DSS1 激光雪深儀基準面對數據的影響及改進方法探析

張鑫鑫，徐澤東，馬亞運

（青海省大氣探測技術保障中心，青海 西寧 810001）

積雪深度是積雪表面到達地面的垂直深度，是表明降雪量和降雪強度的重要指標，對氣象災害預警和氣象服務有重要意義。我國氣象部門對積雪深度長期采用人工觀測，然而人工雪深觀測只有在雪深大于5mm 后，早上8 時的觀測記錄[1]，缺乏數據連續性。由于高原海拔較高，降雪強度大，范圍廣，是雪災易發區，雪災的發生嚴重影響著牧民的生產及生活，而降雪的發生、發展、消融過程直接影響雪災的等級及受災程度。因此建設雪深自動觀測系統，獲取長時間動態連續雪深數據是開展積雪研究的重要基礎。近幾年，超聲波型和激光型雪深觀測系統分別在西藏自治區和青海省相繼投入業務使用，但數據的準確性和可靠性都因各自設備原理和構造，測量點單一等原因存在一些缺陷，導致數據在精度上存在一定的誤差，無法完全滿足業務應用的需求。青海省氣象局采用的是DSS1 型激光雪深觀測儀，通過激光測距技術，實現了對雪深的連續自動觀測，但由于測雪點基準面極易變化，雪深數據與實際數據存在較大誤差。在操作過程中，需要人工多次反復對傳感器測距標定后，才能保證傳感器采集到的數據相對可靠。本文通過實際觀測和實驗分析，對DSS1 雪深觀測系統基準面變化對數據的影響和改進方法進行分析和探究，找出一種合適的處理方法，為今后雪深傳感器的建設和業務應用中，減少、減小因雪深基準面的變化對測量數據的影響，提高雪深傳感器觀測精度，減輕傳感器的維護工作，保證雪深自動觀測業務的正常運行提供參考和借鑒意義。

1 激光雪深傳感器測距原理

DSS1 型激光雪深觀測儀采用相位法測距原理，用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返一次所產生的相位延遲，再根據調制光的波長，計算此相位延遲所代表的距離[2]，其測量的雪深范圍為0～200cm。

積雪深度H 是激光雪深傳感器探頭到基準面之間的垂直距離H1與探頭到雪面之間的垂直距離H2之差，在傾斜安裝時雪深傳感器測距單元不能直接測得垂直距離H1和H2，所以需要預先標定求得測量光路與立柱之間的垂直傾角α[3]。激光雪深觀測儀通過相位法分別測量傳感器到基準面的距離L1和傳感器到標準塊的距離L2，通過已知高度為A的標準塊，根據式（1）即可獲取垂直傾角α 的三角函數關系（如圖1 所示）。

圖1 激光測距原理

標定完成后移走標準塊，此時垂直傾角a 已知且固定不變，激光雪深觀測儀通過相位法再次分別測量傳感器到基準面的距離L1和傳感器到雪面的距離L，根據式（2）即可獲得雪深H。

在本次實驗中以基準面為參考時，可得光程誤差ΔL 和雪深誤差ΔH，即：

式中：

α-測量光路與立柱之間的垂直傾角，單位rad；

H-積雪深度，單位mm；

L1-傳感器到基準面的距離，單位mm；

L-傳感器到被測面之間的距離，單位mm；

ΔL-光程誤差，單位mm；

ΔH-雪深誤差，單位mm。

2 誤差分析和方法研究

2.1 誤差分析

在自然狀態下經過長期觀察分析發現，因設備自身變化產生的測量誤差有兩種，一是立柱傾斜，測量點漂移導致測量光路路徑發生變化，出現雪深誤差。二是基準面發生變化，導致出現雪深誤差。

2.1.1 立柱傾斜產生的雪深誤差

由于立柱傾斜，造成測量點漂移，根據圖2 所示，當測量點P 接近立柱點B，傳感器到被測面之間的距離變小，由式（3）和(4)可知測量光路路徑誤差ΔL＞0，雪深誤差ΔH＞0，此誤差在實際應用中會導致數據出現野值或偏大。當測量點P 遠離立柱點B，傳感器到被測面之間的距離變大，由式（3）和（4）可知測量光路路徑誤差ΔL＜0，雪深誤差ΔH＜0，此誤差在實際應用中會導致雪深數據偏小甚至為負值。

圖2 立柱傾斜導致測量點漂移

2.1.2 基準面變化產生的雪深誤差

雪深測量基準面采用的是規格為60cm×60cm的格柵型測雪板，安裝后與基準面保持水平，測雪區域與周圍環境接近，可以保證測雪區域與周圍環境融雪速度相對一致。中間由圓形的聚四氟乙烯材料作為測雪點，具有很好的穿透性能，可以有效抵消激光在穿透雪層后被基準面反射導致光路在雪層中復雜的反射和折射導致的誤差[3-4]，提高測量的準確度，滿足標定時的基準面和初雪的準確測量。然而測雪板容易受下墊面影響，土質疏松，翻動等原因容易使測雪板抬升或下降，導致基準面發生變化，產生測量誤差。基準面上升會使測量光路L 變短，導致雪深誤差ΔH＞0。此誤差在實際應用中會導致數據出現野值或者偏大。基準面下降會使測量光路L 變長，導致雪深誤差ΔH＜0，此誤差在實際應用中會導致雪深數據偏小甚至是負值。

2.2 方法研究

本次研究分別采用兩種方法進行改造實驗。一是對基準面測雪板自然下墊面人工改造成混凝土，將混凝土置于測雪板下層，減小由于混凝土與自然地面比熱容不同對雪層融化的影響。二是在自然下墊面上增大測雪板的面積，使用市面可購置的規格為80cm×80cm 的玻璃鋼格柵型測雪板代替原測雪板。實驗時分別對自然下墊面，混凝土下墊面，增大測雪板三種觀測狀態，在同一觀測環境下進行數據對比。每種狀態觀測周期為60d，提取每日出現的最大雪深誤差，其中前30d 取標定前數據，后30d 取標定后數據，分析誤差變化趨勢，得出合理結論。

2.2.1 未進行標定前觀測30d 數據

根據圖3（a）可知：

圖3 標定前、后30d 內自然下墊面、混凝土下墊面、增大測雪板誤差對比

（1）自然下墊面在第2 天即出現雪深誤差，誤差大小多次反復變化，并隨時間的增長逐漸變大，30d 內最大誤差達8mm。

（2）增大測雪板產生的雪深誤差在第5 天出現，對比自然觀測相對較小且穩定，但仍然隨時間的增長而變大，在誤差較大時有反復變化情況，30d 內最大誤差達6mm。

（3）混凝土下墊面雪深誤差在第11 天出現，隨實驗時間的增長誤差逐漸變大，但變化相對穩定且較小，30d 內最大誤差為3mm。

2.2.2 進行標定后觀測30d 數據

根據圖3（b）可知：

（1）自然下墊面產生的日最大雪深誤差在第4天開始出現，隨時間逐漸變大且反復變化，30d 內產生的最大雪深誤差為6mm，基準面受自然下墊面變化的影響較大。

（2）增大測雪板面積產生的日最大雪深誤差相對自然下墊面較小，前期相對穩定，第11 天出現較大降水過程，測雪板受到較大影響，隨后基準面的變化逐漸變大，導致雪深誤差開始變大且不穩定，30 日內產生的最大日雪深誤差達4mm。

（3）混凝土下墊面在標定后雪深誤差長期保持為0mm，變化相對穩定，日最大雪深誤差在第15 天開始出現，30d 內產生的最大日雪深誤差為2mm。

3 主要結論

（1）激光雪深傳感器由于測量精度高，對設備安裝要求較高，立柱基礎和基準面都需要穩固。觀測地段自然場地由于土質不穩定容易發生變化，尤其是在降水、降雪、霜凍等天氣過程發生后，立柱基礎和基準面變化較明顯，如果不及時進行人工標定，長期使用必然導致數據異常。

（2）增大測雪板面積由于受環境影響較大依然會產生較大誤差，沒有明顯的穩固效果，且玻璃鋼格柵型測雪板不易獲取和制作，在安裝和建設中較困難，不建議使用。

（3）混凝土下墊面具有較好的穩定性，受天氣和地形等影響較小，并且位于測雪板下層，對雪層融化影響相對較小，在安裝時容易獲取和制作等優點，可在今后DSS1 型激光雪深觀測儀的安裝和長期觀測中參考此法。