CN104535462A - 一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，包括铅鱼、安装于铅鱼内的测量单元及与测量单元连接的计算机，所述测量单元包括照相机、微缩镜头、激光器、反射镜、鲍威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组、超声水深仪、供电单元，所述照相机的前端加装有微缩镜头，所述激光器安装在反射镜的入射光路上，反射镜的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组，柱面凸透镜汇聚的矩形片光通过折射镜组穿过铅鱼下部以照亮铅鱼下部局部水体，位于照相机下方的铅鱼底壳上设有钢化玻璃观测窗，供电单元分别与照相机、激光器和超声水深仪连接。本发明可实现原位的实时测量，能获得即时的测量结果，对河流水沙输移的动态监测具有独特的优势。

Description

一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置及方法

技术领域

本发明涉及水利工程中水文测量的技术领域，具体是一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置及方法。

背景技术

江河中的泥沙主要以悬移质的形式运动，其输移、淤积、冲刷过程对河床演变、水利工程安全运行等都具有重要的影响。

按照《河流悬移质泥沙测验规范》(GB-50159-92)，悬移质浓度主要是在观测断面布设测点，用采样器取水样，再到室内进行分析的方法测定。当含沙浓度大于2.0kg/m³时，可以采用同位素测沙仪原位测量。悬移质级配则需要采集水样后在室内进行分析。

在大水深条件下，细颗粒悬移质泥沙可能以异重流的形式输移，水库异重流排沙是一种有效的减淤运行模式。水流的流速分布为上部流速大，下部流速小；悬移质泥沙浓度的垂线分布则相反，上部浓度小，下部浓度大。在大型水库的洪水过程中，沙峰滞后于洪峰，在排沙调度时，需要抓住时机在洪峰过后、沙峰到达时降低坝前水位排沙。此两种工况都需要实时掌握悬移质泥沙的运移状态，按照《河流悬移质泥沙测验规范》的方法难以满足工程实际的需要。

在现有的仪器中，美国Sequoia Scientific公司生产的激光原位散射透射测量仪(laser in situ scattering and transmissometry(LISST)可以用于野外实时检测。该仪器依据激光衍射的基本原理，利用光经过颗粒边缘时发生衍射来测量颗粒的大小，其基本布置方式是使用单色激光作为光源，穿过数毫米的待测水体，在测量水体后布置傅里叶透镜，并在透镜的后焦面设置由多级不同直径的同心圆环组成的光电探测器，每级圆环接受不同偏离角度的光线，由标定参数可反算出悬移质泥沙的级配。该仪器的前端设置了双层框架支撑傅里叶透镜和光电探测器，检测水团位于框架内部。流体中泥沙悬浮的能量来源于水流的紊动，当在河流等野外流场中使用时，该仪器的外框架将明显改变检测水团的紊动特性，由于泥沙与水体的比重不同，在运动中的惯性力不一样，水流紊动特性的变化将改变泥沙的分布和级配，而这种影响在标定时很难模拟，所以该仪器用于野外实时测量时尚有不足。

发明内容

本发明提供一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置及方法，可以实现原位的实时测量，能获得即时的测量结果，实时掌握悬移质泥沙的运移状态，对河流水沙输移的动态监测具有独特的优势。

一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，包括铅鱼、安装于铅鱼内的测量单元及与测量单元连接的计算机，所述测量单元包括照相机、微缩镜头、激光器、反射镜、鲍威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组、超声水深仪、供电单元，所述照相机的前端加装有微缩镜头，所述激光器安装在反射镜的入射光路上，反射镜的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜、柱面凸透镜、折射镜组，柱面凸透镜汇聚的矩形片光通过折射镜组穿过铅鱼下部以照亮铅鱼下部局部水体，位于照相机下方的铅鱼底壳上设有钢化玻璃观测窗，供电单元分别与照相机、激光器和超声水深仪连接。

如上所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，所述计算机安放在测量船上，用于控制激光器的开启和关闭、照相机的图像采集、传输和储存，进行测量成果的分析并生成检测报表。

一种原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其应用上述装置进行测量，具体包括如下步骤：

步骤一、将测量船定位在待测断面的测线上，用绞车放下铅鱼，在一定的水深处悬停，用超声水深仪测量铅鱼以上的水深后计算测点的高程；

步骤二、开启激光器，所述激光器发出的激光光束向后发射，经反光镜使光束折返180度，穿过鲍威尔棱镜扩展成扇形片光，再用柱面凸透镜汇聚成矩形片光，最后用折射镜组穿过铅鱼下部将矩形片光导入铅鱼下部的局部水体；

步骤三、照相机通过下方的钢化玻璃观测窗拍摄连续拍摄图像并储存在照相机的储存卡中，然后通过通讯电缆将照相机内的图像传输至测量船上的计算机中；

步骤四、计算机将采集的图像逐帧进行处理，得出悬移质颗粒的投影面参数，用颗粒的等容面积换算颗粒直径，从图像中总体颗粒的面积推算含沙浓度，根据颗粒直径计算悬移质的级配。

如上所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，所述步骤四具体为：

对采集的图像进行图形二值化，分割出泥沙占据的像素，根据泥沙占据的像素计算每个泥沙颗粒的面积A_p，并按面积大小进行分级，设第i级颗粒每颗沙的面积为A_ip，相应的颗粒直径D_i根据公式(1)计算得出：

$D_i=\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

在面积A的全幅图像中有N_i个颗粒，假定颗粒在流场中均匀分布，则平均A/N_i的面积上有一颗沙，颗粒中心的平均距离为颗粒之间的长度为S_i＝L_i-D_i；

定义线性浓度为λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{D}{S}$

对第i级颗粒：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{D_i}{S_i}=\frac{\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}{\sqrt{A/N_i}-\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}=\frac{1}{\frac{\sqrt{A/N_i}}{\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}-1}=\frac{1}{\sqrt{\frac{\mathrm{\πA}}{4A_{\mathrm{ip}}{N}_i}}-1}---\left(2\right)$

含沙浓度C_Vi与线性浓度λ的关系：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{{\left(\frac{0.74}{C_{\mathrm{Vi}}}\right)}^{1/3}-1}---\left(3\right)$

通过连续采集图像分析及式(2)和(3)，即可得出水体各级粒径的直径D_i、含沙浓度C_vi、以及颗粒级配参数。

本发明相对于传统的水文测验用悬移质采样器在河流中采集水样，再到室内进行浓度测量和颗粒分析，工作量大为减少，而且本发明实现了原位的实时测量，能获得即时的成果，对河流水沙输移的动态监测(如异重流运动跟踪监测、洪峰沙峰错时发生等)具有独特的优势。

附图说明

图1是本发明原位实时测量悬移质浓度和级配的装置中铅鱼的结构示意图；

图2是本发明的原理框图。

图中：1—铅鱼，2—悬挂钩，3—照相机，4—微缩镜头，5—激光器，6—反射镜，7—鲍威尔棱镜，8—激光光路，9—柱面凸透镜，10—折射镜组，11—超声水深仪，12—供电单元，13—尾翼，14—计算机，15—钢化玻璃观测窗。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参见图1及图2，本发明提供一种实时测量悬移质浓度和级配的装置，包括铅鱼1、安装于铅鱼1内的测量单元及与测量单元连接的计算机14。所述铅鱼1参考水文规范的定型产品设计，即一种用金属铅或铅铁混合铸造成的具有一定重量和细长比、外形呈流线型鱼身结构的水文测验器具，所述铅鱼1内空，所述测量单元安装于铅鱼1内，铅鱼1鱼身的背部安装有悬挂钩2，鱼身的尾部安装用于保证铅鱼正对来流方向的尾翼13，供电电缆和通讯电缆沿悬挂钢缆引入铅鱼1中。本实施例中铅鱼1的长300cm，宽150mm，高120cm，下部扁平，位于照相机3下方的铅鱼1底壳上设有钢化玻璃观测窗15。所述测量单元包括照相机3、微缩镜头4、激光器5、反射镜6、鲍威尔棱镜7、柱面凸透镜9、折射镜组10、超声水深仪11、供电单元12。

所述计算机14安放在测量船上，负责操作和控制测量单元各部件的实际运行，如激光器5的开启和关闭、照相机3的图像采集、传输和储存，进行测量成果的分析并生成检测报表。

所述测量单元中的照相机3选用高分辨率的民用照相机，例如选用索尼α7R单电相机，其具有3640万有效像素，32G内存，最高分辨率7360×4912，CMOS传感器全画幅尺寸35.9×24mm2，像素尺寸4.8×4.8μm²，外形尺寸：126.9×94.4×48.2mm³。

所述照相机3的前端加装有微缩镜头4，本实施例微缩镜头4选用尼康1尼克尔10mm f/2.8广角镜头，尺寸Φ55.5×22。加工专门接口，将镜头与索尼α7R照相机配合反向安装。初步测试表明，全画幅拍摄的图像尺寸约为4×3mm2，畸变很小。

实景图像的分辨率为7360/4000＝1.84Pixel/μm，在悬移质泥沙级配测验中，最小颗粒直径级为2μm，则一颗最细的泥沙约8个像素，可以较准确地测定悬移质泥沙的级配。根据图像平面泥沙所占的面积比换算泥沙的体积浓度。

所述激光器5安装在反射镜6的入射光路上，反射镜6的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜7、柱面凸透镜9、折射镜组10，如图1所示，所述折射镜组10为两片平行相对设置且倾斜的反射镜，其中一片反射镜朝向柱面凸透镜9的出射光路，另一片反射镜的出射光路位于铅鱼1下部。

所述激光器5可选用北京镭志威光电技术有限公司生产的新520nm-OEM-1W激光器，外形尺寸100×43×26，波长520nm，功率1W。激光器出口光斑直径小于1.0mm，发散角小于5mrad。激光器5在铅鱼1中平躺安装。

所述激光器5发出的激光光束向后发射，经反光镜6使光束折返180度，穿过鲍威尔棱镜7扩展成扇形片光，再用柱面凸透镜9汇聚成6mm宽的矩形片光，最后用折射镜组10穿过铅鱼1下部将矩形片光导入铅鱼1以下3～5mm后水平向前发射以照亮局部水体。

供电单元12分别与照相机3、激光器5和超声水深仪11连接，为各个单元提供工作电源。

本发明装置的使用过程说明如下：

在测量船上安装计算机14，用钢丝绳悬挂铅鱼1。将测量船定位在待测断面的测线上，用绞车放下铅鱼1，在一定的水深处悬停，用超声水深仪11测量铅鱼以上的水深后计算测点的高程。开启激光器5，矩形片光照亮铅鱼1下部的局部水体，照相机3连续拍摄图像并储存在照相机3的储存卡中，每个测点采集约800张图像，大致每秒钟拍摄一张图像，持续采样时间约15分钟。

每张照片36.4M，则一个测点的数据接近照相机1的内存容量，即一个测点采集完成后，需要通过通讯电缆将照相机1内的图像传输至测量船上的计算机14，然后清空照相机储存卡。改变铅鱼的深度，进行下一个测点的图像采集。在该测线上所有测点采集完后，移动测量船，进行下一条测线的采集，直至完成全断面的测量。如需要动态的即时检测，则采集100帧图像即可快速得出分析结果。

数据处理过程如下：将采集的图像逐帧进行处理，得出悬移质颗粒的投影面参数，用等容面积换算颗粒直径，根据颗粒图像测算颗粒的形态参数，如圆度、球度、形状系数等，从图像中总体颗粒的面积推算含沙浓度；根据颗粒直径计算悬移质的级配。

将每个测点的全部图像的解译数据总体平均，得出该测点的含沙浓度和级配，并进一步求出垂线含沙浓度分布，全断面加权平均则可得到断面输沙率、平均级配等基础数据。

本发明还提供一种原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其应用上述装置进行测量，具体包括如下步骤：

步骤一、将测量船定位在待测断面的测线上，用绞车放下铅鱼1，在一定的水深处悬停，用超声水深仪11测量铅鱼以上的水深后计算测点的高程；

步骤二、开启激光器5，所述激光器5发出的激光光束向后发射，经反光镜6使光束折返180度，穿过鲍威尔棱镜7扩展成扇形片光，再用柱面凸透镜9汇聚成6mm宽的矩形片光，最后用折射镜组10穿过铅鱼下部将矩形片光导入铅鱼1下部的局部水体；

步骤三、照相机3通过下方的钢化玻璃观测窗15拍摄连续拍摄图像并储存在照相机3的储存卡中，然后通过通讯电缆将照相机1内的图像传输至测量船上的计算机14中；

步骤四、计算机14将采集的图像逐帧进行处理，得出悬移质颗粒的投影面参数，用颗粒的等容面积换算颗粒直径，从图像中总体颗粒的面积推算含沙浓度，根据颗粒直径计算悬移质的级配。

下面对步骤四中数据处理过程进行详细说明：

采用matlab的内部函数im2bw对采集的图像进行图形二值化，分割出泥沙占据的像素，利用regionprops函数根据泥沙占据的像素计算每个泥沙颗粒的面积A_p(即等容面积)，并按面积大小进行分级，设第i级颗粒每颗沙的面积为A_ip，相应的颗粒直径Di根据公式(1)计算得出：

$D_i=\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

在面积A(即总体颗粒的面积)的全幅图像中有N_i个颗粒，假定颗粒在流场中均匀分布，则平均A/N_i的面积上有一颗沙，颗粒中心的平均距离为颗粒之间的长度为S_i＝L_i-D_i。

定义线性浓度为λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{D}{S}$

对第i级颗粒：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{D_i}{S_i}=\frac{\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}{\sqrt{A/N_i}-\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}=\frac{1}{\frac{\sqrt{A/N_i}}{\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}-1}=\frac{1}{\sqrt{\frac{\mathrm{\πA}}{4A_{\mathrm{ip}}{N}_i}}-1}---\left(2\right)$

含沙浓度C_Vi与线性浓度λ的关系：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{{\left(\frac{0.74}{C_{\mathrm{Vi}}}\right)}^{1/3}-1}---\left(3\right)$

通过连续采集图像分析及式(2)和(3)，即可得出水体各级粒径的直径D_i、含沙浓度C_vi、以及颗粒级配等参数。

根据垂线不同测点信息，可进一步求出垂线含沙浓度分布，全断面加权平均则可得到断面输沙率、断面平均级配等数据。

根据颗粒图像还可以利用regionprops函数测算颗粒的等效半径、质心、长短半轴、圆度、球度等一系列参数。

Claims (4)

1.一种原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，其特征在于：包括铅鱼(1)、安装于铅鱼(1)内的测量单元及与测量单元连接的计算机(14)，所述测量单元包括照相机(3)、微缩镜头(4)、激光器(5)、反射镜(6)、鲍威尔棱镜(7)、柱面凸透镜(9)、折射镜组(10)、超声水深仪(11)、供电单元(12)，所述照相机(3)的前端加装有微缩镜头(4)，所述激光器(5)安装在反射镜(6)的入射光路上，反射镜(6)的出射光路上依次安装有鲍威尔棱镜(7)、柱面凸透镜(9)、折射镜组(10)，柱面凸透镜(9)汇聚的矩形片光通过折射镜组(10)穿过铅鱼(1)下部以照亮铅鱼(1)下部局部水体，位于照相机(3)下方的铅鱼(1)底壳上设有钢化玻璃观测窗(15)，供电单元(12)分别与照相机(3)、激光器(5)和超声水深仪(11)连接。

2.如权利要求1所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的装置，其特征在于：所述计算机(14)安放在测量船上，用于控制激光器(5)的开启和关闭、照相机(3)的图像采集、传输和储存，进行测量成果的分析并生成检测报表。

3.一种原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其特征在于：其应用权利要求1或2所述装置进行测量，具体包括如下步骤：

步骤一、将测量船定位在待测断面的测线上，用绞车放下铅鱼(1)，在一定的水深处悬停，用超声水深仪(11)测量铅鱼以上的水深后计算测点的高程；

步骤二、开启激光器(5)，所述激光器(5)发出的激光光束向后发射，经反光镜(6)使光束折返180度，穿过鲍威尔棱镜(7)扩展成扇形片光，再用柱面凸透镜(9)汇聚成矩形片光，最后用折射镜组(10)穿过铅鱼下部将矩形片光导入铅鱼(1)下部的局部水体；

步骤三、照相机(3)通过下方的钢化玻璃观测窗(15)拍摄连续拍摄图像并储存在照相机(3)的储存卡中，然后通过通讯电缆将照相机(1)内的图像传输至测量船上的计算机(14)中；

步骤四、计算机(14)将采集的图像逐帧进行处理，得出悬移质颗粒的投影面参数，用颗粒的等容面积换算颗粒直径，从图像中总体颗粒的面积推算含沙浓度，根据颗粒直径计算悬移质的级配。

4.如权利要求3所述的原位实时测量悬移质浓度和级配的方法，其特征在于所述步骤四具体为：

对采集的图像进行图形二值化，分割出泥沙占据的像素，根据泥沙占据的像素计算每个泥沙颗粒的面积A_p，并按面积大小进行分级，设第i级颗粒每颗沙的面积为A_ip，相应的颗粒直径D_i根据公式(1)计算得出：

$D_i=\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

在面积A的全幅图像中有N_i个颗粒，假定颗粒在流场中均匀分布，则平均A/N_i的面积上有一颗沙，颗粒中心的平均距离为颗粒之间的长度为S_i＝L_i-D_i；

定义线性浓度为λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{D}{S}$

对第i级颗粒：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{D_i}{S_i}=\frac{\sqrt{{4A}_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}{\sqrt{A/N_i}-\sqrt{4A_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}=\frac{1}{\frac{\sqrt{A/N_i}}{\sqrt{{4A}_{\mathrm{ip}}/\mathrm{\π}}}-1}=\frac{1}{\sqrt{\frac{\mathrm{\πA}}{{4A}_{\mathrm{ip}}{N}_i}-1}}---\left(2\right)$

含沙浓度C_Vi与线性浓度λ的关系：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{{\left(\frac{0.74}{C_{\mathrm{Vi}}}\right)}^{1/3}-1}---\left(3\right)$

通过连续采集图像分析及式(2)和(3)，即可得出水体各级粒径的直径D_i、含沙浓度C_vi、以及颗粒级配参数。