横臂连杆、3个超声波
传感器、移动块、滚珠丝杠、光杆柱、联轴器、丝杠电机、外套筒、底座、测雪板和光杆柱座，其中测雪板水平固定在地面上，底座固定在测雪板上，外套筒下部安装在底座中、上部与光杆柱座固定连接，光杆柱下端与光杆柱座固定连接、上端与上端固定块固定连接，丝杠电机安装在外套筒中，滚珠丝杠与丝杠电机采用联轴器连接，滚珠丝杠上端与上端固定块转动连接，移动块与滚珠丝杠螺纹连接，横臂连杆下端与移动块转动连接、上端与横臂拉杆中部转动连接，横臂拉杆的后端与移动块转动连接、前端下部固定连接超声波传感器。
[0008]本专利技术所述上端固定块的上表面与电机固定块固定连接，太阳能电池板调节电机、温度补偿模块分别安装在电机固定块上，太阳能电池板调节电机通过电机轴与太阳能电池板固定连接。
[0009]本专利技术所述外套筒外部与控制及通讯单元固定连接。
[0010]一种采用便携式多点超声波雪深测量装置的测量方法，包括下列步骤：
[0011]步骤一、将该测量装置上电后，控制及通讯单元控制各模块初始化；
[0012]步骤二、温度补偿模块读取当前室外温度值，结合超声波在空气中的传播速度与温度的关系来修正超声波传播速度，尽可能的减小积雪深度的测量误差，提高雪深h测量的精准度；
[0013]步骤三、驱动超声波传感器发射超声波，超声波在空气中传播，接收遇到积雪表面反射回来的回波信号，采用声波回波信号模型与分数阶累积量时延估计算法相结合对时间延迟T进行计算，实现对接收信号数字量的时延估计，
[0014]步骤四、对测量区域的雪深h测量结果进行计算：
[0015][0016]式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，将计算结果传递给微处理器模块并保存；
[0017]步骤五、对得到的三组数据求取平均值，获得测量区域的雪深测量结果，将采集的室外温度值和得到的积雪深度值通过控制及通讯单元中的Zigbee无线传输单元或串行通信单元传送到终端计算机或自动气象站满足实时监测的需求；
[0018]步骤六、结束测量。
[0019]本专利技术所述步骤二中，超声波在空气中的传播速度v与温度的关系表达式如下所示:
[0020]V＝331.4(Ta/273.15)
[0021]Ta＝273.15+t
[0022]式中，Ta表示华氏温度，t表示摄氏温度。
[0023]本专利技术所述步骤三中，具体方法如下：
[0024](1)超声波回波信号的高斯模型可表示为：
[0025][0026]θ＝[aτf
c
φβ][0027]式中：a表示带宽因子，τ表示延迟时间，f
c
表示中心频率，φ表示相位，β表示幅度系数，θ表示[aτf
c
φβ]的参数合集，t表示信号时间，S(θ,t)表示超声波回波信号高斯模型
的幅度；
[0028]根据超声回波信号的高斯模型，超声波传感器发射信号x(t)，接收信号y(t)可以表示为:
[0029]x(t)＝s(t)
[0030]y(t)＝s(t
‑
T)+m(t)+n(t)
[0031]其中：
[0032][0033][0034]m(t)＝A*cos(2πf
m
t)
[0035]式中:s(t)为驱动信号，m(t)为与驱动信号频率不同的周期性干扰，是气象仪器测试站中其他测量仪器对超声波雪深测量系统产生的干扰，A和f
m
分别为周期性干扰信号的幅值和频率，n(t)为符合Alpha稳定分布的噪声，T为时间延迟；
[0036](2)基于分数阶累积量的声波信号时延估计方法
[0037]根据分数阶累积量的函数定义，超声波发射信号x(t)，接收信号y(t)的分数阶累积量的函数表达式可以写为：
[0038]C(τ)＝cum{x
*
(t),y(t+τ)}
[0039]＝cum{x
*
(t),x(t
‑
T)+m(t)+n(t)}
[0040]由于x(t),m(t),n(t)三者相互独本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种便携式多点超声波雪深测量装置，其特征在于：包括上端固定块、3个横臂拉杆、横臂连杆、3个超声波传感器、移动块、滚珠丝杠、光杆柱、联轴器、丝杠电机、外套筒、底座、测雪板和光杆柱座，其中测雪板水平固定在地面上，底座固定在测雪板上，外套筒下部安装在底座中、上部与光杆柱座固定连接，光杆柱下端与光杆柱座固定连接、上端与上端固定块固定连接，丝杠电机安装在外套筒中，滚珠丝杠与丝杠电机采用联轴器连接，滚珠丝杠上端与上端固定块转动连接，移动块与滚珠丝杠螺纹连接，横臂连杆下端与移动块转动连接、上端与横臂拉杆中部转动连接，横臂拉杆的后端与移动块转动连接、前端下部固定连接超声波传感器。2.根据权利要求1所述的便携式多点超声波雪深测量装置，其特征在于：所述上端固定块的上表面与电机固定块固定连接，太阳能电池板调节电机、温度补偿模块分别安装在电机固定块上，太阳能电池板调节电机通过电机轴与太阳能电池板固定连接。3.根据权利要求1所述的便携式多点超声波雪深测量装置，其特征在于：所述外套筒外部与控制及通讯单元固定连接。4.采用如权利要求1～3任一项所述的便携式多点超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一、将该测量装置上电后，控制及通讯单元控制各模块初始化；步骤二、温度补偿模块读取当前室外温度值，结合超声波在空气中的传播速度与温度的关系来修正超声波传播速度，尽可能的减小积雪深度的测量误差，提高雪深h测量的精准度；步骤三、驱动超声波传感器发射超声波，超声波在空气中传播，接收遇到积雪表面反射回来的回波信号，采用声波回波信号模型与分数阶累积量时延估计算法相结合对时间延迟T进行计算，实现对接收信号数字量的时延估计，步骤四、对测量区域的雪深h测量结果进行计算：式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，将计算结果传递给微处理器模块并保存；步骤五、对得到的三组数据求取平均值，获得测量区域的雪深测量结果，将采集的室外温度值和得到的积雪深度值通过控制及通讯单元中的Zigbee无线传输单元或串行通信单元传送到终端计算机或自动气象站满足实时监测的需求；步骤六、结束测量。5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：石屹然，李会敏，臧聚，童玉龙，金旭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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