CN112729202A - 一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法技术领域 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，该方法使用多种手段，检测与验证测试对象的基本性能并确定精度、仪器校准存在的问题，测量已知风向、风速影响的测量偏差以及确定测量偏差是否在制造商提供的功能规格需求书范围内，确认被测雪深传感器运行期间受环境温度变化的影响是否满足功能规格需求书要求。

Description

一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法技术领域

技术领域

本发明涉及气象领域，具体为一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法。

背景技术

固态降水是自动传感器观测和测量较为复杂的参数之一。降水量测量一直是许多研究工作的主要内容，但关于描述自动传感器精确测量固态降水的技术，可靠性的程序和性能标准方面的信息还是有限的。

最近，使用积雪深度自动测量仪器测量降水数据的台站逐步增加，并且出现在许多新的应用中。此外，现代数据处理能力，数据管理和数据同化技术为更好的评估和错误分析提供了手段。在过去的几年里，在不同的地方部署和测试了各种自动雪深测量系统或仪表，以利用它们的效率和更加客观的测量结果。

超声波雪深传感器测量超声波脉冲的发送和接收之间的时间间隔。此测量用于确定传感器与被测表面之间的距离。声学雪深测量技术的性能取决于空气温度，超声传感器需要对空气中的声音速度变化进行校正，声波测距仪的测量不确定度为距离的0.5-1％，在典型条件下会导致雪深测量不确定度在1cm左右。

雪深测量的激光传感器是几年前才引进的，目前已经在各个地方进行了测试和使用。激光雪深传感器利用光电测距原理测量传感器与雪表面之间的距离。目前大部分的激光雪深传感器都采用单激光测距仪，这就导致了这种类型的雪深传感器的一个重要缺陷，即缺乏空间代表性。为了解决这个问题，已经进行了一些试验和多头产品测试，包括一个固定的3头传感器和扫描激光雪深传感器，它可以沿圆形路径扫描多个点。除了激光测距传感器外，还有其他光学技术能够测量地面和雪深的状态。尽管有一些缺点和难度，自动积雪测量技术提供了更加客观的结果，可以提供连续和实时数据。

市面上生产的雪深传感器可能存在一些不合格的产品，建立台站时需要先对传感器进行性能检验，因此，提出有一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，也可以适用传感器使用年限过长，定期检验，及时排查一些不合格的传感器对测量结果准确性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，适用于以下类型的自动雪深传感器，它采用不同的测距技术，通过传感器测量从雪表面到传感器的距离：

a)超声波型，也称为声波测距深度传感器；

b)包括单点和多点的激光雪深传感器；

c)其他雪深传感器。

这种方法主要包括两个主要测试：实验室测试和外场测试。实验室测试包括基本性能测试和各种环境变化下的测试。为了保证雪传感器在实际中的性能，提出了现场试验。在外场试验中，按照到本标准方案中规定的步骤，需考虑自然地面和人造目标表面如雪板。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，其特征在于，所述观测检验方法包括基本功能测试，风洞测试，温试验箱测试，所述基本性能测试目的是验证测试对象的基本性能并确定精度、仪器校准存在的问题，所述风洞测试主要是测量已知风向、风速影响的测量偏差以及确定测量偏差是否在制造商提供的功能规格需求书范围内，所述温试验箱测试目的主要为了确认被测雪深传感器运行期间受环境温度变化的影响是否满足功能规格需求书要求。

优选的，所述基本功能测试包含以下步骤：1.从制造厂商获得雪深测量的性能规格；2.将传感器放在最远的位置，并将传感器配置在地平面位置(0mm)；3.将传感器或者目标表面移动到指定位置，进行一轮测试，并记录结果，其中包括规范中指定的最大位置；4.将测量读数与度量标尺进行比较(标尺或数字标尺)，确定变化或偏移是否超过制定的精度范围，确定传感器是否能够在最大距离处进行测量，确定传感器是否能够测量指定的分辨率。

优选的，所述风洞测试包括以下步骤：1.将风洞速度设置为最大允许风速，并定位测试设置，以便于风从传感器顶部吹来；2.读取雪深观测传感器测量值，是否功能规格需求书准确度要求；3.按照1-2的步骤重复测量风向：上方、侧方。

优选的，在固定距离内设置被测雪深传感器系统，每分钟进行测量；2.当雪深传感器持续运行时，将温度降低，直到达到最小操作温度；3，保持被测雪深传感器在最小运行温度下持续运行；4.当雪深传感器持续测量时，增加温度，直到达到运行温度的最大值；5.确定传感器的测量性能是否满足以下指定温度范围：

A.0℃

B.制造商要求的最低运行温度(如-40℃)

C.标称室温(如25℃)。

优选的，旋挖成孔工艺的工艺流程为：S1:桩位施放；S2:挖埋护筒；S3:钻进成孔；S4:入持力层鉴定；S5:清孔；S6:安放导管；S7:二次清运；S8:浇灌混凝土；S9:成桩。

优选的，所述观测检验方法还包括现场测试，所述现场测试包括以下步骤：1.选取地址以及与安装传感器环境相似的气候条件；2.安装声波传感器和激光雪深传感器；3.安装测试现场所需设备，包括PVC和FRP的雪板，在距地面同一高度安装一个或多个雪深传感器的同时，在声波积雪探测地附近均匀的放置多个标尺；4.安装辅助传感器；5.将数据录入到环境变量里，计算外场测试雪深传感器与参考雪深传感器测量值之间的差异，计算所有条件下的平均偏差、标准偏差和准确度，如果平均偏差小于该仪器指定的偏差，则数据可用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的方法包括了基本性能试验，温度室试验，风洞试验和现场试验，全面的评价雪深传感器的性能，对气象台站具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明的超声波传感器的安装示意图；

图2为本发明的激光雪深传感器的安装示意图；

图3为本发明的安装角度示意图；

图4为本发明的铅锤测量法示意图；

图5为本发明使用移动目标表面或者改变安装高度进行校准的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：

一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，具体实施步骤及原理如下：

基本功能测试的目的是验证测试对象的基本性能并确定精度、仪器校准存在的问题。

积雪深度测量常用积雪板作为标准地面，这对于人工观测尤为重要。为了在积雪和雪的融化过程中保持雪深的不变，建议采用不同的积雪板更好的模拟自然地面或者草坪。Lanzinger和Theel展示了由GRP制成的雪栅格和雪板的设计，可以不受沉积雪的干扰，该设计可与天然雪地或者草表面具有可比性。人们希望最终自动雪深测量仪能够测量天然地面或者草地面上的积雪深度，而不需要任何积雪板。但是，当自动雪测量仪在实际使用中，会遇到诸如杂草、霜冻、结冻等问题导致的地面变化。因此，即使使用对地面类型不敏感的多点扫描雪测量仪，我们仍然需要使用雪积板或栅格。

传感器安装需要垂直于目标表面，为了保证测量的准确性，如超声波雪深度传感器之类的传感器要求它们必须垂直于目标表面安装。安装传感器时，需要考虑传感器的波束角。传感器最好安装垂直于预定的目标表面。这些超声波传感器具有大约30°波束角。这意味着30°波束以外的物体将不会被探测到。任何不需要的目标必须在30°波束角之外。下面的公式用于确定所需要清洁区域的半径。例如，超声波雪深传感器制造商建议使用下面公式得到高度的清洁区域半径：清洁区域半径公式：CONEradius＝0.268(CONEheight)

激光雪深传感器的安装与超声波激光深度传感器不同，由于其光学(激光)测量特性，基于激光的雪深传感器不必安装在垂直于目标表面。但是，因为激光雪深传感器指向方向与垂直方向有一个倾角，那么为了得到正确的测量结果，需要对安装角进行计算。积雪深度s可以计算如下：

S＝(hsecθ-m)sinθ

式中h为安装传感器的高度，θ为倾角，m是传感器的当前读数，代表传感器和雪表面之间的距离。

参考设备或尺子在测试积雪深度传感器之前，必须有一种方法来测量传感器和目标之间的绝对距离。可以使用不同的方法获得参考高度。最简单、最直观的方法是将尺子放在一个完全垂直于目标表面，读取从地面到接近传感器的长度。另外一种方法是采用电子测量。这种方法缺点是很难通过雪尺的手动读数来获得一个适当地点代表目标区域的测量值。

解决这个问题的一个切实可行的办法是使用积雪深度传感器作为参考设备。这可以确保测试的自动化，特别是现场测试。保持参考设备处于最佳运行状态是至关重要的。

传感器测试前的准备和校准确保传感器方位和对齐正确，并且没有损坏或磨损。测量和记录传感器间的路径长度，如果可能，与制造商制定的路径长度和公差进行比较。如果结果超出了制造商的公差，结束测量。在使用或测试传感器前，需要对它们进行适当的校准。根据传感器测量类型的不同，有多钟校准雪深传感器的方法。下面列出了几种优选的方法：

1、使用参考对象校准

2、铅锤测量法

3、使用移动目标表面或者改变安装高度进行校准

使用参照物确定倾角：

1、在这个校准设置中，可以在使用或者不使用参照物的情况下完成。

2、不使用参照物测量与地面测量的方法相同。

3、安装角度可以很容易通过图3推导出，传感器可以用于测量。

4、在该方案中，没有定义参照物的高度C，对应a中的误差导致传感器和表面之间的测量距离中的1：1误差。

铅锤测量法：

1、使用垂线是确定传感器倾角更为精确的方法，图4阐述了铅锤测量法。

2、测量地面到激光点的距离y，使用传感器测量的距离(sp0，of0)和y值计算实际的高度d。

3、在此方案中，y、e的测量误差会在最终结果中会减小到asin(a)。

如图4所示，a＝arcsin(y/x1)。

使用移动目标表面或者改变安装高度进行校准：

1、这个方案实际上与使用参照物的方案等价。

2、在这个方案中，传感器和目标面的距离随着传感器或者目标面的变化而变化，而不是插入引用对象。

3、首先测量距离m1作为地面高度。

4、第二步测量距离m2作为一个参考高度。

5、利用步骤3和4获得的2个测量值计算高度

6、通过倾角θ计算安装角度。

测试安装：

1、将目标传感器牢固地安装在带有目标表面的导轨或杆上。

2、可以通过一个杆子转换成垂直方式。

3、必须具备改变传感器和目标表面距离的方法。对于水平系统，将主体传感器放置于轨道状机构上，固定目标表面，将传感器来回的移动以改变到目标表面的距离。对于垂直系统，可以根据需要提升或降低目标表面，考虑传感器和目标面的重量，采用水平机制进行传感器的精确移动会更为实用。

程序，测试规范，从制造厂商获得雪深测量的性能规格。运行测试，将传感器放在最远的位置，并将传感器配置在地平面位置(0mm)。将传感器或者目标表面移动到下面指定位置，进行一轮测试，并记录结果：0.1cm；0.2cm等直到规范中指定的最大位置。

评估结果：

1、将测量读数与度量标尺进行比较(标尺或数字标尺)。

2、确定变化或偏移是否超过制定的精度范围。

3、确定传感器是否能够在最大距离处进行测量。

4、确定传感器是否能够测量指定的分辨率。

考虑因素：

1、确保参考物的准确性和可靠性，所有的测试程序都依赖于参考读数。

2、确保有一个非常平坦的目标表面完全垂直于导轨或杆。

3、制造商在测试前要进行适当的校准。

风洞测试的目的主要是：

1、测量已知风向、风速影响的测量偏差；

2、确定测量偏差是否在制造商提供的功能规格需求书范围内；

测试设置考虑到在条款中使用的完整测试难度，风洞测试可在几个(2-3个)固定距离范围内实施。

风速风向的变量对于最大允许风速，适用于制造商的规格；风向，适用于上、下、侧向(任意方面)三个方向。

测试程序：

1、将风洞速度设置为最大允许风速，并定位测试设置，以便于风从传感器顶部吹来。

2、读取雪深观测传感器测量值，是否功能规格需求书准确度要求。

3、按照1-2的步骤重复测量风向：上方、侧方。

3室温测试(可选)

目的：

该项测试目的主要为了确认被测雪深传感器运行期间受环境温度变化的影响是否满足功能规格需求书要求。

测试设置

考虑到条款中使用的完整测试设置的难度，压力室测试可以在几个(2-3个)固定距离上进行。

测试程序：

1、在固定距离内设置被测雪深传感器系统，每分钟进行测量；

2、当雪深传感器持续运行时，将温度降低至最小操作温度；

3、保持被测雪深传感器在最小运行温度下持续运行指定的分钟；

4、当雪深传感器持续测量时，增加温度至达到运行温度的最大值；

5、确定传感器的测量性能是否满足以下指定温度范围：

A.0℃

B.制造商要求的最低运行温度(如-40℃)

C.标称室温(如25℃)

现场测试目的并非所有的验收测试都可以在实验室条件下进行，例如，大气条件的完整变化就不能在实验室环境中模拟出来。实质上对雪深传感器在不同降水类型下(包括冻雨)的测量性能验证对于验收测试来说更为重要。

条件不可控是现场测试中不可避免的严重问题，基于此缺陷，一套完整的基于现场测试得出的相关统计数据有时很难获得。

这里只描述了在现场测试中需要满足的最小条件。关于如何充分指导和评估现场测试则超出了本国际标准的范围。

测试时段雪深传感器的设计应能满足长期无人维护不间断运行的要求，因此基础现场验收测试应安排在能充分代表整个雪季环境的时间段中进行。

选址基于建议的使用要求，选择一个适合雪深传感器的外场测试地点绝非一项简单工作。建议参考不同的大气环境(如风、日照、温度、土壤类型、安装的方向等)，选取3到4个不同地点同时进行外场测试。

该站点应满足规定的雪深测量的常规选址条件，以确保满足测试地点的环境条件。在安装前可考虑以下的选址标准：

1、理想的降雪测量地点是开放、平坦的草地，避开四面八方的风。

2、在无法避开障碍物的情况下，现场测试地点应至少考虑距离障碍物高度两倍以上的地点。

3、避开排水区或大雨、融雪引流的区域。

4、避开坡度大于5°的地区。

5、避开朝南的斜坡，以避免积雪快速融化。

6、在条件允许的情况下尽量避开容易出现漂移和风冲刷的区域。

7、数据记录器将被放置在一个持续加热的室内恒定环境中，以确保记录器本身不会在任何情况下影响测试结果。

气候测试地点的气候条件应与雪深传感器预计安装运行地点的气候条件相似。相关气候要素如下：-风的分布(风玫瑰图)-气温分布-降水量分布-所发生的多种降水类型-结冰及其强度-暴露在阳光下程度以及障碍物情况。

安装基于声波的传感器,如上所述，安装一个超声波雪深传感器时，需要考虑传感器的波束角(见图5，波束角间隙)，安装的传感器最好垂直于目标表面，以确保在光束以外的物体既不会被探测到，也不会干扰被测目标。应确保任何不需被测的目标均位于波束角以外。传感器探测的任何目标都应至少距传感器表面20英寸以上(50厘米)。传感器不应安装在距离目标表面太远的地方，传感器离目标越远，绝对误差越大。

安装基于激光的传感器与超声波雪深传感器不同，激光传感器的安装不必垂直于目标表面。然而，根据制造商的不同，超声波雪深传感器在安装角度上有一定的限制(安装杆与激光束方向的倾角)，要求传感器安装在小于指定最大安装角的角度。测试现场所需设备目标表面除非被测试的雪深传感器特殊要求外，外场测试地点均装备有木制或类似的材料，如PVC和FRP的雪板；

目标表面的尺寸必须大于所指定的尺寸，其区域需大于由声呐束形成的圆形或由多点激光雪深传感器扫描所产生的区域(圆形路径)。参考雪深传感器在距地面同一高度安装一个或多个雪深传感器的同时，在声波积雪探测地附近均匀的放置多个标尺。由于整个现场测试环境中不存在绝对的参考传感器，人们不得不应用一些基于不同原理的、广泛使用的传感器，作为现场测试雪深传感器的参考值。

注意：使用量雪尺的人工测量可以与参考雪深传感器相结合。然而，由于其固有误差，只有当参考雪深传感器异常时才能使用人工测量参考值。此外，这种方式的测量比较并不适用于所有的测试条件。

如果使用激光雪深传感器作为参考，它应具有多点扫描功能，以确保空间代表性。现场测试雪深传感器和“参考雪深传感器”的水平距离应做到同时满足两部仪器的需求，采取折中方案。间距应：

—间距应尽量大，以避免相互之间的干扰流阻塞，

—间距应足够小，以避免因风场的空间不均匀性而产生的差异。

根据经验，传感器之间的最小距离应不小于机械传感器外径的10倍，而最大距离应不大于10米。辅助传感器这些用来监测环境变化的传感器被认为是验收测试的关键，传感器的测量变量中列出是最低要求。安装辅助传感器应在提供的现场地面仪器一般选址条件基础上进行。

评估故障

报告所有传感器损坏或故障异常情况，记录其发生的频率和原因。自动质量控制如果雪深传感器的自动质量控制算法提供了诊断错误代码，则将其分类为检测到的错误类别。将无效数据的事件分类为环境变量类。以这种方式可以确定有害的操作条件。

评价差异参考

a)将数据录入到环境变量里(包括所有类型的降水)。

b)计算外场测试雪深传感器与参考雪深传感器测量值之间的差异。

c)计算所有条件下的平均偏差、标准偏差和准确度。

如果平均偏差小于该仪器指定的偏差，则数据可用。

如果差异大于该仪器所指定的差异值，请确保不是由该字段的空间不均匀引起。可以通过两种方式进行检查：确定雪深测量的差异，与在温度室、压力室和风洞的条件下进行比较。如果趋势相似，则误差可能主要是由雪深传感器本身造成的。场地不均匀或其他意外情况引起的错误。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，其特征在于，该观测检验方法包括基本功能测试，风洞测试，温试验箱测试，基本性能测试目的是验证测试对象的基本性能并确定精度、仪器校准存在的问题，所述风洞测试主要是测量已知风向、风速影响的测量偏差以及确定测量偏差是否在制造商提供的功能规格需求书范围内，所述温试验箱测试目的主要为了确认被测雪深传感器运行期间受环境温度变化的影响是否满足功能规格需求书要求。

2.根据权利要求1所述的一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，其特征在于：基本功能测试包含以下步骤：S1:从制造厂商获得雪深测量的性能规格；S2:将传感器放在最远的位置，并将传感器配置在地平面位置；S3:将传感器或者目标表面移动到指定位置，进行一轮测试，并记录结果，其中包括规范中指定的最大位置；S4:将测量读数与度量标尺进行比较，确定变化或偏移是否超过制定的精度范围，确定传感器是否能够在最大距离处进行测量，确定传感器是否能够测量指定的分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，其特征在于：风洞测试包括以下步骤：S1:将风洞速度设置为最大允许风速，并定位测试设置，以便于风从传感器顶部吹来；S2:读取雪深观测传感器测量值，是否功能规格需求书准确度要求；S3：按照步骤S1和S2重复测量风向：上方、侧方。

4.根据权利要求1所述的一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，其特征在于：温试验箱测试包含以下步骤：S1:在固定距离内设置被测雪深传感器系统，每分钟进行测量；S2:当雪深传感器持续运行时，将温度降低，直到达到最小操作温度；S3：保持被测雪深传感器在最小运行温度下持续运行；S4：当雪深传感器持续测量时，增加温度，直到达到运行温度的最大值；S5：确定传感器的测量性能是否满足以下指定温度范围：

A.0℃；

B.制造商要求的最低运行温度；

C.标称室温。

5.根据权利要求1所述的一种具有多传感器的积雪深度测量的观测检验方法，其特征在于：所述观测检验方法还包括现场测试，所述现场测试包括以下步骤：S1：选取地址以及与安装传感器环境相似的气候条件；S2：安装声波传感器和激光雪深传感器；S3：安装测试现场所需设备，包括PVC和FRP的雪板，在距地面同一高度安装一个或多个雪深传感器的同时，在声波积雪探测地附近均匀的放置多个标尺；S4：安装辅助传感器；S5：将数据录入到环境变量里，计算外场测试雪深传感器与参考雪深传感器测量值之间的差异，计算所有条件下的平均偏差、标准偏差和准确度，如果平均偏差小于该仪器指定的偏差，则数据可用。

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