新型冰雪情自动监测系统的研究与应用

摘要

冰层厚度和积雪深度是冬季气象、环境监测和水文部门常规观测的基本参数，目前被国家南北极科学考察列为重点观测的内容，是分析全球气候异常变化的重要科学数据;对冰层厚度和积雪深度的连续自动检测也是国内外高寒地区内陆河流冰凌灾害预报系统建设急需解决的工程技术难题。论文作者在与课题组同事完成2013-2015年冬季黑龙江漠河河道冰雪现场监控工程试验任务中，针对试验现场冬季环境温度低于-30℃、河道冰面被积雪覆盖的特点，设计了专用的冰层厚度和积雪深度传感器，通过融合太阳能供电、单片机以及多种电子信息处理技术，完成了新型冰雪情监测系统的集成设计、研制任务，在黑龙江漠河河道现场试验中，成功实现了对河道冰层厚度、冰层表面覆盖积雪深度的定点连续监测。
　　在设计与实验过程中，作者分析了国内外冰层厚度和积雪深度检测方法存在的不足，吸取了太原理工大学测控技术研究所冰情检测课题组近十年在黄河冰情检现场监测试验的成果与经验，在此基础上提出了基于空气、冰、水温度梯度特性差异的冰层厚度检测方法。该方法在检测冰层厚度时，通过研制成功的高分辨率温度梯度冰层厚度传感器依次采集并记录其所处检测点区域被测介质层的温度值，各介质层的温度值客观反映了它们自身的物理状态（液态还是结冰固态），以此达到连续在线监测冰层厚度的目的。为了对冰上积雪深度的同步监测，作者基于红外光穿过空气、雪不同介质所呈现出强度衰减差异设计了一种新的冰上积雪深度检测传感器，当某个检测回路导通时红外发射二极管被激发出红外光，透过空气或者雪等不同介质传播到红外接收二极管，红外接收二极管根据其所接收到红外光的强度形成大小不同的光电流，通过采集红外接收二极管回路分压电阻的电压值，可根据公式反演计算出该介质层处红外接收二级管所形成的等效电阻值，从而进一步确定该层介质的类型（积雪或空气）。通过集成和融合两种新的冰层厚度与雪深检测方法，可以实现对河道冰层厚度、冰层表面覆盖积雪深度的定点连续监测，实时掌握河道内部冰层的生长、消融及冰上积雪的深度变化过程。本论文主要完成了以下五个方面的研究工作:
　　1.通过查阅大量文献资料，对目前国内外冰雪检测技术的优缺点进行了对比分析，提出了基于空气、冰、水的温度特性差异的冰层厚度检测方法和基于红外光穿过空气、雪所呈现出强度衰减差异的积雪深度检测方法。
　　2.通过理论研究和实验分析，对冰层厚度传感器和积雪深度传感器的检测机理进行了全面的论证，为本文提出的冰层厚度和积雪深度检测方法提供了科学的理论依据。
　　3.根据工程需求和现场实际安装情况，设计研制了新型的冰层厚度传感器、积雪深度传感器及其数据处理系统，编写了传感器及整体系统的应用软件程序。
　　4.通过与大兴安岭水文勘测局科技人员合作，于2013年12月-2014年4月将新型冰雪情自动监测系统安装于我国最北端的黑龙江漠河河道断面，并进行了为期3个半月的冰雪数据连续采集试验，获取了该河道观测点完整的冬季冰雪情数据。
　　5.通过对漠河河道现场安装系统采集的冰雪情数据分析后发现，新型冰雪情监测系统测量结果与现场人工观测数据基本一致，从而验证了本文所设计的冰层厚度传感器与积雪深度传感器完全达到了预期的设计性能，并且具有良好的低温稳定性。此外，还通过对比不同时期的冰雪情数据，分析了冰上积雪对冰层内部温度变化的影响。
　　在指导老师和课题组同学的共同努力下，本课题完成了冰雪情传感器及数据处理系统的设计和研发工作，并且该冰雪情自动监测系统已在黑龙江工程现场得到了很好的应用。目前，该冰雪情检测方法已被课题组选定为中国第32次南极科学考察项目试验技术。虽然在设备运行期间也发现了一些问题和不足，但是我们相信通过后续工程应用中的不断改进和完善，该冰雪情检测方法可以成为解决冰雪情连续监测难题的一项工程应用技术。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冰层厚度检测方法研究现状

1．2．2 积雪深度检测方法研究现状

1．3 课题研究的主要内容

第二章 冰层厚度和积雪深度传感器检测机理研究

2．1 基于空气、冰与水的温度特性差异的冰层厚度检测机理分析

2．1．1 空气、冰与水的温度特性

2．1．2 冰与水的温度特性差异实验

2．2 基于红外光穿过空气、雪不同介质所呈现出强度衰减差异的雪深检测机理分析

2．2．1 空气与雪的结构特性

2．2．2 红外光的特性

2．2．3 基于红外光穿过空气、雪所呈现出强度衰减差异的雪深检测方法可行性实验

2．3 冰层厚度和积雪深度传感器检测理论的提出

2．4 本章小结

第三章 冰层厚度和积雪深度传感器及其检测系统的硬件设计

3．1 系统总体结构设计

3．2 冰层厚度传感器检测电路设计

3．2．1 温度传感器的选型

3．2．2 温度检测电路

3．3 积雪深度传感器检测电路设计

3．3．1 红外对管检测电路

3．3．2 译码开关电路

3．3．3 模拟开关电路

3．4 系统数据处理单元电路设计

3．4．1 系统主控CPU的选型

3．4．2 单片机最小系统电路

3．4．3 模／数转换电路

3．4．4 系统时钟电路

3．4．5 数据存储电路

3．4．6 调试面板电路

3．5 数据远程传输电路设计

3．5．1 数据传输方式的选择

3．5．2 通信电路

3．6 系统电源电路设计

3．6．1 供电方式的选择

3．6．2 主电源电路

3．6．3 可控电源电路

3．7 冰层厚度和积雪深度传感器物理结构设计

3．7．1 冰层厚度传惑器结构

3．7．2 积雪深度传感器结构

3．8 本章小结

第四章 冰层厚度和积雪深度传感器及其检测系统的软件设计

4．1 系统软件开发环境介绍

4．1．1 IAR介绍

4．1．2 开发语言的选择

4．2 冰雪情自动监测系统应用程序设计

4．2．1 系统主程序

4．2．2 数据采集程序

4．2．3 数据存储程序

4．2．4 远程通信程序

4．2．5 液晶和键盘程序

4．3 GPRS数据传输模块的软件配置

4．4 本章小结

第五章 黑龙江漠河河道冰雪情现场监测试验与数据分析

5．1 黑龙江漠河河道冰雪情现场监测试验

5．2 冰层厚度传感器现场采集冰情数据分析

5．2．1 冰层厚度传感器现场采集典型冰情数据分析

5．2．2 冰层厚度判别方法的研究

5．2．3 传感器实测冰厚与人工观测结果对比

5．3 积雪深度传感器现场采集雪情数据分析

5．3．1 积雪深度传感器现场采集典型雪情数据分析

5．3．2 积雪深度判别方法的研究

5．3．3 传感器实测雪深与人工观测结果对比

5．4 冰上积雪对冰层内部温度变化的影响

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及获奖情况