CN107229053B - 一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法及装置，能够精确地测量出某一小范围内的水流速度，并不受水下水流速度不均匀和环境的影响；然后结合定位系统获得的地理信息，以及所测量出的三维流速信息，利用信息融合和三维显示等技术来建立一个基于具体地理位置信息的水体三维速度可视化系统，它不仅可以呈现出河海各处的经度，纬度，海拔高度等地理位置信息，还能呈现出河海水域中的三维水流速度信息，从而更加高效、准确地获取河海三维水体流速的基础水文数据，实现了对水体三维速度的精确测量以及可视化。

Description

一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法及装置

技术领域

本发明涉及水体三维速度检测技术领域，特别涉及一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法及装置。

背景技术

河海水体的三维速度指的是河海中水下的水流三维速度，通过对河海水体三维速度的确定，可以更好地分析河流流量及入海河流水体的交换情况，从而有助于进一步了解河流入海口的水环境承载力、河海环境变化规律等状况。同时，很多河流入海口(如珠江口)由多条支流汇集，水下的水文水体环境复杂，如果能够获得水下水流的三维情况和水动力生态模型，则可以准确推断出河海中水流交换，对污染传播定位、预警等方面都具有重要的现实意义。除此之外，近海水体流动会引起海洋盐度、海水营养物等海洋物质的运输，获知河海水下的水流三维情况对渔业生产也具有重要的指导意义。因此，河海水体三维速度的测量对河海中的水环境保护，安全防护和对一些河海周边的产业发展都有着至关重要的作用。

目前，对水体的流动速度测量主要分为三类方法。

第一类方法是通过机械装置来进行水体流动速度的测量，它是利用轮轴旋转信息来进行水流速与方向的测量的。这类方法主要包括机械式速度测量、测速发电机型速度测量、霍尔数字式转速测量、磁感式车速测量、脉冲式转速传感器速度测量等方法。此类方法需要在测量目标位置上安装测量装置，使用不便，并且测量效率不高。

第二类方法是利用图像处理技术来进行水体流动速度的测量。此类方法在光线不好的环境下不能正常工作，同时它只能测量表面流速。

第三类方法是利用声波的多普勒效应进行速度测量，它向水下发射特定频率的声波，通过测定接收到的声波频率变化来计算水体流动的速度，其中最经典的装置就是声学多普勒海流剖面仪(ADCP)。四波束正交配置的ADCP向水下4个不同方向发射声波，根据接收回来的声波频率变化测得某一深度的水流速度。ADCP假定在同一深度的水体流动速度都是相同的，而实际上许多水域中的水体流动速度是不均匀不稳定的，同一深度的水体流速并不相同，因此ADCP在一些水流速度不均匀的水域中测量的精度并不高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法，能够精确地测量出某一小范围内的水流速度，并不受水下水流速度不均匀和环境的影响。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述方法的检测装置。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法，包括以下步骤：

S1、确定探测区域并选取好起始测量点；

S2、确定测量点的具体地理位置信息和水深；

利用定位系统获取测量点的具体地理位置信息；

在水面上的测量点放置一个超声波发射器和一个超声波接收器，两者间的距离为d，使用超声波发射器向水底正下方发射超声波，并利用超声波接收器接收反射回来的声波信号，从超声波接收器中得到声波信号的能量图；

能量图中波峰值最高的波峰对应的时间τ即为声波在水底表面反射时的往返时间τ_max；设测量点所处位置的最大深度为H_max，则H_max满足：

整理上式可得最大深度H_max为：

其中c为超声信号在水中的传播速度；

S3、将测量点所处位置的最大深度H_max进行分层；

将最大水深H_max分层，由于每个测量点处的水深可能不同，因此为了让每个测量点处的水深进行分层后每层的深度都一样，令每一层的深度为L，设层数为P，则有：

其中，

为向下取整符号，那么第p层的深度为：

H_p＝pL(p＝1,2,…,P)；

S4、对测量点所处位置下的每一层水域的三维水流速度进行测量；

在水面测量点处放置一个超声波发射器和M个超声波接收器，M≥3，M个超声波接收器与超声波发射器的之间距离都为d；超声波发射器将向水底正下方发射频率为f_s的单频超声波信号；

三维水流速度测量包含以下步骤：

S4-1、选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系；超声波发送器的位置坐标为(0,0,0)，第i个超声波接收器的位置坐标为R_i(x_i,y_i,z_i)，并且有

其中i＝1,2,3...；超声波发射器向水底正下方发射的超声波，在第p(p＝1,2,…,P)层发生反射时反射点的位置坐标为M_p(0,0,H_p)，反射点处的水体流动速度为v_wp；

S4-2、计算声波信号到第p层反射点M_p时的频率f_p；

由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，接收点M_p的接收频率f_p与发射频率f_s之间关系为：

其中，c为超声信号在水中的传播速度，v_WP为发射点与第p层反射点M_p之间的相对运动速度，由于发射点静止，因此v_WP即为反射点M_p处的水流速度，方向为接收点至发射点的方向；

设第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的水流速度为：

其中，v_wpx,v_wpy,v_wpz分别代表反射点M_p的水流速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；

发射点O的坐标为(0,0,0)，第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的坐标为(0,0,H_p)，α_p,β_p,γ_p分别为向量

与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时

则O→M_p方向上的单位向量可表示为：

其中，

那么，第p层反射点M_p处的水流速度在M_p→O方向上的速度为：

由于声波信号在由发射点O到第p层反射点M_p的过程中，超声波发射器没有运动，可以推导出第p层反射点M_p接收到的频率f_p为：

S4-3、计算声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi；

第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的坐标为(0,0,H_p)，接收点R_i(x_i,y_i,z_i)为M个超声波接收器当中的其中之一，α_pi,β_pi,γ_pi分别为向量

与坐标轴X,Y,Z的夹角，则M_p→R_i方向上的单位向量可表示为：

其中，

并且可由位置M_p的坐标和接收器的坐标R_i(x_i,y_i,z_i)求出；

那么，第p层反射点M_p处的水流速度在M_p→R_i方向上的速度为：

由于声波信号在第p层反射点M_p到超声波接收器R_i的过程中，超声波接收器R_i没有运动，则由多普勒公式可推导出超声波接收器R_i接收到的频率f_pi为：

可得超声波接收器R_i接收到的频率f_pi为：

进一步有：

S4-4、获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi；

因为第p层的深度为H_p＝pL(p＝1,2,…,P)已知，设声波信号在第p层反射点M_p反射时的往返时间为τ_p，则有：

整理可得：

因为M个超声波接收器与超声波发射器的距离都为d，所以在反射点M_p上反射波达到M个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τ_p，M个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点M_p上反射的波，从而在τ_p时刻，利用频率估计算法对M个超声波接收器接收到的声波信号进行频率估计，即可获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi，取其中的3个接收器，则i＝1,2,3，得到f_p1,f_p2,f_p3；

S4-5、三维水流速度；

将f_p1,f_p2,f_p3代入步骤S4-3中得到的公式，得到含有三个方程、三个未知数的方程组，如下所示：

求解此方程组可以得到v_wpx,v_wpy,v_wpz的值，即可得到第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的水流速度v_wp；

以此反射点M_p的水流速度v_wp来表示反射点M_p附近一块区域的三维水流速度；

S5、信息融合与三维显示；

在探测区域中将测量点的具体地理位置信息标记出来，同时也将测量点处的水体三维流速信息标记出来，以此完成两个信息的融合；

最后再利用三维显示技术将这些信息在显示屏上三维显示出来，从而建立一个基于具体地理位置信息的水体三维速度可视化系统；

S6、更换测量位置；

将测量位置转移至下一个测量点，并重复步骤S1至步骤S5的步骤，以此来丰富可视化系统的信息量，直至测量停止。

优选的，步骤S2中的定位系统为全球定位系统或者局部定位系统。

优选的，测量点的具体地理位置信息包括测量点所处位置的纬度、经度和海拔高度。

一种基于上述检测方法的检测装置，包括：操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块、显示模块和电源模块；电源模块与其他模块相连，为这些模块供电；

操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连，处理模块与AD转换模块相连，AD转换模块与收发模块相连；

收发模块包括一个超声波发射探头和三个超声波接收探头，每个超声波接收探头与超声波发射探头的距离相等；

操作者确定好探测区域后，将装置放在选定好的起始测量点处；先通过定位模块获取该测量点的地理位置，并将其具体地理位置信息传送给操作模块；然后通过操作模块输入指定的参数，使处理模块产生所需要的数字信号，该数字信号经过AD转换模块将其转换成模拟信号后，传送给收发模块，超声波发射探头将对其进行发射；

发送模块中的超声波接收探头接收到反射回来的声波信号并将其传送给AD转换模块，信号转换为数字信号后传送给处理模块，处理模块处理这些数字信号从而获得每个超声波接收器上的声波信号频率大小，声波能量图，并计算出测量点处每一层水域中的三维水流速度，同时，处理模块将得到的这些信息传回给操作模块；

接着，操作模块将定位模块传回的测量点的具体地理位置信息和处理模块传回的每个测量点的三维流速信息进行融合，同时显示模块利用三维显示技术将该测量点的融合信息在显示模块中显示出来，从而得到河海水体三维流速可视化系统；

最后将装置依次转移至下一个测量点处进行测量，并将测量点处的地理位置信息和三维水流速度信息在它们融合之后同样在水体三维流速可视化系统中显示出来，以丰富可视化系统信息，直至测量停止。

优选的，操作模块包括一个PC机，能够用于人机交互、参数选择以及信息融合。

优选的，定位模块包括一个定位单元，能够通过该定位单位确定测量点的地理信息位置。

优选的，显示模块包括一块LCD显示屏。

优选的，处理模块包括一个数字信号处理器。

具体的，数字信号处理器可用DSP芯片或者ARM芯片实现。

优选的，AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器。

优选的，收发模块还包括发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明相比于现有的通过机械装置来进行水体流动速度测量的方法，不需要在测量目标位置上安装测量装置，克服了机械法使用不便的缺点；同时本发明方法测量效率较高，克服了机械法效率不高的不足。因此本发明方法在河海水体三维速度检测中更具有实用性。

2、本发明相比于现有的利用图像处理技术来进行水体流动速度测量的方法，对工作环境没有太大的要求，克服了图像处理法在光线不好的环境中不能正常工作的缺陷；同时本发明方法可以测得水体的三维速度，克服了图像处理法只能测量表面流速的缺点。

3、本发明相比于现有的利用声波的多普勒效应进行水流速度测量的声学多普勒海流剖面仪，本发明方法可在水流速度不均匀的水域中进行精准测量，克服了ADCP在水流速度不均匀的水域中精确度不高的缺陷。

4、本发明不仅能够精确地测量出水流三维速度，同时还利用了定位系统和三维显示技术构造了一个河海水体三维流速可视化系统，包含了纬度、经度和海拔高度等地理位置信息，使得河海水体三维速度更加直观。

5、本发明方法的运算量和复杂度都相对适中，不过于复杂，从而保证了方法的可行性。

6、本发明装置可行性强，安装简单。除此之外，随着现代处理器计算处理能力的不断提高，这使得本发明所使用的处理器等芯片的集成度高，并且计算能力强，从而保证了本发明的可行性。

附图说明

图1为测量河海水底最大深度的场景图。

图2为超声波接收器R接收到的声波信号能量图。

图3为测量点处最大深度的分层图。

图4为测量每一层水域三维水流速度的场景图。

图5为超声发射探头和超声接收探头的摆放位置俯视图。

图6为测量水域三维水流速度场景图的三维坐标系图。

图7为超声发射探头至第p层反射点方向上的单位向量在坐标轴X,Y,Z上的分解示意图。

图8为第p层反射点位置至超声接收探头方向上的单位向量在坐标轴X,Y,Z上的分解示意图。

图9为信息融合示意图。

图10为实施例1方法的流程图。

图11为实施例2中装置的模块连接组合示意图。

图12为实施例2中具体装置连接组合示意图。

图13为实施例2中收发模块具体实物连接图。

图14为实施例2中具体工作步骤流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法，本方法在确定探测区域后，选取区域中某个点作为起始测量点开始进行测量，先利用定位系统获取该测量点的具体地理位置信息，并测定该点的最大水深以及对其分层；然后利用河海中存在大量的散射体，声波在水下遇到这些散射体会发生散射这一现象，并根据多普勒效应，得到发射信号频率、该测量点下某一深度反射的接收信号频率以及该深度水流速度三者之间的关系式；根据三个超声波接收器上声波频率，联立求解三个关系式，从而获得该测量点下各个深度的三维水流速度信息；接着利用信息融合技术和三维显示技术建立一个基于测量点位置信息的水体三维速度可视化系统，该测量点的位置信息和水下各深度的三维水流速度信息将在可视化系统中被标出；最后重复上述步骤对下一个点进行测量，并在可视化系统中同样将该点的位置信息和水下各深度的三维水流速度信息标出，直至将所有测量点测完。

本方法的具体步骤包括：

S1、确定探测区域并选取好起始测量点。

在地图上选取好探测区域，并确定好探测区域的范围大小；同时选择探测区域内的某一点作为起始测量点进行测量。

S2、确定测量点的具体地理位置信息和水深。

利用定位系统(全球定位系统或者局部定位系统)获取测量点的具体地理位置信息，其中地理信息包括测量点所处位置的纬度、经度和海拔高度。

对于测量点所处位置的最大深度H_max的测量，利用一个超声波发射器和一个超声波接收器即可测得。如图1所示，在水面上的测量点放置一个超声波发射器和一个超声波接收器，两者间的距离为d，使用超声波发射器向水底正下方发射超声波，并利用超声波接收器接收反射回来的声波信号。从超声波接收器中得到声波信号的能量图，它可能的图案如图2所示。

由于声波在水底的表面会发生强反射，因此能量图中波峰值最高的波峰对应的时间τ即为声波在水底表面反射时的往返时间τ_max，因为河海水中会含有一些可以成为反射界面的杂物，这些杂物上反射回来的声波会在能量图上产生一些其它波峰值较小的波峰，但这些波峰不能作为从水底表明反射回来的声波的能量值。因此，设测量点所处位置的最大深度为H_max，则H_max满足：

整理上式可得最大深度H_max为：

其中c为超声信号在水中的传播速度。

S3、将测量点所处位置的最大深度H_max进行分层。

如图3所示，为了使河海的水流速度三维信息更加具体和丰富，将最大水深H_max分层，由于每个测量点处的水深可能不同，因此为了让每个测量点处的水深进行分层后每层的深度都一样，令每一层的深度为L，设层数为P，则有：

其中，

为向下取整符号，那么第p层的深度为：

H_p＝pL(p＝1,2,…,P)   (3)

S4、对测量点所处位置下的每一层水域的三维水流速度进行测量。

测量每一层水域中的三维水流速度的场景如图4所示。在水面测量点处放置一个超声波发射器和三个超声波接收器，三个超声波接收器分别处在一个正三角形的顶点位置，超声波发射器处在正三角形的中心位置，并且三个超声波接收器与超声波发射器的之间距离都为d，它们的俯视图如图5所示。超声波发射器将向水底正下方发射频率为f_s的单频超声波信号。

由于河海中存在大量的散射体，包括气泡、悬浮泥沙颗粒、浮游生物、鱼虾等，因此只要向河海水介质中发射声波，这些散射体就会对声波产生散射，散射后的信号将会被超声波接收器接收，图4中第p(p＝1,2,…,P)层水域中反射的信号即是由于声波遇到第p层水域中的散射体产生的，通过分析接收信号的多普勒效应，即可测量出水流速度。

三维水流速度测量具体包含以下步骤：

S4-1、选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系，如图6所示。那么，超声波发送器的位置坐标为(0,0,0)，第i个超声波接收器的位置坐标为R_i(x_i,y_i,z_i)，并且有

其中i＝1,2,3；超声波发射器向水底正下方发射的超声波在第p(p＝1,2,…,P)层发生反射时反射点的位置坐标为M_p(0,0,H_p)，反射点处的水体流动速度为v_wp。

S4-2、由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，接收点M_p的接收频率f_p与发射频率f_s之间关系为：

其中，c为超声信号在水中的传播速度，v_WP为发射点与第p层反射点M_p之间的相对运动速度，由于发射点静止，因此v_WP即为反射点M_p处的水流速度，方向为接收点至发射点的方向。

设第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的水流速度为：

其中，v_wpx,v_wpy,v_wpz分别代表反射点M_p的水流速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量。

S4-3、计算声波信号到第p层反射点M_p时的频率f_p。

如图7所示，发射点O的坐标为(0,0,0)，第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的坐标为(0,0,H_p)，α_p,β_p,γ_p分别为向量

与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时

则O→M_p方向上的单位向量可表示为：

其中，

那么，第p层反射点M_p处的水流速度在M_p→O方向上的速度为：

由于声波信号在由发射点O到第p层反射点M_p的过程中，超声波发射器没有运动，由公式(4)可以推导出第p层反射点M_p接收到的频率f_p为：

S4-4、计算声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi。

如图8所示，第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的坐标为(0,0,H_p)，接收点R_i(x_i,y_i,z_i)为3个超声波接收器当中的其中之一，α_pi,β_pi,γ_pi分别为向量

与坐标轴X,Y,Z的夹角，则M_p→R_i方向上的单位向量可表示为：

其中，

并且可由位置M_p的坐标和接收器的坐标R_i(x_i,y_i,z_i)求出。

那么，第p层反射点M_p处的水流速度在M_p→R_i方向上的速度为：

由于声波信号在第p层反射点M_p到超声波接收器R_i的过程中，超声波接收器R_i没有运动，则由多普勒公式可推导出超声波接收器R_i接收到的频率f_pi为：

S4-5、联立公式(7)和公式(10)可得超声波接收器R_i接收到的频率f_pi为：

然后将公式(6)和公式(9)代入公式(11)，整理可得：

公式(12)中，有3个未知数，分别是v_wpx,v_wpy,v_wpz。因此只需在每一层水域中，即对于每一个p(p＝1,2,…,P)值，对超声波接收器R_i接收到的信号进行频率估计，获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi就能求得v_wpx,v_wpy,v_wpz的值。

S4-6、获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi。

因为第p层的深度为H_p＝pL(p＝1,2,…,P)已知，设声波信号在第p层反射点M_p反射时的往返时间为τ_p，则有：

整理可得：

因为三个超声波接收器与超声波发射器的距离都为d，所以在反射点M_p上反射波达到三个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τ_p，三个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点M_p上反射的波，从而在τ_p时刻，利用现有数字信号处理技术中的频率估计算法对三个超声波接收器接收到的声波信号进行频率估计，即可获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi，取i＝1,2,3，得到f_p1,f_p2,f_p3，将f_p1,f_p2,f_p3代入公式(12)中得到含有三个方程，三个未知数的方程组，如下所示：

求解此方程组可以得到v_wpx,v_wpy,v_wpz的值，即可得到第p(p＝1,2,…,P)层反射点M_p的水流速度v_wp。

以此反射点M_p的水流速度v_wp来表示反射点M_p附近一块区域的三维水流速度。

S5、信息融合与三维显示。

如图9所示，在探测区域中将测量点的经度，纬度和海拔高度等具体地理位置信息标记出来，同时也将测量点处的水体三维流速信息标记出来，以此完成两个信息的融合，其中，图中的虚线箭头表示测量位置的转移路线；最后再利用三维显示技术将这些信息在显示屏上三维显示出来，从而建立一个基于具体地理位置信息的水体三维速度可视化系统。

S6、更换测量位置。

将测量位置转移至下一个测量点，并重复步骤S1至步骤S5的步骤，从而确定该测量点处的具体地理位置信息和水体三维流速信息，并将这些信息融合之后在水体三维速度可视化系统中将其显示出来，以此来丰富可视化系统的信息量，直至测量停止。

以上的方法的流程图可以由图10表示。

实施例2

一种基于实施例1中的方法的检测装置，图11为本装置的模块连接框图，具体的装置连接如图12所示。

该基于定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置包括：操作模块101、处理模块102、AD转换模块103、收发模块104、定位模块105、显示模块106、电源模块107。

操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连。操作模块101用一个PC机001实现，主要用于人机交互，根据应用场景的不同而选择不同的发送信号中心频率、脉冲长度等参数，并将这些参数传送给处理模块；同时利用现有的三维显示技术对定位模块传送回来的地理位置信息和处理模块传送回来的三维水流速度信息在PC机上进行融合，建立一个水体三维流速可视化系统，并在显示模块中显示出来。

定位模块105用一个定位单元501来实现。它能够通过该定位单位确定测量点的地理信息位置，并将其发送给操作模块。

显示模块106由一块LCD显示屏601组成。它能够利用三维显示技术将操作模块中信息融合过后的信息在LCD上进行三维显示，从而建立一个河海水体三维流速可视化系统。

处理模块102与AD转换模块103相连。处理模块由一个数字信号处理器201组成，数字信号处理器201可用DSP芯片(如：TI公司的TMS320VC5509A型号的DSP芯片)或者ARM芯片等实现。它能够根据操作模块输入的指令生成特定的数字信号，该数字信号通过AD转换模块转换为模拟信号，最后通过收发模块发射出指定频率的声波信号；同时，它还能够对从收发模块传送回来的，经过AD转换模块转换后的数字信号进行处理，获得其频率大小，声波能量图，以及利用实施例1中的方法计算出测量点每一层水域中的三维水流速度信息，并且将这些信息回传给操作模块。

AD转换模块103由一个A/D转换器302和D/A转换器301组成，并且与收发模块相连。由于处理模块中的DSP芯片或者ARM芯片中含有A/D和D/A转换接口，能实现A/D转换和D/A转换的功能，因此AD转换模块103中的D/A转换器301和A/D转换器302也可以利用处理模块中的同一芯片实现，即这些芯片可以实现处理模块102和AD转换模块103这两个模块的功能。A/D转换器将收发模块接收到的模拟信号转换为数字信号并传递给处理模块进行处理；D/A转换器将处理模块发出的数字信号转换为模拟信号并传送收发模块使其发射指定的声波。

收发模块104包括发射阻抗匹配电路401、一个超声波发射探头402、接收阻抗匹配电路403和三个超声波接收探头组成的超声波接收阵列404，接收阵列中每个超声波接收探头摆放在一个正三角形的一个顶点上，而超声波发送探头摆放在正三角形的中心位置，收发模块具体的实物连接图如图13所示，其中三个支架用3根硬质棒来实现。收发模块能够根据处理模块发出，并经过AD转换模块转换后的模拟指令发射指定频率的超声波信号；也能够接收反射回来的超声波信号，并通过AD转换模块将其转换为数字信号然后传送给处理模块进行分析处理。

电源模块107由一个电源701组成，与操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块和显示模块相连。它能够为这些模块供电。

本装置的主要工作步骤如图14所示，具体如下：

步骤1：确定探测区域以及起始测量点的位置。

步骤2：按图12和图13连接好具体装置，确定好超声波发射探头与超声波接收探头之间的距离d，d＝2m，并将装置放在测量点处。

步骤3：利用定位模块获得测量点的具体地理信息位置，其中定位模块利用到的定位系统是一个基于基站的局部定位系统。

步骤4：利用操作模块给处理模块发送指令，控制超声发射探头发射单频超声信号S(t)，信号的频率为f_s＝100kHz，脉冲长度5ms；

步骤5：在处理模块中处理三个超声接收探头接收返回的声波信号，获得任意一个超声波接收探头上的声波能量图，在声波能量图中确定最大波峰所对应的时间τ_max，从而获得水底的最大深度H_max。

步骤:6：对测量点的最大深度H_max进行分层。

步骤7：在处理模块中计算出测量点处每一层水域的三维水流速度。信号在处理模块中的具体处理步骤如下：

1)在处理模块中，对在τ_p时刻三个超声波接收器接收到的声波信号进行频率估计，则可获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi，即f_t1,f_t2,f_t3。

2)将f_t1,f_t2,f_t3代入实施例1方程组(13)中，处理模块经过一系列计算求解此方程组，从而得到第p层水域中的三维水流速度v_wp。

步骤8：在操作模块中，利用信息融合技术将测量点处的具体地理位置信息和它每层水域中的三维水流速度信息进行融合，并在显示模块中，利用三维显示技术将其在LCD显示屏上三维显示出来，从而建立一个河海水体三维速度可视化系统。

步骤9：将装置转移至下一个测量点处，重复步骤1到步骤8之间的步骤，获得该测量点处的具体地理位置信息和水体三维流速信息，并在它们融合之后将其在水体三维速度可视化系统中显示出来，以丰富可视化系统的信息量，直至测量停止。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定探测区域并选取好起始测量点；

S2、确定测量点的具体地理位置信息和水深；

利用定位系统获取测量点的具体地理位置信息；

在水面上的测量点放置一个超声波发射器和一个超声波接收器，两者间的距离为d，使用超声波发射器向水底正下方发射超声波，并利用超声波接收器接收反射回来的声波信号，从超声波接收器中得到声波信号的能量图；

能量图中波峰值最高的波峰对应的时间τ即为声波在水底表面反射时的往返时间τ_max；设测量点所处位置的最大深度为H_max，则H_max满足：

整理上式可得最大深度H_max为：

其中c为超声信号在水中的传播速度；

S3、将测量点所处位置的最大深度H_max进行分层；

将最大水深H_max分层，由于每个测量点处的水深可能不同，因此为了让每个测量点处的水深进行分层后每层的深度都一样，令每一层的深度为L，设层数为P，则有：

其中，

为向下取整符号，那么第p层的深度为：

H_p＝pL，p＝1,2,…P；

S4、对测量点所处位置下的每一层水域的三维水流速度进行测量；

在水面测量点处放置一个超声波发射器和M个超声波接收器，M≥3，M个超声波接收器与超声波发射器的之间距离都为d；超声波发射器将向水底正下方发射频率为f_s的单频超声波信号；

三维水流速度测量包含以下步骤：

S4-1、选取地面为参考系，并以超声发射位置为坐标原点O，以垂直水平面向下为Z方向，建立三维坐标系；超声波发送器的位置坐标为(0,0,0)，第i个超声波接收器的位置坐标为R_i(x_i,y_i,z_i)，并且有

其中i＝1,2,3...；超声波发射器向水底正下方发射的超声波，在第p层发生反射时反射点的位置坐标为M_p(0,0,H_p)，反射点处的水体流动速度为v_wp；

S4-2、计算声波信号到第p层反射点M_p时的频率f_p；

由多普勒效应可知，当信号发射点静止时，接收点M_p的接收频率f_p与发射频率f_s之间关系为：

其中，c为超声信号在水中的传播速度，v_WP为发射点与第p层反射点M_p之间的相对运动速度，由于发射点静止，因此v_WP即为反射点M_p处的水流速度，方向为接收点至发射点的方向；

设第p层反射点M_p的水流速度为：

其中，v_wpx,v_wpy,v_wpz分别代表反射点M_p的水流速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；

发射点O的坐标为(0,0,0)，第p层反射点M_p的坐标为(0,0,H_p)，α_p,β_p,γ_p分别为向量

与坐标轴X,Y,Z的夹角，此时

γ_p＝0，则O→M_p方向上的单位向量可表示为：

其中，

那么，第p层反射点M_p处的水流速度在M_p→O方向上的速度为：

由于声波信号在由发射点O到第p层反射点M_p的过程中，超声波发射器没有运动，可以推导出第p层反射点M_p接收到的频率f_p为：

S4-3、计算声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi；

第p层反射点M_p的坐标为(0,0,H_p)，接收点R_i(x_i,y_i,z_i)为M个超声波接收器当中的其中之一，α_pi,β_pi,γ_pi分别为向量

与坐标轴X,Y,Z的夹角，则M_p→R_i方向上的单位向量可表示为：

其中，

并且可由位置M_p的坐标和接收器的坐标R_i(x_i,y_i,z_i)求出；

那么，第p层反射点M_p处的水流速度在M_p→R_i方向上的速度为：

由于声波信号在第p层反射点M_p到超声波接收器R_i的过程中，超声波接收器R_i没有运动，则由多普勒公式可推导出超声波接收器R_i接收到的频率f_pi为：

可得超声波接收器R_i接收到的频率f_pi为：

进一步有：

S4-4、获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi；

因为第p层的深度为H_p＝pL已知，设声波信号在第p层反射点M_p反射时的往返时间为τ_p，则有：

整理可得：

因为M个超声波接收器与超声波发射器的距离都为d，所以在反射点M_p上反射波达到M个超声波接收器的时间相同，即对于某一个时间τ_p，M个超声波接收器接收到的声波是同一个反射波点M_p上反射的波，从而在τ_p时刻，利用频率估计算法对M个超声波接收器接收到的声波信号进行频率估计，即可获得声波信号从第p层反射点M_p到达超声波接收器R_i的频率f_pi，取其中的3个接收器，则i＝1,2,3，得到f_p1,f_p2,f_p3；

S4-5、三维水流速度；

将f_p1,f_p2,f_p3代入步骤S4-3中得到的公式，得到含有三个方程、三个未知数的方程组，如下所示：

求解此方程组可以得到v_wpx,v_wpy,v_wpz的值，即可得到第p层反射点M_p的水流速度v_wp；

以此反射点M_p的水流速度v_wp来表示反射点M_p附近一块区域的三维水流速度；

S5、信息融合与三维显示；

在探测区域中将测量点的具体地理位置信息标记出来，同时也将测量点处的水体三维流速信息标记出来，以此完成两个信息的融合；

最后再利用三维显示技术将这些信息在显示屏上三维显示出来，从而建立一个基于具体地理位置信息的水体三维速度可视化系统；

S6、更换测量位置；

将测量位置转移至下一个测量点，并重复步骤S1至步骤S5的步骤，以此来丰富可视化系统的信息量，直至测量停止。

2.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测方法，其特征在于，步骤S2中的定位系统为全球定位系统或者局部定位系统。

3.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测方法，其特征在于，测量点的具体地理位置信息包括测量点所处位置的纬度、经度和海拔高度。

4.一种基于权利要求1所述的检测方法的检测装置，包括：操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块、显示模块和电源模块；电源模块与其他模块相连，为这些模块供电；

操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连，处理模块与AD转换模块相连，AD转换模块与收发模块相连；

收发模块包括一个超声波发射探头和多个超声波接收探头，每个超声波接收探头与超声波发射探头的距离相等；

操作者确定好探测区域后，将装置放在选定好的起始测量点处；先通过定位模块获取该测量点的地理位置，并将其具体地理位置信息传送给操作模块；然后通过操作模块输入指定的参数，使处理模块产生所需要的数字信号，该数字信号经过AD转换模块将其转换成模拟信号后，传送给收发模块，超声波发射探头将对其进行发射；

发送模块中的超声波接收探头接收到反射回来的声波信号并将其传送给AD转换模块，信号转换为数字信号后传送给处理模块，处理模块处理这些数字信号从而获得每个超声波接收器上的声波信号频率大小、声波能量图，并计算出测量点处每一层水域中的三维水流速度，同时，处理模块将得到的这些信息传回给操作模块；

接着，操作模块将定位模块传回的测量点的具体地理位置信息和处理模块传回的每个测量点的三维流速信息进行融合，同时显示模块利用三维显示技术将该测量点的融合信息在显示模块中显示出来，从而得到河海水体三维流速可视化系统；

最后将装置依次转移至下一个测量点处进行测量，并将测量点处的地理位置信息和三维水流速度信息在它们融合之后同样在水体三维流速可视化系统中显示出来，以丰富可视化系统信息，直至测量停止。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，操作模块包括一个PC机，能够用于人机交互、参数选择以及信息融合。

6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，定位模块包括一个定位单元，能够通过该定位单元确定测量点的地理信息位置。

7.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，处理模块包括一个数字信号处理器。

8.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，处理模块和AD转换模块可用DSP芯片或者ARM芯片实现。

9.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器。

10.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，收发模块还包括发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路。

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