DSS1 激光雪深仪基准面对数据的影响及改进方法探析

张鑫鑫，徐泽东，马亚运

（青海省大气探测技术保障中心，青海 西宁 810001）

积雪深度是积雪表面到达地面的垂直深度，是表明降雪量和降雪强度的重要指标，对气象灾害预警和气象服务有重要意义。我国气象部门对积雪深度长期采用人工观测，然而人工雪深观测只有在雪深大于5mm 后，早上8 时的观测记录[1]，缺乏数据连续性。由于高原海拔较高，降雪强度大，范围广，是雪灾易发区，雪灾的发生严重影响着牧民的生产及生活，而降雪的发生、发展、消融过程直接影响雪灾的等级及受灾程度。因此建设雪深自动观测系统，获取长时间动态连续雪深数据是开展积雪研究的重要基础。近几年，超声波型和激光型雪深观测系统分别在西藏自治区和青海省相继投入业务使用，但数据的准确性和可靠性都因各自设备原理和构造，测量点单一等原因存在一些缺陷，导致数据在精度上存在一定的误差，无法完全满足业务应用的需求。青海省气象局采用的是DSS1 型激光雪深观测仪，通过激光测距技术，实现了对雪深的连续自动观测，但由于测雪点基准面极易变化，雪深数据与实际数据存在较大误差。在操作过程中，需要人工多次反复对传感器测距标定后，才能保证传感器采集到的数据相对可靠。本文通过实际观测和实验分析，对DSS1 雪深观测系统基准面变化对数据的影响和改进方法进行分析和探究，找出一种合适的处理方法，为今后雪深传感器的建设和业务应用中，减少、减小因雪深基准面的变化对测量数据的影响，提高雪深传感器观测精度，减轻传感器的维护工作，保证雪深自动观测业务的正常运行提供参考和借鉴意义。

1 激光雪深传感器测距原理

DSS1 型激光雪深观测仪采用相位法测距原理，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，计算此相位延迟所代表的距离[2]，其测量的雪深范围为0～200cm。

积雪深度H 是激光雪深传感器探头到基准面之间的垂直距离H1与探头到雪面之间的垂直距离H2之差，在倾斜安装时雪深传感器测距单元不能直接测得垂直距离H1和H2，所以需要预先标定求得测量光路与立柱之间的垂直倾角α[3]。激光雪深观测仪通过相位法分别测量传感器到基准面的距离L1和传感器到标准块的距离L2，通过已知高度为A的标准块，根据式（1）即可获取垂直倾角α 的三角函数关系（如图1 所示）。

图1 激光测距原理

标定完成后移走标准块，此时垂直倾角a 已知且固定不变，激光雪深观测仪通过相位法再次分别测量传感器到基准面的距离L1和传感器到雪面的距离L，根据式（2）即可获得雪深H。

在本次实验中以基准面为参考时，可得光程误差ΔL 和雪深误差ΔH，即：

式中：

α-测量光路与立柱之间的垂直倾角，单位rad；

H-积雪深度，单位mm；

L1-传感器到基准面的距离，单位mm；

L-传感器到被测面之间的距离，单位mm；

ΔL-光程误差，单位mm；

ΔH-雪深误差，单位mm。

2 误差分析和方法研究

2.1 误差分析

在自然状态下经过长期观察分析发现，因设备自身变化产生的测量误差有两种，一是立柱倾斜，测量点漂移导致测量光路路径发生变化，出现雪深误差。二是基准面发生变化，导致出现雪深误差。

2.1.1 立柱倾斜产生的雪深误差

由于立柱倾斜，造成测量点漂移，根据图2 所示，当测量点P 接近立柱点B，传感器到被测面之间的距离变小，由式（3）和(4)可知测量光路路径误差ΔL＞0，雪深误差ΔH＞0，此误差在实际应用中会导致数据出现野值或偏大。当测量点P 远离立柱点B，传感器到被测面之间的距离变大，由式（3）和（4）可知测量光路路径误差ΔL＜0，雪深误差ΔH＜0，此误差在实际应用中会导致雪深数据偏小甚至为负值。

图2 立柱倾斜导致测量点漂移

2.1.2 基准面变化产生的雪深误差

雪深测量基准面采用的是规格为60cm×60cm的格栅型测雪板，安装后与基准面保持水平，测雪区域与周围环境接近，可以保证测雪区域与周围环境融雪速度相对一致。中间由圆形的聚四氟乙烯材料作为测雪点，具有很好的穿透性能，可以有效抵消激光在穿透雪层后被基准面反射导致光路在雪层中复杂的反射和折射导致的误差[3-4]，提高测量的准确度，满足标定时的基准面和初雪的准确测量。然而测雪板容易受下垫面影响，土质疏松，翻动等原因容易使测雪板抬升或下降，导致基准面发生变化，产生测量误差。基准面上升会使测量光路L 变短，导致雪深误差ΔH＞0。此误差在实际应用中会导致数据出现野值或者偏大。基准面下降会使测量光路L 变长，导致雪深误差ΔH＜0，此误差在实际应用中会导致雪深数据偏小甚至是负值。

2.2 方法研究

本次研究分别采用两种方法进行改造实验。一是对基准面测雪板自然下垫面人工改造成混凝土，将混凝土置于测雪板下层，减小由于混凝土与自然地面比热容不同对雪层融化的影响。二是在自然下垫面上增大测雪板的面积，使用市面可购置的规格为80cm×80cm 的玻璃钢格栅型测雪板代替原测雪板。实验时分别对自然下垫面，混凝土下垫面，增大测雪板三种观测状态，在同一观测环境下进行数据对比。每种状态观测周期为60d，提取每日出现的最大雪深误差，其中前30d 取标定前数据，后30d 取标定后数据，分析误差变化趋势，得出合理结论。

2.2.1 未进行标定前观测30d 数据

根据图3（a）可知：

图3 标定前、后30d 内自然下垫面、混凝土下垫面、增大测雪板误差对比

（1）自然下垫面在第2 天即出现雪深误差，误差大小多次反复变化，并随时间的增长逐渐变大，30d 内最大误差达8mm。

（2）增大测雪板产生的雪深误差在第5 天出现，对比自然观测相对较小且稳定，但仍然随时间的增长而变大，在误差较大时有反复变化情况，30d 内最大误差达6mm。

（3）混凝土下垫面雪深误差在第11 天出现，随实验时间的增长误差逐渐变大，但变化相对稳定且较小，30d 内最大误差为3mm。

2.2.2 进行标定后观测30d 数据

根据图3（b）可知：

（1）自然下垫面产生的日最大雪深误差在第4天开始出现，随时间逐渐变大且反复变化，30d 内产生的最大雪深误差为6mm，基准面受自然下垫面变化的影响较大。

（2）增大测雪板面积产生的日最大雪深误差相对自然下垫面较小，前期相对稳定，第11 天出现较大降水过程，测雪板受到较大影响，随后基准面的变化逐渐变大，导致雪深误差开始变大且不稳定，30 日内产生的最大日雪深误差达4mm。

（3）混凝土下垫面在标定后雪深误差长期保持为0mm，变化相对稳定，日最大雪深误差在第15 天开始出现，30d 内产生的最大日雪深误差为2mm。

3 主要结论

（1）激光雪深传感器由于测量精度高，对设备安装要求较高，立柱基础和基准面都需要稳固。观测地段自然场地由于土质不稳定容易发生变化，尤其是在降水、降雪、霜冻等天气过程发生后，立柱基础和基准面变化较明显，如果不及时进行人工标定，长期使用必然导致数据异常。

（2）增大测雪板面积由于受环境影响较大依然会产生较大误差，没有明显的稳固效果，且玻璃钢格栅型测雪板不易获取和制作，在安装和建设中较困难，不建议使用。

（3）混凝土下垫面具有较好的稳定性，受天气和地形等影响较小，并且位于测雪板下层，对雪层融化影响相对较小，在安装时容易获取和制作等优点，可在今后DSS1 型激光雪深观测仪的安装和长期观测中参考此法。