降雪是气象探测中较难测量的要素之一。准确的积雪数据可以帮助有关部门掌握积雪分布资料反映当地的寒冷程度,为水资源调配提供依据,也可以为交通部门、电力通信和工农业生产等领域的防灾减灾提供保障。由于积雪结构的特殊性、表面的不平整以及测量环境包括飘雪、低吹雪、风等因素的干扰,雪深的测量存在很大误差。我国气象部门对降雪量的监测仍然以人工为主,存在劳动成本大、准确度不高和时效性差等问题。超声检测技术以低成本、高灵敏度等优势在生物医学、航空航天、工业无损检测等领域得到了普遍应用。本文将数学建模的思想引入到雪深探测中,根据回波信号模型对雪深超声信号的TOF(Time-of-Flight)估计进行研究分析,提高测量精度。根据课题需要设计了基于超声幅值检测法的积雪回波数据采集装置。主要研究内容体现在以下几个方面:(1)根据声速、声衰减等声学参量的定义,分析理解了超声波在空气中相关声学参量的性质。结合积雪结构特征,研究了超声波在积雪中的传播规律。(2)在分析研究积雪结构的特性基础之上,根据超声回波信号的特点,把数学建模的思想引入到雪深探测中。通过基于希尔伯特变换的方法对回波信号包络进行特征提取。在比较几种超声回波信号模型的优劣之后,提出一种针对信号包络的正余弦模型建模方法,并利用频域分析法和MVSSLMS自适应滤波算法调整模型参数。通过实验表明,该模型对信号包络有较好的拟合优度,并且信息细节保留得较为完整。(3)结合超声雪深测量原理,对影响雪深测量的因素进行研究。分析雪深测量的关键在于TOF估计的准确程度,提出一种基于EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)算法的TOF估计方法,与互相关法相比提高测量精度,其原理是把信号包络分解成细节和主干信息,使用一阶差分方法求解信号梯度变化最大的点。考虑到在实际环境中,积雪结构会发生变化且伴随降雪现象,实验设计利用该方法对超声TOF进行估计,研究不同距离、不同结构反射面和不同密度飘落对TOF估计的影响。(4)按照课题对信号波形的需要设计了超声回波信号采集装置。编写了以STM32为核心的超声波收发控制程序,控制整个系统的工作。发射电路采用推挽电路的设计思想用来产生单频率正弦波。根据定K型滤波器的思想设计了三阶巴特沃斯低通滤波器,并通过低通和高通滤波器串联的方式设计有源带通滤波器。利用温度补偿电路修正声速,提高测量精确度。