科技前沿/T e c h n o l o g i c a l F r o n t i e r
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耵聍钩
（吉林大学通信工程学院，吉林 长春 130025）
摘要：受全球变暖的影响，冬季冰层越发值得学者研究，近年来我国由于对冰层厚度掌握不全面而出现的意外事故时有发生，为减少生命财产损失而实时测量冰层厚度具有很强的现实意义，本文就测量方法上基于传统的人工破坏式测量方法上提出了利用雷达探测方法和超声波探测方法，通过原理分析，超声波探测法准确可行。 关键词：超声波；冰层厚度；测量
1 研究意义及方法
近年来，由于温室效应加剧，“暖冬”现象愈加频发，湖面、河面冰层厚度降低，通过“一九二九不出手，三九四九冰上走”的经验来判断上冰安全性不完全可靠，行人、车辆因冰层厚度不足而坠入水中的事件也屡见报端。由于冰层厚度难以肉眼判断而造成的生命财产损失引人深思。
根据冰层承载能力分析，当冰层厚度≥10 cm时，一般成年人可以上冰，冰厚≥15 cm的时候，可保证人上
冰的绝对安全。根据相关规定，露天冰场的冰层需要达到15 cm才能对外开放。当冰层厚度≥20 cm时，重约0.25吨的雪地摩托车可以在冰上驰骋。当冰面厚度增加到≥40 cm，此时冰面便能行车，可承载重约2吨的小轿车。当冰厚≥50 CM 时，一般车辆均可安全驶上冰层。
依靠经验判断或者凭借非专业人士的肉眼观察，难以保证对冰层厚度估计的准确性。因此，对于冰层厚度的测量也就变得十分重要。
目前国内外科研团队在进行冰上实验时，通常采取“钻孔测量法”，这种方法费时费力，对于机械设备电机抗寒性能要求很高，而且存在冰裂风险，测量结果误差较大。除此之外，国内外对于冰层厚度检测的方法还有：电磁感应探测法、近红外多光谱检测法和雷达成像法等。这些方法均需要通过使用价格昂贵的仪器来测量冰层的厚度，测量精度高，但存在的缺点是成本较高，且测量仪器体积较大，搬运不便，不易于携带。
同时，国内外尚无利用控制小型车搭载探测冰层厚度的仪器进行冰层探测的产品，绝大多数的探测方法为人工利用仪器进冰层的厚度的测量。而且在科研工作以外，普通众很少有机会使用这些先进的测冰厚技术。以冰场为例，常在冰场的一角，用钢钎在冰面上砸出一个小洞，将铁钩伸进去人工测量。为确保安全，需要每天对冰面进行早中晚三次测量，每次测量都有五六个测试点。可见日常生活中的冰厚测量较为麻烦，准确率也难以得到保证。
探地雷达检测法是近年来提出检测冰层厚度的新方法，该方法最大的优点在于避免了对冰层造成破坏，其基本原理是通过雷达发射器对冰面发射一定频率的电磁波，由于空气-冰面-水，介质的不同会相应发生折射，雷达接收器在接收到一定反射回来的电磁波后通过电磁波呈像原理可以侧面反映出冰层厚度，但是这种方法也有一定的缺陷，由于不同冰层厚度不同所需要的雷达发射器发射处的频率也不同，故而需要不断调试，并且由于雷达接收器接收的电磁波只是一部分故准确性有一定缺陷，由此提出将超声波引用到冰层测量方案的方法。2 冰层厚度测量基本原理空间导航
工业盐水超声波冰层厚度测量的基本原理即超声波发射机发出超声波，遇到冰面后会反射一部分超声波，另一部分超声波会继续在冰面传播，直至遇到水面产生反射，利用时间差的不同和空气与冰面超声波传播速度的不同可以测得冰面厚度。利用超声波测量冰层厚度原理图如图1所示。
图1 超声波测量冰层厚度原理图三自由度平台
设超声波传感器到冰下水面的距离为D（未知），到冰面的距离为L，冰面深度为H，有：
射，则：
（2）
式中：V1表示超声波在空气中的传播速度；T1表示超声波发射信号和第一次接收信号之间的时间延迟。
超声波信号遇到水面后又发生反射，则：
（3）式中：V2表示超声波在冰层中的传播速度；T2表示超声波发射信号和第二次接受信号之间的时间延迟。
所以由（1）（2）（3）式可知冰层的厚度为：
（4）式（4）为冰层厚度计算公式。其中：
超声波在冰层厚度测量中的应用
侯旭宁，林相学
立柱桩（1）
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