CN106370563A - 利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光测量模型上多点含沙量的方法和装置属于水力学模型试验领域，其中方法包括水体含沙量与激光照片关系率定，水体含沙量测量，水体含沙量计算和水体中泥沙运动速度计算；装置包括：图像采集模块、同步模块、激光器、反射镜，上述的图像采集模块包括内窥镜、曝光器。本发明的有益效果在于：1、消除水体扰动，获得泥沙的垂向分布特征；2、提高了在模型试验中测量含沙量的效率；3、能够获得泥沙的运动速度；4、一种全新的泥沙含量测量解决方案。

Description

利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法和装置
技术领域
本发明公布一种测量含沙量的方法和装置，尤其是利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法和装置，属于水力学模型试验领域。
背景技术
在模型上进行的水流挟沙量和含沙量的测量，通常采用与原型上一样的方法进行。原型上一般利用悬沙采样桶，在不同的位置进行采样，将采样的得到的含沙水进行沉淀，干燥称重，计算单位体积水体的含沙量。在模型上一般直接用舀取目标位置的水体，同样进行沉淀，干燥称重，计算单位体积水体的含沙量。但是这样的测量计算方式对模型试验而言存在两个缺陷：
1、采样过程中的扰动，会淡化甚至抹平垂向差别；由于模型中水深较浅，当在模型上进行悬沙采样时使用任何器具舀取水体都会造成水体在垂向上的掺混，获得的测量结果往往无法区分泥沙的垂向分布特征；
2、在模型试验中测量得含沙量过程复杂，数据获取慢；
3、无法获得泥沙的运动速度；
4、获取的泥沙浓度一般为采样桶取样点的单点泥沙浓度，无法获得断面上的泥沙空间分布特征。
针对以上4个缺陷，本发明从一个全新的角度出发，提出了一种完全不同于现有含沙量测量方法的新的技术方案，能够弥补以上缺陷。
发明内容
本发明公开了一种利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法，用来弥补现有模型中泥沙含量测量不准确和工艺复杂的缺陷以及泥沙运动特征几乎无法测量的缺陷，并公开了基于这种方法的测量装置。
本发明一种在模型上测量含沙量的方法，其特征在于，该方法包括：
1)仪器布设；是指在试验开始前，将光学法测量模型垂向断面泥沙浓度装置布置在模型上将要测量含沙量的位置；
2)激光照片拍摄：利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度装置对试验区域进行拍照，获得激光照片；
3)水体含沙量与激光照片关系率定；水体含沙量测量采用传统取样杯方法，激光照片中的特征量采用昊控技术研发的泥沙浓度算法获取；
4)水体含沙量测量；在试验开始后，当测量位置泥沙运动状态达到测量要求时，利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度装置对待测位置进行拍照；
5)水体含沙量计算；利用2)中获取的标定数据与昊控技术研发的泥沙浓度算法进行含沙量计算；；
6)水体中泥沙运动速度计算；利用现有的PIV技术进行泥沙运动速度计算。
上述的步骤2)水体含沙量与激光照片关系率定，是指在试验开始后首先根据模型试验中预计的含沙量上下限，按照每秒增加0.1g/L的浓度增加值，渐次投入模型沙，并按照不低于2Hz的频率进行连续拍照，直到模型中待测位置的含沙量达到预计含沙量上限；同时在拍照位置设置取样杯，将拍照获得的照片特征量与含沙量进行匹配，得出不同特征量对应的含沙量浓度。
上述的照片特征量包括：照片亮度、照片明暗对比度、照片中泥沙颗粒的成像密度和大小。
上述的连续拍照是指，利用激光对待测区域进行垂直方向扫描，同时光纤相机进行曝光；激光扫描频率按照PIV测量要求进行。
进一步地，本发明公开了光学法测量模型垂向断面泥沙浓度装置，包括：图像采集模块、同步模块、激光器、反射镜，上述的图像采集模块包括内窥镜、曝光器。
所述的内窥镜包括：电子内窥镜和光纤内窥镜；
所述光纤内窥镜包括：多个光纤镜头、光纤、感光器，光纤镜头成像后通过光纤将图像传递给感光器，感光器在曝光器的控制下进行曝光，并将曝光后的电信号传递给图像采集模块。
所述的电子内窥镜包括：多个镜头、感光器、传输线路，镜头成像后曝光器控制感光器将光信号转化为电信号通过传输线路传输给图像采集模块；
所述的曝光器与激光器通过同步模块相互连接，在曝光过程中同步模块激发激光器按PIV控制曝光预定程序发光。
本发明的有益效果在于：
1、消除水体扰动，获得泥沙的垂向分布特征；
2、提高了在模型试验中测量含沙量的效率；
3、能够获得泥沙的运动速度；
4、一种全新的泥沙含量测量方式。
附图说明
图1本发明装置内窥镜为光纤内窥镜示意图；
图2本发明装置内窥镜为电内窥镜示意图；
图3本发明装置获取的泥沙分布激光照片。
实施例1
本发明公开了光学法测量模型垂向断面泥沙浓度装置，包括：图像采集模块1、同步模块2、激光器3、反射镜4，上述的图像采集模块包括内窥镜5、曝光器。
所述的内窥镜5为光纤内窥镜；
所述光纤内窥镜包括：多个光纤镜头51、光纤52、感光器，光纤镜头51；所述的激光器3发出激光6，激光6照射泥沙后在感光器上成像，成像后通过光纤将图像传递给感光器，感光器在曝光器的控制下进行曝光，并将曝光后的电信号传递给图像采集模块1；
实施例2
本发明公开了光学法测量模型垂向断面泥沙浓度装置，包括：图像采集模块1、同步模块2、激光器3、反射镜4，上述的图像采集模块包括内窥镜5、曝光器。
所述的内窥镜5为电子内窥镜；
所述的电子内窥镜包括：多个镜头61、感光器、传输线路62，镜头61；所述的激光器3发出激光6，激光6照射泥沙后在感光器上成像，成像后曝光器控制感光器将光信号转化为电信号通过传输线路62传输给图像采集模块1；
所述的曝光器与激光器3通过同步模块2相互连接，在曝光过程中同步模块2激发激光器按PIV控制曝光预定程序发光。

Claims (9)

1.利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法和装置，其特征在于:该方法包括以下步骤：
1)仪器布设；是指在试验开始前，将激光测量含沙量装置布置在模型上将要测量含沙量的位置；
2)水体含沙量与激光照片关系率定；水体含沙量测量采用传统取样杯方法，激光照片中的特征量采用昊控技术研发的泥沙浓度算法获取；
3)水体含沙量测量；在试验开始后，当测量位置泥沙含量基本稳定后，利用内窥镜对待测位置进行拍照；
4)水体含沙量计算；利用2)中水体含沙量与激光照片关系率定结果对上述测量结果进行含沙量插值计算，通过颗粒数或者灰度值计算含沙量值；
5)水体中泥沙运动速度计算；利用现有的PIV技术进行泥沙运动速度计算。
2.根据权利要求1所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法，其特征在于：所述的步骤2)水体含沙量与激光照片关系率定，是指在试验开始后首先根据模型试验中预计的含沙量上下限，按照每秒增加0.1g/L的浓度增加值，渐次投入模型沙，并按照不低于2Hz的频率进行连续拍照，直到模型中待测位置的含沙量达到预计含沙量上限；同时在拍照位置设置取样杯，将拍照获得的照片特征量与含沙量进行匹配，得出不同特征量对应的含沙量浓度。
3.根据权利要求1所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法，其特征在于：所述的激光照片中的特征量包括：照片亮度、照片明暗对比度、照片中泥沙颗粒的成像密度和大小。
4.根据权利要求1所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的方法，其特征在于：所述的连续拍照是指，利用激光对待测区域进行垂直方向扫描，同时内窥镜进行拍照；激光扫描频率按照PIV测量要求进行。
5.利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的装置，其特征在于：包括：图像采集模块、同步模块、激光器、反射镜，上述的图像采集模块包括内窥镜、曝光器。
6.根据权利要求5所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的装置，其特征在于：所述的内窥镜包括：电子内窥镜和光纤内窥镜。
7.根据权利要求6所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的装置，其特征在于：所述光纤内窥镜包括：多个光纤镜头、光纤、感光器，光纤镜头成像后通过光纤将图像传递给感光器，感光器在曝光器的控制下进行曝光，并将曝光后的电信号传递给图像采集模块。
8.根据权利要求6所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的装置，其特征在于：所述的电子内窥镜包括：多个镜头、感光器、传输线路，镜头成像后曝光器控制感光器将光信号转化为电信号通过传输线路传输给图像采集模块。
9.根据权利要求5所述的利用光学法测量模型垂向断面泥沙浓度的装置，其特征在于：所述的曝光器与激光器通过同步模块相互连接，在曝光过程中同步模块激发激光器按PIV控制曝光预定程序发光。
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