CN104713488A - 一种光学冰厚观测筒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学冰厚观测筒，属于自动监测技术领域，用于对河冰、湖冰和海冰的冰层厚度进行自动化监测。包括观测筒和与观测筒相连接的平衡浮筒，观测筒主体结构为空心柱状结构，分为上下两部分空间，在上部空间的一侧边壁上设有刻度尺，在与刻度尺相对的内侧边壁上设有一微型遥控相机，通过遥控相机摄像，无线传输图像，实现对冰层的生消发展进行自动化实时监测，方便快捷，降低了劳动强度，提高了监测效率。本发明结构及测量方法步骤简单，通过刻度尺直接读数，测量误差小，所测数据可靠。本发明不受所测水域的限制及周围环境温度变化的影响，具有很好的实用性和适用性。

Description

一种光学冰厚观测筒

技术领域

本发明涉及冰层厚度测量装置，属于自动监测技术领域，主要适用于水利和水文等技术领域，用于对河冰、湖冰和海冰的冰层厚度进行自动化监测。

背景技术

我国北方地区冬季严寒，江河湖泊、水库等封冻期漫长，在进行冰上作业、保证输水渠道冰期冰盖下输水安全以及防止冰凌危害等实践活动中，冰层厚度为十分重要的一个基本冰情参数，而目前在冰层厚度的实时自动化监测方面缺少快速准确且相对经济的技术方法和手段。当前的冰层厚度的测量方法主要包括：

(1)直接测量直接测量为最原始的冰雪厚度测量方法，具体实施过程为在某时刻于特定位置通过人工打孔或机械钻孔穿透冰层，再采用量冰尺测得冰厚或水浸冰厚。这种方法的优点在于简单可靠，但冰层较薄或较厚情形都不适用。冰层太薄作业人员到冰面钻孔测量存在安全风险，此时只能对靠岸冰厚进行测量。冰层太厚钻孔费时费力，要获得多位置、多时刻的较多冰厚数据需极大工作量。

(2)电阻电容方法电阻或电容式冰厚测量设备主要利用气、水、冰三者间相对介电常数存在差异的特点，实现气冰界面、水冰界面的自动识别，从而实现冰厚测量。在具体技术上，加工一支每隔1cm有一对电极的标尺。测量每对电极的电阻，依据电阻的变化判断界面的位置。

(3)电磁波、声波方法依靠发射的电磁波、声波等穿透冰层，用其返回到接收器时的时间换算出冰、雪的厚度，如仰视声呐、电磁波冰厚探测仪、雷达海冰厚度测量仪。穿透速度是关键指标，但由于冰、雪的性质受到其内部温度的控制，而自然界冰、雪的温度又随气温昼夜发生变化。因此，与冰性质有关的物理参数是在一定范围的变化值，这就造成实测方法有较大误差和误差因素的不确定性。

(4)超声波、激光方法依靠超声波和激光到达冰、雪界面时反射回来的时间，计算出距界面的距离，实测精度受到局部表面起伏的影响，厚度的变化需要在冰、雪层的表面和底面相对测试才能体现。

(5)界面接触识别测量方法通过在冰面上固定支架，在支架上配备下界面探头或是同时配备上下界面探头，从而实现界面识别，以达到测量冰厚的目的。探头的运动可以通过电机带动，也可以利用改变重力或水压力的大小进行驱动。上下界面接触式探测设备一般可以实现定点冰厚全时程的自动化监测，但造价较高。

综上所述，随着科学技术的进步，测量冰厚的装置越来越智能精确，但相比而言，各种测量方法仍然存在一定的缺陷。传统的直接测量法精度低，工作量大；目前已有的自动化监测方法中监测设备造价普遍较高，不利于大范围普及使用。因此寻求一种能够实时、快速、准确测量冰层厚度且经济的装置尤为重要。

发明内容

本发明的目的是旨在针对现有冰厚测量装置和方法中的不足，提出一种新型的冰厚测量装置。该装置能够有效地解决上述问题，实时监测冰厚的生消发展，操作简便，准确度高。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光学式冰厚观测筒，包括观测筒和与观测筒相连接的平衡浮筒，所述的观测筒筒壁为具有一定强度的透明材料构成，其主体结构为空心柱状结构，分为上下两部分空间，在上部空间的一侧边壁上设有刻度尺，在与刻度尺相对的内侧边壁上设有一微型遥控相机，在所述的观测筒下部有刻度尺一侧的外侧，设有一个水下照明灯。

进一步的，所述的观测筒主体结构的上下空间中，上部分空间大于下部分空间，所述的上部分空间用透明顶盖封顶，所述的下部分空间为装填砂石的配重箱。

进一步的，所述的平衡浮筒设有四个，其主体为正方体空心结构，在相邻平衡浮筒之间，以及平衡浮筒与观测筒之间，通过固定杆相连。

进一步的，所述的观测筒上部分空间的底端，放置干燥剂，观测筒的下部分空间靠上端的一侧设有砂石装填口。

进一步的，所述的四个平衡浮筒设于观测筒的四周，并设置在以观测筒为中心的正方形的四个顶点上。

进一步的，所述的水下照明灯为紫光灯。

本发明的有益效果是，能够对冰层的生消发展进行自动化实时监测，并通过无线传输，将冰盖厚度发展情况的图像即时传回移动终端，方便快捷，降低了劳动强度，提高了监测效率。本发明结构简单，易加工制作，成本较低，可重复使用。测量方法步骤简单，根据传回移动终端的图像中的刻度尺直接读数，测量误差小，所测数据可靠。本发明不受所测水域的限制及周围环境温度变化的影响，具有很好的实用性和适用性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明结构俯视示意图。

图中：1、透明顶盖  2、平衡浮筒  3、固定杆  4、微型遥控相机  5、刻度尺  6、有机玻璃壁  7、干燥剂  8、砂石装填口  9、水下照明灯  10、配重箱  11、冰盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

由图1和图2可知，本发明包括观测筒主体结构、透明顶盖1、固定杆3、平衡浮筒2、微型遥控相机4、刻度尺5、干燥剂7、砂石装填口8、水下照明灯9、装填砂石的配重箱十几部分。观测筒主体结构由透明有机玻璃加工制成，有机玻璃壁6需具备一定厚度(至少5mm)以保证具有一定抗压强度，避免在冰盖形成或发展过程中，观测筒因筒内空气遇冷同时承受冰压力而发生收缩变形甚至是破坏。观测筒主体为空心柱状结构，分为上下两部分空间，上部分空间较大，下部分空间较小。上部空间用透明顶盖1封顶，形成一个封闭空间，同时便于观察筒体内部情况。在上部空间的一侧有机玻璃壁6上，固定有量程为0～50cm的刻度尺5，用来量测冰盖11厚度。在与刻度尺5相对的内侧有机玻璃壁6上，固定有一微型遥控相机4，可以运用GPRS技术对相机进行远程操控，实时监测冰厚的生消发展。在上部空间的底端，放置适量干燥剂7，避免观测筒内水汽受冷形成水滴，凝聚在微型遥控相机4的摄像头上，影响摄像效果。观测筒的下部空间为配重箱10，靠上端的一侧留有砂石装填口8，内部装填适量砂石料，增加观测筒的重量，便于观测筒的沉放。在观测筒的四周，布置四个平衡浮筒2，从图2来看，以观测筒为中心画一个正方形，四个平衡浮筒2刚好位于正方形的四个顶点上。四个平衡浮筒2为正方体空心结构，相邻平衡浮筒2之间用固定杆3连接，观测筒通过横竖四条固定杆3再与平衡浮筒2之间的固定杆3相连，形成一个纵横交叉的稳定结构，确保观测筒保持竖直，提高测量准确性。在观测筒下部有刻度尺一侧的外侧，安装一个水下照明灯9，由于在可见光范围内，紫色光在连续介质(固体液体)的穿透能力最强，因此水下照明灯9选用紫光灯，方便对冰盖情况及刻度尺的观察。利用远程控制技术可以对水下照明灯9进行实时操控，节省能源。

本发明涉及的冰层厚度测量装置使用时，在水面结冰之前，将观测筒整体放置于需要进行冰厚观测的水域，四个平衡浮筒2将浮于水面，平衡浮筒2以下的部分浸没于水中，平衡浮筒2以上的部分位于水面以上。配重箱内的砂石保证观测筒可以部分潜入水下，四个平衡浮筒2与观测筒主体结构通过固定杆3相互连接，能够保持观测筒的竖直，维持整体结构的平衡。随着低气温持续作用，水面结冰后观测筒及平衡浮筒2也都会与冰层冻结在一起。利用远程控制技术，对水下照明灯和微型遥控相机进行操控，打开水下照明灯9，微型遥控相机4对刻度尺5上半部分进行连续拍摄，记录冰层的变化情况，通过GPRS技术传回移动终端，利用刻度尺快速读取实时冰厚。

本发明光学式冰厚观测筒的使用和工作过程如下：

1、在投放观测筒之前，通过砂石装填口8对配重箱10进行适当配重，保证观测筒放入水中时平衡浮筒2部分淹没。

2、在水面未结冰之前利用船舶或其他相关设备将观测筒投放于拟进行冰厚监测的水域，四个平衡浮筒2将浮于水面，平衡浮筒2以下的部分浸没于水中，平衡浮筒2以上的部分位于水面以上。平衡浮筒2的作用在于保持观测筒的竖直，维持整体结构的平衡。

3、在观测筒放置一段时间后，随着水面结冰，观测筒及平衡浮筒2会与冰层冻结在一起，平衡浮筒2的冻结使观测筒更加稳固，能够有效防止强风或水面波动引起的观测筒倾斜晃动。利用远程控制技术，对水下照明灯9和微型遥控相机4进行操控。打开水下照明灯9，紫色光提供一个清晰的水下观测及拍摄环境。通过遥控，在特定时间点，令微型遥控相机4对刻度尺5上半部分进行拍摄，并通过GPRS无线传输技术将图像传回移动终端。

4、对传输回终端的图像，可以依据图像中刻度尺5快速读取实时冰厚，也可以通过MATLAB对图像进行批量处理，根据图像灰度不同自动识别冰气界面与冰水界面，得到冰层厚度变化情况。

应当说明的是，上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光学式冰厚观测筒，其特征是：包括观测筒和与观测筒相连接的平衡浮筒，所述的观测筒筒壁为具有一定强度的透明材料构成，其主体结构为空心柱状结构，分为上下两部分空间，在上部空间的一侧边壁上设有刻度尺，在与刻度尺相对的内侧边壁上设有一微型遥控相机，在所述的观测筒下部有刻度尺一侧的外侧，设有一个水下照明灯。

2.根据权利要求1所述的光学式冰厚观测筒，其特征是：所述的观测筒主体结构的上下空间中，上部分空间大于下部分空间，所述的上部分空间用透明顶盖封顶，所述的下部分空间为装填砂石的配重箱。

3.根据权利要求1所述的光学式冰厚观测筒，其特征是：所述的平衡浮筒设有四个，其主体为正方体空心结构，在相邻平衡浮筒之间，以及平衡浮筒与观测筒之间，通过固定杆相连。

4.根据权利要求1或2所述的光学式冰厚观测筒，其特征是：所述的观测筒上部分空间的底端，放置干燥剂，观测筒的下部分空间靠上端的一侧设有砂石装填口。

5.根据权利要求3所述的光学式冰厚观测筒，其特征是：所述的四个平衡浮筒设于观测筒的四周，并设置在以观测筒为中心的正方形的四个顶点上。

6.根据权利要求1所述的光学式冰厚观测筒，其特征是：所述的水下照明灯为紫光灯。