一種車載式南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征監(jiān)測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及極地自動化監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種車載式南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征監(jiān)測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]南極冰蓋作為全球系統(tǒng)的冷源，不僅在氣候變化中起到放大器和驅(qū)動器的作用，而且以固態(tài)形式儲存了大量的淡水。南極冰蓋在每年都會出現(xiàn)不同程度的降雪，降雪后由于消融和風(fēng)蝕的作用會形成大小不一的無規(guī)則的雪壟或雪丘，這些形成的雪丘和雪壟一方面對南極冰蓋表面物質(zhì)平衡的研究有極大參考意義，另一方面對南極科考隊的精密儀器和重要物資的運輸造成嚴(yán)重影響，所以對南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征的研究具有十分重要的意義。南極內(nèi)陸冰蓋表面的特征與冰蓋表面年際降雪量、冰蓋表面風(fēng)速有關(guān)。冰蓋表面地貌特征主要包括雪面粗糙度、積雪層厚度，這些特征對研究冰蓋表面物質(zhì)平衡和內(nèi)陸車隊行進(jìn)過程中的設(shè)備安全運輸具有重要的參考價值。在中山站至昆侖站1300公里的冰蓋斷面上，冰雷達(dá)現(xiàn)場調(diào)查都是關(guān)鍵內(nèi)容之一。而在內(nèi)陸車輛行進(jìn)過程中，受惡劣冰蓋表面地形的影響，車輛顛簸、振動都比較嚴(yán)重，對冰雷達(dá)等精密儀器在車輛行進(jìn)過程的地保護(hù)尤為重要。所以，為保證車隊運輸物資的安全，特別是精密儀器設(shè)備的安全，通過監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測獲取雷達(dá)艙的顛簸情況及雷達(dá)艙不同地段的吃雪深度，及時調(diào)整運輸過程中雷達(dá)艙的行進(jìn)姿態(tài)。采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，分析內(nèi)陸冰蓋雪面地貌特征，為研究冰蓋物質(zhì)表面平衡提供參考信息并為內(nèi)陸車隊行進(jìn)中的物資運輸提供參考依據(jù)，也為今后的車輛雪橇制造、精密設(shè)備的減振處理提供技術(shù)依據(jù)。
[0003]在南極科考中，對行進(jìn)路段沿途地貌特征的監(jiān)測是科學(xué)考察中一個重要組成部分，申請人曾多次參加中國極地考察，對這一點深有體會。
[0004]目前，在南極科考中對中山站出發(fā)基地到內(nèi)陸最高點昆侖站基地沿途雪面特征監(jiān)測的手段的通常采用的是人工花桿定點測量，選定采集點后人工挖直徑一米見方的雪坑，將花桿底部用水平板輔助固定，和周圍雪層緊密結(jié)合后完成面觀測拍照后進(jìn)行下一采集點的監(jiān)測。
[0005]現(xiàn)有地貌特征監(jiān)測存在如下問題:
1.勞動強度大:每次采集過程需三人以上，需挖一個I米見方的雪坑，采集完成后，需回填雪坑恢復(fù)原貌，在極地惡劣環(huán)境下顯得非常困難。
[0006]2.實際采集數(shù)據(jù)可靠性差:在極端環(huán)境下花桿易受強風(fēng)的影響而彎曲、折斷甚至丟失。
[0007]3.連續(xù)性差:雖然大部分南極路線都會設(shè)置花桿斷面，但只能遵循多定點安放原則，利用手持GPS進(jìn)行多次定位，多次測量耗費大量人力物力。
[0008]4.實時性差:不能實時觀測內(nèi)陸表面沿途地貌特征，為內(nèi)陸科考隊行進(jìn)提供參考輔助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:如何實現(xiàn)對冰蓋表面積雪深度和表面粗糙度的連續(xù)精細(xì)化監(jiān)測。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種車載式南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征監(jiān)測裝置，包括車載式雪橇、安裝在雪橇用于采集雪橇從某一時刻到下一時刻的水平方向行進(jìn)距離和垂直方向的振幅的三軸振動傳感器、安裝在雪橇上的與水平面平行與雪橇行駛方向垂直的平行桿、安裝在雪橇上用于測量雪橇傾角的傾角傳感器、數(shù)據(jù)存儲及處理器、GPS模塊及天線，平行桿的兩端分別安裝有激光測距傳感器和CCD圖像傳感器，CCD圖像傳感器檢測到雪橇在正常行駛時，通過激光測距傳感器測量平行桿到冰蓋表面積雪的距離和平行桿到冰蓋表面無積雪的距離傳入數(shù)據(jù)存儲及處理器，結(jié)合傾角傳感器測量的雪橇傾角獲得雪的厚度，CCD圖像傳感器檢測到雪橇行駛在凸起或者凹陷的地區(qū)時，CCD圖像傳感器進(jìn)行拍照傳入數(shù)據(jù)存儲及處理器，通過特征提取法獲得雪的厚度。
[0011 ] 作為一種優(yōu)選方式:激光測距傳感器有兩個，其中一個激光測距傳感器下前方有L型刮雪板用于刮掉激光測距傳感器下方的雪。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:采集方便，車載式自動化監(jiān)測，具有較高實用性;測量精度較高，采集數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和精細(xì)化監(jiān)測特點；可以進(jìn)行長期反復(fù)多次應(yīng)用;適應(yīng)南極地域廣，溫度低，風(fēng)雪大，采集點多等特殊環(huán)境。
【具體實施方式】
[0013]把雪橇刮狀在車子的前面，在雪橇上安裝用于采集雪橇從某一時刻到下一時刻的水平方向行進(jìn)距離和垂直方向的振幅的三軸振動傳感器(如AKE392B，MEMS數(shù)字輸出型加速度計)、與水平面平行與雪橇行駛方向垂直的平行桿、用于測量雪橇傾角的傾角傳感器(如SCA1900雙軸傾角單板傳感器)、數(shù)據(jù)存儲及處理器(可以是一臺電腦)、GPS模塊及天線，平行桿的兩端分別安裝有激光測距傳感器和CCD圖像傳感器，激光測距傳感器有兩個，其中一個激光測距傳感器下前方有L型刮雪板用于刮掉激光測距傳感器下方的雪。
[0014]車輛行進(jìn)結(jié)束后，采集過程隨即結(jié)束，數(shù)據(jù)全部存儲在數(shù)據(jù)存儲及處理器中。雪面粗糙度和積雪深度的計算和判斷方法如下:
(I)雪面粗燥度
雪面粗糙度用某一時刻tl到下一時刻t2的三軸加速度傳感器獲得的垂直方向的振幅和tl?t2時間內(nèi)雪橇前進(jìn)的水平距離來表征，比如，取單位時間為I秒，利用三軸加速度傳感器獲得的垂直方向的加速度計算得到垂直方向的振幅si=vit+l/2*azt2
其中Vi為雪橇在垂直方向的速度分量，水平行駛時取O 為雪橇垂直方向加速度，t為tl?t2的時間間隔。
[0015]如某一時刻雪橇的三軸加速度傳感器獲得的垂直方向的加速度為-1，則計算得到振幅為:si=1/2*(-1)*12=-0.5(米)，即50cmο
[0016]雪橇在水平方向行進(jìn)的距離為
S2=V2t+l/2*axt2, V2=V0+axt 其中￥2為雪橇在水平方向的速度分量，VO由雪地車行車速度自動記錄儀提供，為tl時刻的速度，ax為雪橇水平方向加速度，t為11?12的時間間隔。
[0017]如某一時刻雪橇的水平速度為20km/時，S卩5.5米/秒，ax為I，取單位時間為I秒，則
S2=5.5*l+1/2*1*12=10.3 (米)
即，表征在路段10.3米處的粗糙度為50cm
(2)積雪深度
CCD圖像傳感器檢測到雪橇處于正常行駛(即雪橇不屬于局部凹陷或者凸起的路面)，且在有積雪的地方激光測距，傳感器所測距離為d，如果刮掉激光測距傳感器下方的雪測量到的距離為dl，如果此時傾角傳感器測量到的雪橇左右方向的傾角為O，即雪橇沒有傾斜，此時積雪深度為(dl-d)米;如果此時傾角傳感器測量到的雪橇左右方向的傾角為β，需要根據(jù)利用傾角β計算出實際水平桿距離雪面的距離d3，此時積雪深度實際值為(d3-d)米。這些計算內(nèi)容屬于常用的數(shù)學(xué)知識，這里不做多描述。
[0018]CXD圖像傳感器檢測到雪橇行駛在凸起或者凹陷的地區(qū)時，CXD圖像傳感器進(jìn)行拍照傳入數(shù)據(jù)存儲及處理器，通過特征提取法獲得雪的厚度。
[0019]至此，冰蓋表面地貌的特征一一粗糙度和積雪深度數(shù)據(jù)就全部獲得。
[0020]CXD圖像傳感器檢測比較麻煩，并且準(zhǔn)確性沒有激光測距傳感器好，所以一般路況使用激光測距傳感器，只有在激光測距傳感器無法使用(雪橇行駛在凸起或者凹陷的地區(qū))，才通過CCD圖像傳感器檢測雪的厚度。
[0021](3)雪橇前進(jìn)方向的雪面凹凸坡度的監(jiān)測
傾角傳感器同時記錄了雪橇前進(jìn)方向的傾斜角度α，該角度用來表征雪橇前進(jìn)方向的凹凸坡度。
【主權(quán)項】
1.一種車載式南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征監(jiān)測裝置，其特征在于:包括車載式雪橇、安裝在雪橇用于采集雪橇從某一時刻到下一時刻的水平方向行進(jìn)距離和垂直方向的振幅的三軸振動傳感器、安裝在雪橇上的與水平面平行與雪橇行駛方向垂直的平行桿、安裝在雪橇上用于測量雪橇傾角的傾角傳感器、數(shù)據(jù)存儲及處理器、GPS模塊及天線，平行桿的兩端分別安裝有激光測距傳感器和CCD圖像傳感器，CCD圖像傳感器檢測到雪橇在正常行駛時，通過激光測距傳感器測量平行桿到冰蓋表面積雪的距離和平行桿到冰蓋表面無積雪的距離傳入數(shù)據(jù)存儲及處理器，結(jié)合傾角傳感器測量的雪橇傾角獲得雪的厚度，CCD圖像傳感器檢測到雪橇行駛在凸起或者凹陷的地區(qū)時，CCD圖像傳感器進(jìn)行拍照傳入數(shù)據(jù)存儲及處理器，通過特征提取法獲得雪的厚度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載式南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征監(jiān)測裝置，其特征在于:激光測距傳感器有兩個，其中一個激光測距傳感器下前方有L型刮雪板用于刮掉激光測距傳感器下方的雪。
【專利摘要】本發(fā)明涉及極地自動化監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種車載式南極內(nèi)陸冰蓋表面地貌特征監(jiān)測裝置。包括車載式雪橇、安裝在雪橇用于采集雪橇從某一時刻到下一時刻的水平方向行進(jìn)距離和垂直方向的振幅的三軸振動傳感器、安裝在雪橇上的與水平面平行與雪橇行駛方向垂直的平行桿、安裝在雪橇上用于測量雪橇傾角的傾角傳感器、數(shù)據(jù)存儲及處理器、GPS模塊及天線，平行桿的兩端分別安裝有激光測距傳感器和CCD圖像傳感器。本發(fā)明的有益效果是：采集方便，車載式自動化監(jiān)測，具有較高實用性。
【IPC分類】G01V11/00
【公開號】CN105629328
【申請?zhí)枴緾N201610004831
【發(fā)明人】竇銀科, 常曉敏, 孫波, 崔祥斌, 晁強, 丁云風(fēng)
【申請人】太原理工大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年1月7日