一种车载式南极内陆冰盖表面地貌特征监测装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及极地自动化监测技术领域，具体是一种车载式南极内陆冰盖表面地貌特征监测装置。
【背景技术】
[0002]南极冰盖作为全球系统的冷源，不仅在气候变化中起到放大器和驱动器的作用，而且以固态形式储存了大量的淡水。南极冰盖在每年都会出现不同程度的降雪，降雪后由于消融和风蚀的作用会形成大小不一的无规则的雪垄或雪丘，这些形成的雪丘和雪垄一方面对南极冰盖表面物质平衡的研究有极大参考意义，另一方面对南极科考队的精密仪器和重要物资的运输造成严重影响，所以对南极内陆冰盖表面地貌特征的研究具有十分重要的意义。南极内陆冰盖表面的特征与冰盖表面年际降雪量、冰盖表面风速有关。冰盖表面地貌特征主要包括雪面粗糙度、积雪层厚度，这些特征对研究冰盖表面物质平衡和内陆车队行进过程中的设备安全运输具有重要的参考价值。在中山站至昆仑站1300公里的冰盖断面上，冰雷达现场调查都是关键内容之一。而在内陆车辆行进过程中，受恶劣冰盖表面地形的影响，车辆颠簸、振动都比较严重，对冰雷达等精密仪器在车辆行进过程的地保护尤为重要。所以，为保证车队运输物资的安全，特别是精密仪器设备的安全，通过监测系统的实时监测获取雷达舱的颠簸情况及雷达舱不同地段的吃雪深度，及时调整运输过程中雷达舱的行进姿态。采集数据后进行分析，分析内陆冰盖雪面地貌特征，为研究冰盖物质表面平衡提供参考信息并为内陆车队行进中的物资运输提供参考依据，也为今后的车辆雪橇制造、精密设备的减振处理提供技术依据。
[0003]在南极科考中，对行进路段沿途地貌特征的监测是科学考察中一个重要组成部分，申请人曾多次参加中国极地考察，对这一点深有体会。
[0004]目前，在南极科考中对中山站出发基地到内陆最高点昆仑站基地沿途雪面特征监测的手段的通常采用的是人工花杆定点测量，选定采集点后人工挖直径一米见方的雪坑，将花杆底部用水平板辅助固定，和周围雪层紧密结合后完成面观测拍照后进行下一采集点的监测。
[0005]现有地貌特征监测存在如下问题:
1.劳动强度大:每次采集过程需三人以上，需挖一个I米见方的雪坑，采集完成后，需回填雪坑恢复原貌，在极地恶劣环境下显得非常困难。
[0006]2.实际采集数据可靠性差:在极端环境下花杆易受强风的影响而弯曲、折断甚至丢失。
[0007]3.连续性差:虽然大部分南极路线都会设置花杆断面，但只能遵循多定点安放原则，利用手持GPS进行多次定位，多次测量耗费大量人力物力。
[0008]4.实时性差:不能实时观测内陆表面沿途地貌特征，为内陆科考队行进提供参考辅助。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是:如何实现对冰盖表面积雪深度和表面粗糙度的连续精细化监测。
[0010]本发明所采用的技术方案是:一种车载式南极内陆冰盖表面地貌特征监测装置，包括车载式雪橇、安装在雪橇用于采集雪橇从某一时刻到下一时刻的水平方向行进距离和垂直方向的振幅的三轴振动传感器、安装在雪橇上的与水平面平行与雪橇行驶方向垂直的平行杆、安装在雪橇上用于测量雪橇倾角的倾角传感器、数据存储及处理器、GPS模块及天线，平行杆的两端分别安装有激光测距传感器和CCD图像传感器，CCD图像传感器检测到雪橇在正常行驶时，通过激光测距传感器测量平行杆到冰盖表面积雪的距离和平行杆到冰盖表面无积雪的距离传入数据存储及处理器，结合倾角传感器测量的雪橇倾角获得雪的厚度，CCD图像传感器检测到雪橇行驶在凸起或者凹陷的地区时，CCD图像传感器进行拍照传入数据存储及处理器，通过特征提取法获得雪的厚度。
[0011 ] 作为一种优选方式:激光测距传感器有两个，其中一个激光测距传感器下前方有L型刮雪板用于刮掉激光测距传感器下方的雪。
[0012]本发明的有益效果是:采集方便，车载式自动化监测，具有较高实用性;测量精度较高，采集数据具有连续性和精细化监测特点；可以进行长期反复多次应用;适应南极地域广，温度低，风雪大，采集点多等特殊环境。
【具体实施方式】
[0013]把雪橇刮状在车子的前面，在雪橇上安装用于采集雪橇从某一时刻到下一时刻的水平方向行进距离和垂直方向的振幅的三轴振动传感器(如AKE392B，MEMS数字输出型加速度计)、与水平面平行与雪橇行驶方向垂直的平行杆、用于测量雪橇倾角的倾角传感器(如SCA1900双轴倾角单板传感器)、数据存储及处理器(可以是一台电脑)、GPS模块及天线，平行杆的两端分别安装有激光测距传感器和CCD图像传感器，激光测距传感器有两个，其中一个激光测距传感器下前方有L型刮雪板用于刮掉激光测距传感器下方的雪。
[0014]车辆行进结束后，采集过程随即结束，数据全部存储在数据存储及处理器中。雪面粗糙度和积雪深度的计算和判断方法如下:
(I)雪面粗燥度
雪面粗糙度用某一时刻tl到下一时刻t2的三轴加速度传感器获得的垂直方向的振幅和tl?t2时间内雪橇前进的水平距离来表征，比如，取单位时间为I秒，利用三轴加速度传感器获得的垂直方向的加速度计算得到垂直方向的振幅si=vit+l/2*azt2
其中Vi为雪橇在垂直方向的速度分量，水平行驶时取O 为雪橇垂直方向加速度，t为tl?t2的时间间隔。
[0015]如某一时刻雪橇的三轴加速度传感器获得的垂直方向的加速度为-1，则计算得到振幅为:si=1/2*(-1)*12=-0.5(米)，即50cmο
[0016]雪橇在水平方向行进的距离为
S2=V2t+l/2*axt2, V2=V0+axt 其中￥2为雪橇在水平方向的速度分量，VO由雪地车行车速度自动记录仪提供，为tl时刻的速度，ax为雪橇水平方向加速度，t为11?12的时间间隔。
[0017]如某一时刻雪橇的水平速度为20km/时，S卩5.5米/秒，ax为I，取单位时间为I秒，则
S2=5.5*l+1/2*1*12=10.3 (米)
即，表征在路段10.3米处的粗糙度为50cm
(2)积雪深度
CCD图像传感器检测到雪橇处于正常行驶(即雪橇不属于局部凹陷或者凸起的路面)，且在有积雪的地方激光测距，传感器所测距离为d，如果刮掉激光测距传感器下方的雪测量到的距离为dl，如果此时倾角传感器测量到的雪橇左右方向的倾角为O，即雪橇没有倾斜，此时积雪深度为(dl-d)米;如果此时倾角传感器测量到的雪橇左右方向的倾角为β，需要根据利用倾角β计算出实际水平杆距离雪面的距离d3，此时积雪深度实际值为(d3-d)米。这些计算内容属于常用的数学知识，这里不做多描述。
[0018]CXD图像传感器检测到雪橇行驶在凸起或者凹陷的地区时，CXD图像传感器进行拍照传入数据存储及处理器，通过特征提取法获得雪的厚度。
[0019]至此，冰盖表面地貌的特征一一粗糙度和积雪深度数据就全部获得。
[0020]CXD图像传感器检测比较麻烦，并且准确性没有激光测距传感器好，所以一般路况使用激光测距传感器，只有在激光测距传感器无法使用(雪橇行驶在凸起或者凹陷的地区)，才通过CCD图像传感器检测雪的厚度。
[0021](3)雪橇前进方向的雪面凹凸坡度的监测
倾角传感器同时记录了雪橇前进方向的倾斜角度α，该角度用来表征雪橇前进方向的凹凸坡度。
【主权项】
1.一种车载式南极内陆冰盖表面地貌特征监测装置，其特征在于:包括车载式雪橇、安装在雪橇用于采集雪橇从某一时刻到下一时刻的水平方向行进距离和垂直方向的振幅的三轴振动传感器、安装在雪橇上的与水平面平行与雪橇行驶方向垂直的平行杆、安装在雪橇上用于测量雪橇倾角的倾角传感器、数据存储及处理器、GPS模块及天线，平行杆的两端分别安装有激光测距传感器和CCD图像传感器，CCD图像传感器检测到雪橇在正常行驶时，通过激光测距传感器测量平行杆到冰盖表面积雪的距离和平行杆到冰盖表面无积雪的距离传入数据存储及处理器，结合倾角传感器测量的雪橇倾角获得雪的厚度，CCD图像传感器检测到雪橇行驶在凸起或者凹陷的地区时，CCD图像传感器进行拍照传入数据存储及处理器，通过特征提取法获得雪的厚度。2.根据权利要求1所述的一种车载式南极内陆冰盖表面地貌特征监测装置，其特征在于:激光测距传感器有两个，其中一个激光测距传感器下前方有L型刮雪板用于刮掉激光测距传感器下方的雪。
【专利摘要】本发明涉及极地自动化监测技术领域，具体是一种车载式南极内陆冰盖表面地貌特征监测装置。包括车载式雪橇、安装在雪橇用于采集雪橇从某一时刻到下一时刻的水平方向行进距离和垂直方向的振幅的三轴振动传感器、安装在雪橇上的与水平面平行与雪橇行驶方向垂直的平行杆、安装在雪橇上用于测量雪橇倾角的倾角传感器、数据存储及处理器、GPS模块及天线，平行杆的两端分别安装有激光测距传感器和CCD图像传感器。本发明的有益效果是：采集方便，车载式自动化监测，具有较高实用性。
【IPC分类】G01V11/00
【公开号】CN105629328
【申请号】CN201610004831
【发明人】窦银科, 常晓敏, 孙波, 崔祥斌, 晁强, 丁云风
【申请人】太原理工大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月7日