CN103792533A - 基于固定点的河道断面多点测流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固定点的河道断面多点测流方法，该方法基于河道上方固定安装的一个雷达测流仪实现，包括步骤：测量得到雷达测流仪所处的海拔高度H及距待测河道断面的垂直距离w；测量得到各个测量点距河道断面上的基准点O的距离；依次顺序对各个测量点进行测流，其中：对每个测量点进行流速测量前，先对雷达测流仪调整其水平朝向，再调整其垂直倾角，以使雷达测流仪的探测方向正对测量点，从而实施测流。本发明河道断面多点测流方法仅基于一个雷达测流仪，通过水平朝向调整以及垂直倾角调整便可对同一河道断面上多个测量点实现多点测流作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种河道流量测算方法，尤指一种基于某个固定点对河道断面多个测量点实现测流的方法。
背景技术
目前，河道表面流量的测量多以测量船载ADCP系统来实现。测量船载ADCP系统虽然具有测流速度快、准确性高、操作方便等优点，但从实际实施中可以发现，当河道中有较多漂浮物、水质浑浊或水流流速过快时，测量船载ADCP系统所得到的测量结果的准确性便会大大降低，甚至无法正常工作。并且，当遇到洪水时，该测量船载ADCP系统也无法对水流流速进行及时的测量。
近几年，随着市面上出现的索道式测流仪，随之产生了一种动态测流方法，该动态测流方法可实现对河道断面的多点测量。但从实际实施中可以发现，在实施这种测流方法之前需要在河道上方安装一个索道，安装索道时需要在河道两边各安装一个固定杆，由此可见，安装索道很麻烦、成本高，并且，由于索道本身有一定的重力，因而索道自身便无法保持成直线，进而造成索道式测流仪不能在直线上运行，使得测量结果会存在一定的偏差，另外还易受风力作用的影响。
对于目前基于固定安装的测流仪实现的已有固定测流方法，其存在如下缺陷：第一，该固定测流方法基于固定安装的测流仪只能对一个测量点进行测流，该测流仪的探测方向不能改变，但是在地形复杂、较宽河道的情况下，河道断面上任一个测量点的流速无法代表河道整个断面的流速情况，在实际中，会通过安装多个测流仪的方式来弥补，但随之会造成设备购置成本的增加。第二，当水位发生变化时，实际测定的测量点会偏离原有河道断面。例如，如图1，基于固定安装的测流仪10实施的固定测流方法始终按固有的设定垂直倾角来进行测流，当水位为水位1时，测量点为A点，当水位从水位1上升至水位2时，实际的测量点变到B点，B点明显偏离了水位1对应的河道断面(原始河道断面)，因而，造成测量结果发生偏差，无法反映原始河道断面的真实流速情况。第三，该固定测流方法无法动态改变测量点，对复杂情况的应变能力低。
由此可见，设计出一种能对同一河道断面上的多个测量点进行测量且测量精度高、偏差小的测流方法是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固定点的河道断面多点测流方法，该方法仅基于一个雷达测流仪，通过水平朝向调整以及垂直倾角调整便可对同一河道断面上多个测量点实现多点测流作业。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于固定点的河道断面多点测流方法，该方法基于河道上方固定安装的一个雷达测流仪实现，该雷达测流仪通过水平旋转可调整水平朝向，以实现对同一河道断面上的多个测量点进行测流，并且该雷达测流仪基于水位变化可调整垂直倾角，以保证始终基于同一河道断面进行测流，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据该雷达测流仪的固定安装位置，得到该雷达测流仪所处的海拔高度H及该雷达测流仪距待测河道断面的垂直距离w；
步骤2：设定对待测河道断面上的n个测量点进行测流，测量得到每个该测量点距河道断面上的基准点O的距离；
步骤3：依次顺序对n个测量点Ai进行测流，i＝1，2，…，n，其中，对每个该测量点的测流包括如下步骤：
步骤a：基于该测量点Ai距该基准点O的距离1i及该垂直距离w，得到该雷达测流仪在水面上的投影点分别与该测量点Ai、基准点O的连线之间的夹角αi，从而基于该夹角ai计算出水平旋转角度，以使该雷达测流仪基于该水平旋转角度进行水平旋转而朝向该测量点Ai所在的方向；
步骤b：将该雷达测流仪所处的海拔高度H与当前水位的海拔高度hsi相减，求得该雷达测流仪距离当前水面的垂直高度hi，从而基于该垂直高度hi以及该雷达测流仪在水面上的投影点与该测量点Ai间的距离Li，求得垂直倾角βi，于是该雷达测流仪基于该垂直倾角βi以及当前倾角在朝向该测量点Ai的纵平面内进行垂直转动，以使该雷达测流仪的探测方向正对该测量点Ai；
步骤c：对该测量点Ai实施流速测量。
所述夹角αi经由公式
算出。
在实际中，对于第一个进行测流的所述测量点，所述水平旋转角度基于所述雷达测流仪的初始水平朝向和针对该第一个进行测流的所述测量点求出的所述夹角求得；对于其它所述测量点，所述水平旋转角度基于针对当前所述测量点及上一个所述测量点分别求出的所述夹角求得。
所述垂直倾角βi经由公式
求得。
优选地，所述雷达测流仪包括测流箱体，该测流箱体的前端安装有多普勒雷达流速传感器、摄像头，该测流箱体内设有测流控制电路，该测流控制电路包括微处理器、倾角传感器，该测流箱体经由倾角调节器活动安装在水平旋转器上，该水平旋转器置于底座上，该倾角调节器、该水平旋转器、该多普勒雷达流速传感器、该摄像头、该倾角传感器与该微处理器连接。
在实际中，所述测量点的当前水位的海拔高度通过所述雷达测流仪上安装的液位传感器获知，或者所述雷达测流仪通过无线传输电路接收所述测量点的当前水位的海拔高度。
在实际中，所述雷达测流仪的当前倾角经由所述倾角传感器测得。
本发明的优点是：
本发明方法仅基于一个雷达测流仪，通过水平朝向调整以及垂直倾角调整便可对同一河道断面上多个测量点实现多点测流作业，其中，对各个测量点的测流借由垂直倾角调节方式消除了因河道水位上升或下降造成的河道断面在水面上的偏移对测量带来的偏差，以及水平旋转造成的弧形偏差，确保了雷达测流仪始终基于同一河道断面进行测流。本发明方法测流速度快、测流结果准确、可靠，多点测流结果可真实反映河道断面的流速情况。
附图说明
图1是基于固定安装的测流仪实施的已有固定测流方法的说明图。
图2是本发明方法的实施流程图。
图3是本发明方法中雷达测流仪所处海拔高度H及其距待测河道断面的垂直距离w的说明图。
图4是本发明方法中待测河道断面上预进行测流的n个测量点的说明图。
图5是本发明方法中对测量点Ai进行测流时夹角αi和垂直倾角βi的求取说明图。
图6是雷达测流仪的一实例图。
图7是雷达测流仪的测流控制电路的组成框图。
具体实施方式
本发明基于固定点的河道断面多点测流方法基于河道上方固定安装的一个雷达测流仪(即固定点)实现，该雷达测流仪的安装位置可灵活设定，例如可安装在河道的中心、河道边上或河道的某一位置上。该雷达测流仪通过水平 旋转可调整其水平朝向(水平朝向是指雷达测流仪基于水平面内的旋转所朝向的方向)，以实现对同一河道断面上的多个测量点进行测流，在实际中，在同一河道断面上的该多个测量点的水位高度可能不同，并且该雷达测流仪基于水位变化可调整垂直倾角(垂直倾角是指雷达测流仪的探测方向与其自身所在竖向方向间的角度，垂直倾角是雷达测流仪在自身探测方向所在纵平面内旋转得到的)，以保证始终基于同一河道断面进行测流。
如图2，本发明基于固定点的河道断面多点测流方法包括如下步骤：
步骤1：根据该雷达测流仪20的固定安装位置，得到该雷达测流仪20所处的海拔高度H及该雷达测流仪20距待测河道断面的垂直距离w(如图3)；
步骤2：设定对待测河道断面上的n个测量点(n为大于1的正整数)进行测流，测量得到每个该测量点距河道断面上的基准点O的距离，例如，如图4，假定要对待测河道断面上的n个测量点A1、A2、A3、…、An进行测流，该测量点A1、A2、A3、…、An分别距基准点O的距离为11、12、13、…、1n；
步骤3：依次顺序(例如从河道断面一端的测量点至河道断面另一端的测量点进行顺序测流)对n个测量点Ai进行测流，i＝1，2，…，n，其中，对每个该测量点的测流包括如下步骤：
步骤a：基于该测量点Ai距该基准点O的距离1i及该垂直距离w，得到该雷达测流仪20在水面上的投影点20’分别与该测量点Ai、基准点O的连线之间的夹角αi(如图5)，从而基于该夹角αi计算出水平旋转角度，以使该雷达测流仪20基于该水平旋转角度进行水平旋转而朝向该测量点Ai所在的方向；
步骤b：将该雷达测流仪20所处的海拔高度H与当前水位的海拔高度hsi相减，求得该雷达测流仪20距离当前水面的垂直高度hi，即hi＝H-hsi，从而基于该垂直高度hi以及该雷达测流仪20在水面上的投影点20’与该测量点Ai间的距离
求得垂直倾角βi(如图5)，于是该雷达测流仪20基于该垂直倾角βi以及当前倾角在朝向该测量点Ai的纵平面(如图5中雷达测流仪20、投影点20’与测量点Ai构成的纵平面)内进行垂直转动，以使该雷达测流仪20的探测方向正对该测量点Ai；
步骤c：对该测量点Ai实施流速测量。
当n个测量点全部测流完毕后，即完成对同一河道断面上的多点测流作业。
在本发明中，海拔高度H是指雷达测流仪20距基准海平面的垂直高度，基准点O是指该雷达测流仪20与待测河道断面所在水面的垂直交点，当前水 位的海拔高度是指当前水面距基准海平面的垂直高度。在实际中，测量得到的海拔高度H、距离1i及垂直距离w这些数据需要输入到雷达测流仪20中。
在本发明中，设定河道的水面呈水平。在本发明中，在计算或测量雷达测流仪20与其它位置间的距离时，将雷达测流仪20视为一点来计算。
在实际测流中，夹角αi经由公式
算出，其中，1i为该测量点Ai距该基准点O的距离，w为雷达测流仪20距待测河道断面的垂直距离。
在实际测流中，对于第一个进行测流的测量点A1，水平旋转角度基于雷达测流仪20的初始水平朝向和针对该第一个进行测流的测量点A1求出的夹角α1求得，例如，若雷达测流仪20的初始水平朝向为与河道断面垂直，则水平旋转角度即为针对该第一个进行测流的测量点A1求出的夹角α1。对于其它测量点，水平旋转角度基于针对当前测量点及上一个测量点分别求出的夹角求得，若当前测量点与上一个测量点位于基准点O的同侧，则将针对当前测量点求出的夹角与针对上一个测量点求出的夹角相减并求绝对值，从而得到水平旋转角度，若当前测量点与上一个测量点位于基准点O的异侧，则将针对当前测量点求出的夹角与针对上一个测量点求出的夹角相加即得到水平旋转角度。
在实际测流中，垂直倾角βi经由公式
求得。
本发明方法可基于如下雷达测流仪来实现，如图6至图7，该雷达测流仪20包括测流箱体201，该测流箱体201的前端安装有多普勒雷达流速传感器104、摄像头102，该多普勒雷达流速传感器104用于探测水流流速，该摄像头102用于拍摄记录测量点的真实场景，该测流箱体201内设有测流控制电路，该测流控制电路包括微处理器101、倾角传感器103，该倾角传感器103用于感知该测流箱体201的真实倾角，以便实时矫正测流箱体201的姿态，该测流箱体201经由倾角调节器202活动安装在水平旋转器203上，该水平旋转器203置于底座204上，该倾角调节器202的控制端口、该水平旋转器203的控制端口、该多普勒雷达流速传感器104的信号端口、该摄像头102的信号端口、该倾角传感器103的信号端口分别与该微处理器101的相应信号端口连接。
如图7，该测流控制电路还可包括无线传输电路109，该无线传输电路109的通讯信号传输端口与微处理器101的相应信号端口连接。该无线传输电路109内装有中国移动通讯公司、中国联合通讯公司或中国电信公司提供的GSM卡、CDMA卡或WCDMA通讯卡，该无线传输电路109可通过短信、3G、4G等通讯方式，经由天线向控制中心上报数据、接收指令以及实现远程开关机、 自动升级固件等。
如图7，该测流控制电路还可包括指示灯电路111，该指示灯电路111的信号端口与微处理器101的相应信号端口连接。该指示灯电路111可包括多个指示灯(例如：运行指示灯、通讯指示灯、电池电压告警指示灯等)，各个指示灯的接线端经由指示灯控制接口分别与微处理器101的相应IO端连接。
如图7，该测流控制电路还可设有时钟电路114、开关110，时钟电路114为微处理器101提供精确的时钟信号，开关110用于控制本发明的开启与关闭。
在实际设计中，水平旋转器203包括设于底座204上的水平旋转直流无刷电机108，该水平旋转直流无刷电机108的传动轴竖向安置且其上安装的减速齿轮与旋转外壳内部连接的联动齿轮齿接，该旋转外壳上活动安装有倾角调节器202，该水平旋转直流无刷电机108的控制信号端口经由电机控制器107与微处理器101的相应信号端口连接。在实际使用时，通过电机控制器107控制水平旋转直流无刷电机108的运行，使得水平旋转直流无刷电机108的传动轴带动减速齿轮转动，从而减速齿轮带动旋转外壳旋转，实现测流箱体201的水平旋转，即实现多普勒雷达流速传感器104的水平朝向调节。在实际中，该水平旋转器203用于水平旋转测流箱体201，配合倾角调节器202，来实现多普勒雷达流速传感器104和摄像头102对同一河道断面上的多个测量点的旋转扫视。需要说明的是，水平旋转器203还可有其它构造，并不局限于上述。
在实际设计中，倾角调节器202包括旋转轴，该旋转轴的一端安装有联动齿轮，该联动齿轮与倾角调节直流无刷电机106的传动轴上安装的减速齿轮齿接，该旋转轴的另一端经由滑轮与旋转外壳旋转连接，测流箱体201固定安装在该旋转轴上，该倾角调节直流无刷电机106的控制信号端口经由电机控制器105与微处理器101的相应信号端口连接。在实际使用时，通过电机控制器105控制倾角调节直流无刷电机106的运行，使得倾角调节直流无刷电机106的传动轴带动减速齿轮转动，从而减速齿轮带动旋转轴旋转，实现对测流箱体201的垂直倾角调节，即实现对多普勒雷达流速传感器104垂直倾角(照射倾角)的调节。在实际中，倾角调节器202的垂直倾角调节目的在于，减小因测流箱体201水平旋转造成的弧形偏差，以及消除因河道水位上升或下降造成的河道断面在水面上的偏移对测量带来的偏差，使多普勒雷达流速传感器104能始终照射在同一河道断面的水面上，保证始终基于同一河道断面进行测流。需要说明的是，倾角调节器202还可有其它构造，并不局限于上述。
在图6至图7中示出的雷达测流仪20中，多普勒雷达流速传感器104、倾角传感器103、电机控制器105和107、无线传输电路109、指示灯电路111、时钟电路114、倾角调节器202、水平旋转器203等均为本领域的已有或熟知器件或电路，故其具体构成不在这里详述。
若采用图6至图7示出的雷达测流仪20，则在本发明方法中，测量点的当前水位的海拔高度可通过雷达测流仪20上安装的液位传感器(图中未示出)获知，或者雷达测流仪20通过无线传输电路109接收测量点的当前水位的海拔高度，而雷达测流仪20的当前倾角可经由倾角传感器103测得。
若采用图6至图7示出的雷达测流仪20，则在本发明中，雷达测流仪20水平朝向的调整即是指通过水平旋转来调整雷达测流仪20上的测流箱体201的水平朝向，雷达测流仪20垂直倾角的调整即是指通过纵平面内垂直转动来调整雷达测流仪20上的测流箱体201的垂直倾角。而对测流箱体201的水平朝向与垂直倾角的调整也即是对多普勒雷达流速传感器104上的探测头的水平朝向与垂直倾角的调整，而本发明的最终目的是使多普勒雷达流速传感器104上的探测头(探测方向)正对测量点，以对测量点进行测流。
需要提及的是，本发明方法还可采用其它构造的雷达测流仪，并不局限于图6至图7中示出的雷达测流仪20。
本发明的优点是：
本发明方法仅基于一个雷达测流仪，通过水平朝向调整以及垂直倾角调整便可对同一河道断面上多个测量点实现多点测流作业，其中，对各个测量点的测流借由垂直倾角调节方式消除了因河道水位上升或下降造成的河道断面在水面上的偏移对测量带来的偏差，以及水平旋转造成的弧形偏差，确保了雷达测流仪始终基于同一河道断面进行测流。本发明方法测流速度快、测流结果准确、可靠，多点测流结果可真实反映河道断面的流速情况。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于固定点的河道断面多点测流方法，该方法基于河道上方固定安装的一个雷达测流仪实现，该雷达测流仪通过水平旋转可调整水平朝向，以实现对同一河道断面上的多个测量点进行测流，并且该雷达测流仪基于水位变化可调整垂直倾角，以保证始终基于同一河道断面进行测流，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据该雷达测流仪的固定安装位置，得到该雷达测流仪所处的海拔高度H及该雷达测流仪距待测河道断面的垂直距离w；
步骤2：设定对待测河道断面上的n个测量点进行测流，测量得到每个该测量点距河道断面上的基准点O的距离；
步骤3：依次顺序对n个测量点Ai进行测流，i＝1，2，…，n，其中，对每个该测量点的测流包括如下步骤：
步骤a：基于该测量点Ai距该基准点O的距离1i及该垂直距离w，得到该雷达测流仪在水面上的投影点分别与该测量点Ai、基准点O的连线之间的夹角αi，从而基于该夹角ai计算出水平旋转角度，以使该雷达测流仪基于该水平旋转角度进行水平旋转而朝向该测量点Ai所在的方向；
步骤b：将该雷达测流仪所处的海拔高度H与当前水位的海拔高度hsi相减，求得该雷达测流仪距离当前水面的垂直高度hi，从而基于该垂直高度hi以及该雷达测流仪在水面上的投影点与该测量点Ai间的距离Li，求得垂直倾角βi，于是该雷达测流仪基于该垂直倾角βi以及当前倾角在朝向该测量点Ai的纵平面内进行垂直转动，以使该雷达测流仪的探测方向正对该测量点Ai；
步骤c：对该测量点Ai实施流速测量。
2.如权利要求1所述的河道断面多点测流方法，其特征在于：
所述夹角αi经由公式
算出。
3.如权利要求1所述的河道断面多点测流方法，其特征在于：
对于第一个进行测流的所述测量点，所述水平旋转角度基于所述雷达测流仪的初始水平朝向和针对该第一个进行测流的所述测量点求出的所述夹角求得；
对于其它所述测量点，所述水平旋转角度基于针对当前所述测量点及上一个所述测量点分别求出的所述夹角求得。
4.如权利要求1所述的河道断面多点测流方法，其特征在于：
所述垂直倾角βi经由公式
求得。
5.如权利要求1至4中任一项所述的河道断面多点测流方法，其特征在于：
所述雷达测流仪包括测流箱体，该测流箱体的前端安装有多普勒雷达流速传感器、摄像头，该测流箱体内设有测流控制电路，该测流控制电路包括微处理器、倾角传感器，该测流箱体经由倾角调节器活动安装在水平旋转器上，该水平旋转器置于底座上，该倾角调节器、该水平旋转器、该多普勒雷达流速传感器、该摄像头、该倾角传感器与该微处理器连接。
6.如权利要求5所述的河道断面多点测流方法，其特征在于：
所述测量点的当前水位的海拔高度通过所述雷达测流仪上安装的液位传感器获知，或者所述雷达测流仪通过无线传输电路接收所述测量点的当前水位的海拔高度。
7.如权利要求5所述的河道断面多点测流方法，其特征在于：
所述雷达测流仪的当前倾角经由所述倾角传感器测得。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: YIN XIANWEN LI YUKUI TO: DONG SHUHUA CAO WEIZHENG LIU XIAOFENG YIN XIANWEN LI YUKUI DU CHUNHUI |
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Denomination of invention: Multi point flow measurement method of river section based on fixed point Effective date of registration: 20210611 Granted publication date: 20160106 Pledgee: Haidian Beijing science and technology enterprise financing Company limited by guarantee Pledgor: BEIJING ELITEL INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021990000517 |
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