高速铁路雪深监测系统设计与试验(3)
要得出超声波传感器到雪面的距离，需要有超声波传播的速度和发射到接收的时间。超声波在空气中传播的速度与空气的温度有关，在理想的气体中，超声波传播的速度为：
（2.1）
其中： ：空气的定压比热容与定容比热容之比，约为1.4
:气体普适常数，空气约为
:摩尔质量，空气约为
:热力学温度，单位K（开尔文）
在式（2.1）中， 为恒定的常数， 和 的变化比较微笑，一般也可以看作常数。对传播速度的影响较大的是热力学温度 ，摄氏温度 与热力学温度 之间的换算为：
（2.2）
将式（2.2）代入到式（2.1）中为：
(2.3)
超声波传感器安装位置如图2.1所示，超声波传感器向下发出一束锥角顶角约为22°的脉冲，在没有积雪时，测量到的高度数值为 ，当有积雪覆盖时，测量到的积雪深度为 ，则积雪深度为：
（2.4）
图2.1 超声波传感器测量积雪深度图解
安装完毕时， 为定值不再改变，超声波传感器测量的是发出脉冲的时间 和接收到脉冲的时间 以及通过温度传感器测得的温度 。所以雪深 的计算公式为：
(2.5)
2.2 激光测量雪深
2.2.1 激光的物理性质与应用
1916年爱因斯坦在“光与物质相互作用”的新理论中首次提出了激光的概念：在组成物质的原子中，不同能量的电子分布在不同的能级中，当位于高能级的电子受到外界激发，会从所在的高能级跃迁到低能级上，并同时向外辐射出光子，甚至可以用弱光获得强光，这便是激光的产生。1960年，梅曼研制出世界上第一台激光器，是采用高强闪光灯管激发红宝石产生的。
由激光器产生的激光方向性非常好，始终向着一个方向射出，发散度只有0.001弧度左右。激光能量极高，光斑极小，其亮度是太阳光的百万倍，单位面积中聚集的能量非常高。激光的颜色由其波长（或频率）决定，由于电子跃迁的能级具有固定的数值，由：
（2.6）
:能量，单位 (焦耳)或 (电子福特)
：普朗克常量，值约
：光线频率，单位 (赫兹)或
式（2.6）中， 和 都是定值，所以频率 也是一个定值，即激光中各光子的频率都相同，激光保持同一种颜色，即单色性。
激光虽然出现较晚，但发展非常迅速，目前在军事、医学和通讯方面应用较广。激光在军事上广泛被利用在瞄准、测距、跟踪等方面。现今比较热门的激光武器就是利用激光的方向性好和能量密度极高的特性研制的。激光在医疗方面用于诊断和治疗，激光美容和光动力治疗是人们比较熟悉的项目。信息通过光调制器加载在激光中，通过光学天线发送并由光检测器接收，最终转换成电信号读取信息。激光通信距离较短，一般为几公里。