CN103134737A - 冰川冰雪密度的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对冰川的冰雪密度进行测量的方法与装置。本发明提供一种可克服现有技术不足，用于测量冰川内的冰雪密度的方法及这种方法所使用的装置，实现冰川冰雪密度观测的数字化、自动化和网络化。本发明的测量方法是在冰川的观测点上相距确定距离处向下打出两个钻孔，在各钻孔内放置可沿孔轴向运动的放射源和超声信号源使放射源或超声信号源与接收装置在两个钻孔中同步运动，利用接收装置将通过两个钻孔间的冰雪层传递过来的射线信号或超声信号转换成电信号，根据前述的电信号计算出在确定深度的信号衰减值，然后根据建立的计算公式即可得出冰川在相应高度处的冰雪密度值。

Description

冰川冰雪密度的测量方法及装置

技术领域

 本发明涉及一种用于对冰川的冰雪密度进行测量的方法与装置。

背景技术

世界上对于冰川内冰雪密度进行测量目前较常用方法有称重和融化雪水量测体积两种。一种是测量雪的质量，另一种是测量雪水的体积。现有的这些冰川内冰雪密度测量方法均需要在测量现场实地实施。并且测量数据不够精确，不够广泛。数据无法实现远程传输，数据处理不能实现自动化，参见地理学报1991年第03期《乌鲁木齐河源雪密度观测研究》。

发明内容

本发明提供一种可克服现有技术不足，用于测量冰川内的冰雪密度的方法及这种方法所使用的装置。

本发明的一种冰川冰雪密度的测量方法是在冰川的观测点上相距确定距离处向下打出两个钻孔，其中一个钻孔内放置可沿孔轴向运动的放射源或超声信号源；在另一个钻孔内放置可沿孔轴向运动的用于接收到放射源或超声信号源发出的信号的接收装置，使放射源或超声信号源与接收装置在两个钻孔中同步运动，利用接收装置将通过两个钻孔间的冰雪层传递过来的射线信号或超声信号转换成电信号，根据前述的电信号计算出在确定深度的信号衰减值，即可得出冰川在相应高度处的冰雪密度值。

本发明优选的冰川冰雪密度的测量方法中还可在需要进行测量的冰川上设置多个冰川冰雪密度观测点，将其中一个冰川冰雪密度观测装置作为基站，将多个冰川冰雪密度观测点的观测信息通过有线或无线方式汇聚到基站，再通过无线或有线方式传输到远程数据中心进行存贮、处理和分析。

本发明的冰川冰雪密度的测量方法所使用的装置由两个PVC管及设置于PVC管内的器件和设置于PVC管外的器件构成，在每个PVC管的下端各固定一个定滑轮，顶端各安装一个电机驱动的绞盘，在绞盘上分别固定两个等直径的卷筒，在每个卷筒上分别固定一根软索，软索的中段绕过PVC管下端设置的定滑轮上，在一个PVC管内的软索上固定放射源或超声信号源，在另一个PVC管内的软索上固定放射源或超声信号源的接收装置，接收装置与设置于两个PVC管外的脉冲放大、甄别、整形电路连接，脉冲放大、甄别、整形电路与数据处理电路连接，获得测量信息，装置中还设置有用于控制驱动绞盘的电机的电路，和给设备供电的太阳能供电装置。

本发明的冰川冰雪密度的测量方法所用的装置的另一种结构是由两个PVC管及设置于PVC管内的器件和设置于PVC管外的器件构成，每个PVC管内中分别设置一个用电机驱动的丝杠，在每个丝杠上分别设置一个与丝杠相配合并可在丝杠转动作用下沿丝杠的上下运动的螺母，在其中的一个螺母上固定放射源或超声信号源，在另一个螺母上固定放射源或超声信号源的接收装置，所述的接收装置与与设置于两个PVC管外的脉冲放大、甄别、整形电路连接，脉冲放大、甄别、整形电路与数据处理电路连接，获得测量信息，装置中还设置有用于控制驱动丝杠转动的电机的电路和给设备供电的太阳能供电装置。

本发明的上述装置的一个实施例中，所用的放射源为伽马射线源，而接收装置为闪烁探测器。

本发明的装置中，所述的数据处理电路和用于控制驱动电机的控制电路由单片机和单片机的外围电路构成。

更为具体的，本发明的装置中所用的单片机内部振荡电路集成与外围电路、PCF8563实时时钟芯片构成时钟电路模块，实现定时、时钟输出以及产生中断的功能；单片机接收通过闪烁探测器模块将放射线转换成的脉冲，并联合时钟模块进行计数；由单片机与SD卡芯片构成了存储模块，完成了单片机数据存储的功能；步进电机以及相关外围电路与单片机相连，实现单片机控制步进电机按照设计要求运行。

而且，本发明的装置中还可以设置有能源管理模块，用于管理装置的能源消耗和将太阳能转换成蓄电池的电能，为装置提供电能；装置中还设置有定时管理模块，用于定时开启装置观测，定时与其他装置进行时间同步，使观测装置在不观测时处于休眠状态。

另外，本发明的装置中还可以设置有无线组网模块、无线发送模块，单片机通过指令读取SD卡存储模块中的数据进行缓存，而后通过指令将数据利用无线发送模块发送给远程数据服务器。

本发明的装置是通过检测射线源发出的γ射线在冰雪层中产生衰减实现对冰川中冰层以与雪层密度的检测。众所周知，γ射线穿过待测物后衰减都遵循一定的指数规律。透射射线的脉冲计数率和冰川密度之间存在的指数关系如下：

（1）

式中：I为透射光计数率；I0 为射线入射光计数率；x为冰川的横向厚度（m）；ρ为冰川的密度（g/m3）；μ为质量吸收系数（m2/g）。

当冰川横向厚度确定以后（固定为0.3m），利用透射光计数率即可计算出冰川的密度值。用标准液体水可以推算出冰川密度的计算公式，推导如下：

（2）

（3）

（2）、（3）两式两边同时取自然对数，然后将（2）式带入（3）式求解可得：

（4）

式中：ρw为水的密度(g/m3)；Iw为水的透射计数率； Ig为冰川透射计数率；ρg为冰川密度(g/m3)。

根据以上原理，利用闪烁探测器以及光电倍增管可将射线转换成可分析的电脉冲，并利用这一电脉冲可以得到相应位置的冰雪密度。

本发明方法的基本原理可参见附图1，即根据伽马射线在不同密度的物体中产生不同的衰减的基本原理，利用标准γ射线源发射出的伽马射线束，穿过确定厚度的冰雪，透射的γ射线束进入闪烁探测器，闪烁探测器将γ射线转换并输出一系列的电流信号，电流信号经过脉冲放大、整形、甄别电路得到规则的电压脉冲信号；再利用单片机的定时器对电压脉冲计数、处理和存储，然后经过对这些数据的实时读取和处理就可以得到冰川的密度值。

本发明的装置在冰川测量点的设置方式参见附图2，其具体的做法是在测量点上确定两个距离确定的位置，然后从这两个位置向冰层下方各开设一个钻孔，所开设的钻孔最好是垂直向下的，两个钻孔开设好后在各孔内置入本发明装置中的PVC管。

本发明的测量装置在进行测量时，用驱动电机带动装置中的两个绞盘转动，带动绞盘上固定的软索沿PVC管上下运动，同时带动软索上分别固定的γ射线源或闪烁探测器同步运动。由γ射线源发出的射线经两钻孔间冰川的作用后被闪烁探测器接收，并通过解析出信号衰减值得到冰川密度的数据。

本发明利用时钟芯片的定时中断功能，可以实现每天系统自动测试的效果。也可以通过手动发送命令实现一天多次测量。对这些所测得的信息经过脉冲放大，甄别，整形电路得到规则的脉冲信号，进入单片机进行处理，得到的数据均按时间存储于SD卡，定时或者按照命令发送给上位机进行最后的计算即可得到密度值。整个过程都在步进电机的带动下进行。利用时钟芯片的定时中断功能，可以实现每天系统自动测试的效果。也可以通过手动发送命令实现一天多次测量。

本发明利用zigbee无线发送模块，将SD卡中存储的数据远距离发送出去，发送发式有：定时发送，实时发送以及根据指令发送三种方式。

本发明还有以下优点：

1. 完全替代了传统的人工测量方式，节省了大量的人力物力，可实现远距离的测量。

2. 测量密度的数据存储量大，得到的密度值精确。

3．测量方式实现了数字化、自动化和网络化。

附图说明    

附图1为本发明的原理框图。

附图2为本发明的一个实施例的装置示意图。

附图3为本发明的装置设置剖面示意图。

附图4为本发明的一个实施例的外部时钟电路图。

附图5为本发明中一个实施例中的SD卡存储电路。

附图6为本发明的一个具体实施例的光电倍增管脉冲放大，甄别，整形电路的示意图。

附图7为本发明的主要模块电路示意图。

在上述图中： 1：为埋置于冰川的冰雪内的其内放置有γ放射源8的PVC管A管；2:  埋置于冰川的冰雪竖井内的其内放置有闪烁探测器10的PVC管B管；3：铰盘轴；4：电路板以及相关线路设置，其表层是太阳能蓄电板；5：用于驱动铰盘旋转的步进电机；6：设置于铰盘轴上的其上固定有钢丝的卷筒；7；为无线信号发射天线；8：γ射线源装置；9：钢丝；10：用以接受放射线的闪烁探测装置；11：位于雪层上的空气；12：位于冰层上的雪层；13：冰层。

具体实施方式

以下结合本发明的一个实施例解说。

首先在冰川的一个测量点处确定出两个相距30cm的位置，再在这两个位置处向冰川下方用蒸汽钻开两个钻孔，直径略大于7.5cm，然后再在这两个钻孔内分别置入一根外径为75cm、内径为70cm的PVC管，PVC管的下端应当位于冰川表面以下3m，具体的深度可根据测量要求确定，两个PVC管底内各固定一个定滑轮，在冰川表面上方PVC管顶部设置一个用同一个步进电机驱动的绞盘轴3，在绞盘轴上位于两个PVC管中心位置处分别固定两个相等直径的卷筒6，并在每个卷筒上分别固定一根软索。本发明的实施例中所用的软索为钢丝，钢丝的中段绕过PVC管下端设置的定滑轮上，这样当卷筒转动时钢丝绳可无障碍地上下运动。在一根钢丝绳的适当位置分别固定6号标准的镭226 88 Raγ射线源，在另一个钢丝绳的相应位置上固定闪烁探测器。通过调整使γ射线源和闪烁探测器位于同一高度。同时设置单片机电路板以及相关线路，以及太阳能蓄电板，天线等设施，参见附图2。本发明的装置在冰川上具体的设置方式参见附图3。

本发明的绞盘驱动电机控制电路及测量信号处理电路见图7所示。图中包含了本发明中涉及到的相关的主要模块电路，分别为单片机的电路图、SD卡存储模块的电路、PCF8563时钟电路、无线发送模块电路和电机驱动电路。其中单片机电路为本发明的核心电路， SD卡存储芯片模块的电路由单片机控制，用来接收单片机无法存储的大量的测量数据以及时间；PCF8563时钟电路与单片机内部集成电路结合用以控制整个发明中的时钟以及中断。单片机电路通过输出一定频率的脉冲控制电机驱动电路，驱动42BY48HJ30减速步进电机按照一定的速度运转。无线发送模块电路连接单片机电路将所测数据发送到冰面上的基站上，并通过无线网络发送到远程数据中心。

外部时钟电路如附图4所示，本发明利用单片机芯片内部集成的振荡电路，与外部时钟电路相接。在单片机的外部引脚XTAL1、XTAL2上外接外部时钟电路的晶体和电容，和内部振荡电路形成并联谐振回路，上电后，电路便可以产生自激振荡并产生震荡时钟脉冲。

本发明的实施例中其SD存储电路见附图5，为SD在通讯协议SPI模式下的存储电路，本实施例中所用的存储芯片为Panasonic 2GB SD卡存储芯片，图中4个数据口全部接1k的上拉电阻，模块供电有AMS1117-3.3V稳压模块提供。

本发明的实施例中其光电倍增管脉冲放大、甄别、整形电路如附图6所示。由于光电倍增管阳极输出是非常微弱的电流信号，而且输出的信号噪声一般较大，因此把电流信号转化为电压信号。由于光电倍增管的输出阻抗很高，故使用了跟随器对微弱的电压信号进行隔离。三极管的基极加了一个开关二极管可以避免从光电倍增管泄漏的高压，避免了脉冲处理电路的损坏。经过隔离的信号连接到比较器。通过设定比较器同相和反相端的压差，可鉴别出有用的脉冲，从而达到抑制干扰的作用。最后则利用两级反向器完成了脉冲整形。

光电倍增管如附图6所示，输入负极性的脉冲到跟随器，其目的是提高输入阻抗。跟随器的发射极输出脉冲加到中间的比较器上，调整输入端的比较起始电平，产生负脉冲触发。负脉冲触发通过正极接入后面的放大器部分，使得输出脉冲为正极性脉冲。正极性脉冲最后通过两个非门达到整形脉冲的目的。 通过光电倍增管电路之后所得方波脉冲为经过放大、甄别、整形的脉冲。

经过处理之后所得的方波脉冲，单片机以及时钟模块，SD卡存储模块和无线传输模块将会对它进行计数，所得数据进行存储，而后根据指令远距离传输数据。

Claims (10)

1.一种冰川冰雪密度的测量方法，其特征在于在冰川的观测点上相距确定距离处向下打出两个钻孔，其中一个钻孔内放置可沿孔轴向运动的放射源或超声信号源；在另一个钻孔内放置可沿孔轴向运动的用于接收到放射源或超声信号源发出的信号的接收装置，使放射源或超声信号源与接收装置在两个钻孔中同步运动，利用接收装置将通过两个钻孔间的冰雪层传递过来的射线信号或超声信号转换成电信号，根据前述的电信号计算出在确定深度的信号衰减值，然后根据建立的计算公式即可得出冰川在相应深度处的冰雪密度值。

2.根据权利要求1所述的冰川冰雪密度的测量方法，其特征在于在需要进行测量的冰川上设置多个冰川冰雪密度观测点，将其中一个冰川冰雪密度观测装置作为基站，将多个冰川冰雪密度观测点的观测信息通过有线或无线方式汇聚到基站，再通过无线或有线方式传输到远程数据中心进行存贮、处理和分析。

3.权利要求1所述的冰川冰雪密度的测量方法使用的装置，其特征在于所述的装置由两个PVC管及设置于PVC管内的器件和设置于PVC管外的器件构成，在每个PVC管的下端各固定一个定滑轮，顶端各安装一个用电机驱动的绞盘，在绞盘上分别固定两个等直径的卷筒，在每个卷筒上分别固定一根软索，软索的中段绕过PVC管下端设置的定滑轮上，在一个PVC管内的软索上固定放射源或超声信号源，在另一个PVC管内的软索上固定放射源或超声信号源的接收装置，接收装置与设置于两个PVC管外的脉冲放大、甄别、整形电路连接，脉冲放大、甄别、整形电路与数据处理电路连接，获得测量信息，装置中还设置有用于控制驱动绞盘的电机的电路，和给设备供电的太阳能供电装置。

4.根据权利要求3所述的冰川冰雪密度的测量方法使用的装置，其特征在于在一个PVC管内的软索上固定伽马射线源，在另一个PVC管内的软索上固定闪烁探测器。

5.权利要求1所述的冰川冰雪密度的测量方法所用的装置，其特征在于所述的装置由两个PVC管及设置于PVC管内的器件和设置于PVC管外的器件构成，每个PVC管内中分别设置一个用电机驱动的丝杠，在每个丝杠上分别设置一个与丝杠相配合并可在丝杠转动作用下沿丝杠的上下运动的螺母，在其中的一个螺母上固定放射源或超声信号源，在另一个螺母上固定放射源或超声信号源的接收装置，所述的接收装置与与设置于两个PVC管外的脉冲放大、甄别、整形电路连接，脉冲放大、甄别、整形电路与数据处理电路连接，获得测量信息，装置中还设置有用于控制驱动丝杠转动的电机的电路和给设备供电的太阳能供电装置。

6.根据权利要求5所述的冰川冰雪密度的测量方法使用的装置，其特征在于在一个PVC管内的螺母上固定伽马射线源，在另一个PVC管内的螺母上固定闪烁探测器。

7.根据权利要求3至6所述的任一装置，其特征在于所述的数据处理电路和用于控制驱动电机的控制电路由单片机和单片机的外围电路构成。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于单片机内部振荡电路集成与外围电路、PCF8563实时时钟芯片构成时钟电路模块，实现定时、时钟输出以及产生中断的功能；单片机接收通过闪烁探测器模块将放射线转换成的脉冲，并联合时钟模块进行计数；由单片机与SD卡芯片构成了存储模块，完成了单片机数据存储的功能；步进电机以及相关外围电路与单片机相连，实现单片机控制步进电机按照设计要求运行。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于装置中还设置有能源管理模块，用于管理装置的能源消耗和将太阳能转换成蓄电池的电能，为装置提供电能；装置中还设置有定时管理模块，用于定时开启装置观测，定时与其他装置进行时间同步，使观测装置在不观测时处于休眠状态。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于装置中还设置有无线组网模块、无线发送模块，单片机通过指令读取SD卡存储模块中的数据进行缓存，而后通过指令将数据利用无线发送模块发送给远程数据服务器。

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