超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深誤差分析及改進(jìn)

張 婷, 劉文忠, 劉 宇, 李建明

(河北省氣象技術(shù)裝備中心,河北 石家莊 050021)

0 引 言

積雪深度是表征降雪量和積雪特征的主要參數(shù),對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)和公共氣象服務(wù)具有重要意義。目前,我國(guó)氣象業(yè)務(wù)上主要通過(guò)人工讀取測(cè)雪尺刻度的方法獲取雪深數(shù)據(jù)[1]。人工觀測(cè)雖能較準(zhǔn)確地反映積雪深度,但主觀性強(qiáng)、時(shí)效性差、時(shí)空密度不足等缺點(diǎn),不能全面、連續(xù)反映積雪的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,已難以適應(yīng)當(dāng)今氣象業(yè)務(wù)的需求[2]。因此,為了獲取更客觀、連續(xù)的觀測(cè)資料,提高觀測(cè)質(zhì)量和觀測(cè)效率,急需研發(fā)適合當(dāng)今氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的自動(dòng)化雪深觀測(cè)儀器[3]。

常見(jiàn)的雪深自動(dòng)化觀測(cè)方法有光掃描法、單桿法、雙桿法、紅外測(cè)距法、激光測(cè)距法、超聲波法。前三種方法是傳統(tǒng)上應(yīng)用較多的雪深測(cè)量方法,但由于受機(jī)械活動(dòng)部件的影響,在實(shí)際觀測(cè)中故障頻發(fā),需經(jīng)常維護(hù)[4]；紅外測(cè)距法制作成本較低、易于研制,但其測(cè)量距離短、精度低、方向性差[5]；激光測(cè)距法測(cè)量精度高,但制作成本高,難度較大,且光學(xué)系統(tǒng)需要時(shí)刻保持潔凈,否則會(huì)對(duì)測(cè)量質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響,此外,在降雪時(shí)能見(jiàn)度低、降雪后陽(yáng)光強(qiáng)烈的天氣狀況下,測(cè)量精度會(huì)嚴(yán)重下降,不利于實(shí)際測(cè)量[6]；超聲波法雖然在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度影響較大,但通過(guò)溫度補(bǔ)償法能夠提高其測(cè)量精準(zhǔn)度,此外,該方法制作簡(jiǎn)單、成本低廉,沒(méi)有機(jī)械活動(dòng)部件,受天氣狀況影響較小[4,7,8],因此日常業(yè)務(wù)上被較多采用,也是目前較適合氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用的自動(dòng)化雪深觀測(cè)方法。國(guó)內(nèi),針對(duì)超聲波傳感器測(cè)量已有相當(dāng)?shù)难芯?。徐多等人[9]利用12:30加密和08:00常規(guī)人工雪深觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)4個(gè)站SR-50A雪深觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估和對(duì)比分析。梁延偉等人[10]通過(guò)對(duì)2010年2月、3月佳木斯國(guó)家基準(zhǔn)氣候觀測(cè)站人工觀測(cè)與超聲波雪深傳感器測(cè)量獲取數(shù)據(jù)對(duì)比、分析不同天氣條件下(高風(fēng)速、低風(fēng)速、低溫度)兩種方法獲得的數(shù)據(jù)差值的變化情況。肖瑤等人[11]利用2004年5月以來(lái)超聲雪深傳感器SR-50在青藏高原唐古拉綜合監(jiān)測(cè)場(chǎng)獲取的實(shí)時(shí)積雪資料和相關(guān)氣象數(shù)據(jù),評(píng)估了SR-50在青藏高原積雪監(jiān)測(cè)中的性能和作用,并對(duì)青藏高原腹地多年凍土區(qū)積雪變化特征進(jìn)行了初步分析。

本文利用2009～2010年中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司在北京、河北26個(gè)氣象臺(tái)站開(kāi)展的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)資料,以同一時(shí)刻人工測(cè)量的積雪深度作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,并提出了改進(jìn)方法,旨在為今后的自動(dòng)化雪深觀測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行提供參考和借鑒意義。

1 超聲波雪深測(cè)量原理

超聲波雪深傳感器原理是通過(guò)超聲波發(fā)射器向雪面發(fā)射一串超聲波脈沖,同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播途中碰到雪面就立即返回,超聲波接收器接收到反射回波時(shí)立刻停止計(jì)時(shí),從而測(cè)量出超聲波在空氣中的傳播時(shí)間,再根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度,即可計(jì)算出傳感器與雪面之間的距離,從而得到雪深。雪深計(jì)算公式[10]為

D=H-vt/2

(1)

式中D為雪深,H為超聲波傳感器安裝高度,v為超聲波在空氣中的傳播速度,t為超聲波往返時(shí)間,考慮到空氣溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響,通過(guò)溫度補(bǔ)償法對(duì)傳播速度及雪深予以校正[10]

(2)

從而校正后的雪深為

(3)

式中Tk為環(huán)境的開(kāi)氏溫度,Ds為測(cè)得的超聲波傳感器到雪面的距離。

2 超聲波雪深觀測(cè)誤差分析

2.1 人工觀測(cè)有積雪時(shí)超聲波傳感器誤差分析

利用2009年11月～2010年4月河北省22個(gè)臺(tái)站人工觀測(cè)有雪深時(shí)次的人工和超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深數(shù)據(jù),計(jì)算得到雪深平均誤差ε1及雪深誤差絕對(duì)值平均ε2

(4)

(5)

由圖1可知,雪深平均誤差多為正值,22個(gè)站求平均后為3.32 mm,表明人工略大于超聲波傳感器測(cè)得的雪深。對(duì)22個(gè)站的雪深誤差絕對(duì)值平均求平均值后為8.96 mm。各臺(tái)站之間的雪深平均誤差及雪深誤差絕對(duì)值均存在較大差異,絕對(duì)值誤差最大的站是黃驊站達(dá)40 mm,其次為蔚縣達(dá)23 mm,可見(jiàn)利用超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深不夠穩(wěn)定。

圖1 超聲波傳感器觀測(cè)雪深平均誤差及誤差絕對(duì)值平均

為了進(jìn)一步分析超聲波雪深觀測(cè)誤差,利用2010年1月至3月北京4個(gè)臺(tái)站人工定時(shí)觀測(cè)雪深與同時(shí)間超聲波傳感器觀測(cè)的雪深數(shù)據(jù),分別計(jì)算出雪深的日平均誤差、日正點(diǎn)最大誤差、日正點(diǎn)最小誤差。其中,日平均誤差為當(dāng)日各正點(diǎn)觀測(cè)誤差絕對(duì)值的平均值；日正點(diǎn)最大(小)誤差為當(dāng)日各正點(diǎn)觀測(cè)誤差的絕對(duì)值的最大(小)值。如圖2所示,北京4個(gè)臺(tái)站的日平均誤差主要分布在0～10 mm之間,約占總數(shù)據(jù)量的90 %。日平均誤差的平均值為6.36 mm,均方差為6.20 mm。4個(gè)臺(tái)站超聲波傳感器觀測(cè)與人工觀測(cè)的日正點(diǎn)最大誤差相對(duì)較大,平均值為12.83 mm,均方差為11.95 mm,當(dāng)人工觀測(cè)雪深在50 mm以下時(shí),87.5 %的日正點(diǎn)最大誤差在0～20 mm之間,50 mm以上時(shí)在18～46 mm之間。日正點(diǎn)最小誤差除南郊站在1月4日較大外,其余站點(diǎn)均穩(wěn)定在0～5 mm之間。

圖2 超聲波傳感器觀測(cè)雪深日誤差分布

由圖1和圖2可知,超聲波傳感器測(cè)量值的日平均誤差主要分布在毫米(mm)級(jí)范圍內(nèi),精準(zhǔn)度上基本能夠滿足業(yè)務(wù)需求,但日正點(diǎn)最大誤差存在較大波動(dòng),數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差,無(wú)法滿足氣象部門(mén)對(duì)雪深觀測(cè)儀器穩(wěn)定性的要求。

2.2 人工觀測(cè)無(wú)積雪時(shí)超聲波傳感器誤差分析

2009年11月～2010年4月觀測(cè)期間,當(dāng)人工觀測(cè)無(wú)積雪現(xiàn)象時(shí),河北省22個(gè)臺(tái)站平均有6天出現(xiàn)超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量有雪深數(shù)據(jù)的情況,且各臺(tái)站出現(xiàn)有雪深數(shù)據(jù)的日數(shù)差異較大,其中遵化最多為43d,其次為宣化34d。由此可見(jiàn),超聲波雪深傳感器的穩(wěn)定性是目前亟待解決的問(wèn)題。

圖3 人工觀測(cè)無(wú)積雪時(shí),超聲波傳感器觀測(cè)有積雪的日數(shù)

3 超聲波雪深傳感器改進(jìn)方法

分析可知,超聲波雪深傳感器穩(wěn)定性較差,主要是儀器測(cè)量方法存在缺陷造成的。雪深傳感器是利用超聲波進(jìn)行測(cè)距的,不同環(huán)境溫度下超聲波的速度是不一樣的,需要測(cè)量雪深傳感器所處位置空氣溫度來(lái)修正超聲波的速度。由于臺(tái)站開(kāi)始安裝的溫度傳感器測(cè)的是直射溫度,導(dǎo)致雪深數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律跳變。針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)河北省22個(gè)臺(tái)站的超聲波傳感器增加了溫度傳感器輻射罩(如圖4),并對(duì)增加溫度傳感器輻射罩前后超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深進(jìn)行了模擬。

圖4 增加溫度傳感器輻射罩后的探頭

圖5為2010年1月17日00:00時(shí)～18日23:59時(shí)超聲波雪深傳感器增加溫度輻射罩前基準(zhǔn)面實(shí)測(cè)高度分鐘數(shù)據(jù),基準(zhǔn)高度為1 582 mm。

圖5 未增加溫度輻射罩時(shí)基準(zhǔn)面實(shí)測(cè)高度分鐘數(shù)據(jù)

由圖5可知,實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律跳變,且與基準(zhǔn)高度存在較大偏差,差值范圍在-11.4～4.2 mm之間。圖6為2010年12月4日00:00時(shí)～5日23:59時(shí)增加溫度輻射罩后超聲波雪深傳感器基準(zhǔn)面實(shí)測(cè)高度分鐘數(shù)據(jù),基準(zhǔn)高度為1 485 mm,由圖6可見(jiàn),數(shù)據(jù)跳變大幅度下降,與基準(zhǔn)高度偏差范圍在-5.1～4.2 mm之間。

圖6 增加溫度輻射罩后基準(zhǔn)面實(shí)測(cè)高度分鐘數(shù)據(jù)

圖7為2010年11月24日00:00時(shí)～25日23:59時(shí)增加溫度輻射罩后,在下墊面放置32 mm厚的木板進(jìn)行模擬雪深,實(shí)測(cè)雪深分鐘數(shù)據(jù)與模擬雪深偏差在-7～7.6 mm之間,雪深誤差絕對(duì)值平均為2.0 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 mm。由此可見(jiàn),溫度會(huì)影響超聲波脈沖的工作性能,也是影響超聲波傳感器測(cè)量穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素。通過(guò)增加溫度傳感器輻射罩的方法對(duì)溫度進(jìn)行校正后,超聲波傳感器測(cè)得的雪深數(shù)據(jù)受溫度的影響大大減少,分鐘數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變的次數(shù)明顯減少。

圖7 增加溫度輻射罩后模擬雪深分鐘數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

利用2009～2010年中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司在北京、河北26個(gè)氣象臺(tái)站開(kāi)展的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)資料,對(duì)超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估,并提出了改進(jìn)方法。得到以下結(jié)論:

1)人工觀測(cè)有積雪現(xiàn)象時(shí),北京4個(gè)臺(tái)站超聲波傳感器測(cè)量值的日平均誤差主要分布在0～10 mm之間,約占總數(shù)據(jù)量的90 %；河北22個(gè)臺(tái)站雪深平均誤差求平均值為3.32 mm,雪深誤差絕對(duì)值平均求平均值后為8.96 mm,均在毫米(mm)級(jí)范圍內(nèi),精確度基本能夠滿足氣象業(yè)務(wù)需求。

2)超聲波雪深測(cè)量值穩(wěn)定性較差,人工觀測(cè)有積雪時(shí),北京4個(gè)臺(tái)站超聲波傳感器日正點(diǎn)最大誤差相對(duì)較大,平均值為12.83 mm,均方差為11.95 mm,人工觀測(cè)雪深在50 mm以下時(shí)有87.5 %的日正點(diǎn)最大誤差在0～20 mm之間,50 mm以上時(shí)日正點(diǎn)最大誤差較大,在18～46 mm之間。人工觀測(cè)無(wú)積雪時(shí),各站平均有6 d出現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量有雪深數(shù)據(jù)的情況,且各臺(tái)站出現(xiàn)有雪深數(shù)據(jù)的日數(shù)差異較大。因此,超聲波傳感器無(wú)法滿足氣象部門(mén)對(duì)雪深觀測(cè)儀器穩(wěn)定性的要求。

3)溫度是影響超聲波傳感器測(cè)量穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素。未增加溫度輻射罩的基準(zhǔn)面實(shí)測(cè)高度分鐘數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律跳變,且與基準(zhǔn)高度存在較大偏差,差值范圍在-11～5 mm之間。增加溫度輻射罩的基準(zhǔn)面實(shí)測(cè)高度分鐘數(shù)據(jù)跳變大幅度下降,與基準(zhǔn)高度偏差范圍在-5～4 mm之間。且增加溫度輻射罩后,利用32 mm厚的木板模擬雪深,超聲波傳感器的實(shí)測(cè)雪深分鐘數(shù)據(jù)與模擬雪深偏差在-7～7.6 mm之間,雪深誤差絕對(duì)值求平均為2.0 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 mm。所以,通過(guò)增加溫度傳感器輻射罩的方法對(duì)溫度進(jìn)行校正,大大減少了超聲波傳感器自動(dòng)測(cè)量雪深數(shù)據(jù)跳變次數(shù),有利于提高超聲波傳感器測(cè)量穩(wěn)定性。