CN107860432A - 一种流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流量测量装置及方法，其中，该流量测量装置包括射频收发机、发射模块和接收模块，所述发射模块、所述接收模块均与所述射频收发机信号连接，且所述发射模块发出的雷达波的扫描角度可调。本发明所提供流量测量装置，其发射模块所发出的雷达波的扫描角度可调，使得单台流量测量装置的测量范围大幅增加，如此，只需采用较少数量的流量测量装置，即可监测整条河流的流量，可大幅降低河流流量的监测成本。

Description

一种流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及一种可适用于河流或者明渠的流量测量装置及方法。

背景技术

河流水位、流量测量的目的可以分为防洪预警和水资源调配二项，前者着重于掌握河流水位的变化，以警戒水位作为防洪预警的管制手段，而流量测量的正确性则有助于防洪设施的规划设计；后者着重于获取的长期河流流量数据，以建立水资源开发调配管理的基本信息，而水位、流量等数据测量的准确性则有助于水库、发电站等取水设施的规划设计。

一般而言，河流流量的测量方法可以分为间接测量法和直接测量法。间接测量法主要是利用量水结构物如堰、闸门或固定渠道等，依据已知水位-流量的率定关系，并通过水位的测量来获得流量。直接测量法主要是利用量水仪器来测量河流流速与水深，然后计算平均流速与断面通水面积，并通过二者的乘积获取流量值。

由于间接测量法需要借助特殊的量水结构，其测量的准确度依赖于稳定的河流断面和水流状态，在不规则的河流断面或者不稳定的水流状态下，测量的准确性无法保证，故而，在现有技术中通常采用直接测量法以测量河流流量。

直接测量法属于断面积流速测量法系，其首先要通过测量仪器直接测量河流表面流速或水中垂向上多点流速，再经由公式或水深计算平均流速，然后再乘以通水面积即可获得河流的流量值；其通常包括三个步骤：1)分段测量河流水深与流速，2)计算各分段通水面积与各分段平均流速之乘积，3)总合各分段流量值。

目前，直接测量法常用的测量仪器为微波多普勒雷达流量计，其可以自动、连续且实时地测量河流流量，但是，其雷达波的扫描角度是固定的，也就是说，其只能针对某一个测量点进行测量，测量结果也只能表示一个小范围的数据，对于河面宽广的河流而言，就需要安装多台微波多普勒雷达仪器以监测整条河流断面上不同位置的流速和水位来联合计算河流断面的流量，使得河流流量的测量成本大幅提高。

因此，如何提供一种流量测量装置，具有较大的测量范围，使得采用较少数量的流量测量装置即可监测整条河流的流量，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种流量测量装置及方法，其中，该流量测量装置的测量范围较大，使用较少数量的流量测量装置即可监测整条河流的流量，可降低河流流量的测量成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种流量测量装置，包括射频收发机、发射模块和接收模块，所述发射模块、所述接收模块均与所述射频收发机信号连接，且所述发射模块发出的雷达波的扫描角度可调。

本发明所提供流量测量装置，其发射模块所发出的雷达波的扫描角度可调，使得单台流量测量装置的测量范围大幅增加，如此，只需采用较少数量的流量测量装置，即可监测整条河流的流量，可大幅降低河流流量的监测成本。

可选地，还包括移相器，所述移相器设于所述发射模块、所述射频收发机之间，并与所述发射模块、所述射频收发机信号连接，所述移相器能够调整所述雷达波的扫描角度。

可选地，所述发射模块包括若干天线单元，各所述天线单元均与所述射频收发机信号连接；所述移相器包括若干移相单元，各所述移相单元一一对应地设于所述天线单元与所述射频收发机之间，所述移相单元能够改变相应所述天线单元的相位，以调整所述雷达波的扫描角度。

可选地，还包括控制器，所述控制器与所述射频收发机、各所述移相单元均信号连接，所述控制器能够控制所述移相单元改变相应所述天线单元的相位。

可选地，还包括输入输出接口，所述输入输出接口与所述控制器信号连接，用于与外接设备相连。

本发明还提供一种流量测量方法，适用于上述的流量测量装置，包括如下步骤：步骤S1，获取待测河流的河流断面水文数据，并依据该河流断面水文数据将所述待测河流沿宽度方向分割为若干分段，各所述分段中均存在一个测量点；步骤S2，调整所述雷达波的扫描角度，使得所述雷达波能够扫描各所述测量点，并测量各所述测量点的表面流速、水位；步骤S3，依据各所述测量点的表面流速、河流断面水文数据计算各所述分段的平均流速，并依据该平均流速、水位计算各所述分段的流量；步骤S4，整合各所述分段的流量，以获得所述待测河流的流量。

由于上述的流量测量装置已经具备如上的技术效果，那么，基于该流量测量装置的流量测量方法亦当具备相类似的技术效果，故在此不做赘述。

可选地，所述流量测量装置还包括控制器，所述控制器与射频收发机信号连接，所述步骤S1具体由所述控制器执行。

可选地，所述流量测量装置还包括移相器，所述移相器设于发射模块、所述射频收发机之间，并与所述发射模块、所述射频收发机及所述控制器信号连接，所述步骤S2具体包括：步骤S21，调控所述移相器，使得所述雷达波能够扫描一个测量点；步骤S22，控制所述发射模块发射雷达波，利用所述接收模块接收所述测量点的回波信号，所述回波信号经过所述射频收发机处理可得到中频信号，所述控制器能够对所述中频信号进行处理以获得所述表面流速、所述水位；步骤S23，调控所述移相器，使得所述雷达波能够依次扫描其余各所述测量点，并重复步骤S22，以测量其余各所述测量点的所述表面流速、所述水位。

可选地，测量所述水位时，所述雷达波为线性调频信号；测量所述表面流速时，所述雷达波为连续波信号。

附图说明

图1为本发明所提供流量测量装置的一种具体实施方式的结构简图；

图2为移相单元与天线单元的连接结构图；

图3为本发明所提供流量测量方法的一种具体实施方式的流程图；

图4为本发明所提供流量测量方法的计算模型简图。

图1-4中的附图标记说明如下：

1射频收发机、2发射模块、21天线单元、3接收模块、4移相器、41移相单元、5控制器、6输入输出接口。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本文中所述“若干”是指数量不确定的多个，通常为两个以上。

请参考图1-2，图1为本发明所提供流量测量装置的一种具体实施方式的结构简图，图2为移相单元与天线单元的连接结构图。

如图1所示，本发明提供一种流量测量装置，包括射频收发机1、发射模块2和接收模块3，发射模块2、接收模块3均与射频收发机1信号连接，发射模块2可以发出雷达波以测量待测河流表面或垂向上某一测量点的流速和水位。

区别于现有技术，在本发明实施例中，上述发射模块2发出的雷达波的扫描角度可调，使得一台流量测量装置可监测待测河流断面上多个测量点的流速以及水位，测量范围大幅增加。如此，只需采用较少数量的流量测量装置，即可监测整条河流的流量，使得河流流量的监测成本大幅降低。

需要说明，本发明实施例并不对雷达波扫描角度的调节范围、调节精度进行明确的限定，具体实施时，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定；但应当知晓，上述调节范围越大，单台流量测量装置所能够监测的范围也就越大，测量整条河流流量所需要的流量测量装置的数量也就越少，越有利于节约成本，甚至，在调节范围足够大时，仅需一台上述的流量测量装置即可测量整条河流的流量；上述调节精度越高，在相同的角度范围内，单台流量测量装置所能扫描、监测的测量点也就越多，河流流量测量的准确性也就越高。

在一种具体实施方式中，可以采用电控手段以实现雷达波扫描角度的调节，例如，可以设置移相器4，移相器4可以设于发射模块2、射频收发机1之间，并与发射模块2、射频收发机1信号连接，通过移相器4相位值的改变，即可方便地调整雷达波的扫描角度。可以理解，除设置移相器4的方案外，也可以通过其他电控手段来调节雷达波的扫描角度，具体可根据实际情况而定。

如图2所示，发射模块2可以包括若干天线单元21，各天线单元21可以等间距分布以形成发射天线阵列，且各天线单元21均可以与射频收发机1信号连接；移相器4可以包括若干移相单元41，各移相单元41一一对应地设于天线单元21与射频收发机1之间，移相单元41能够改变相应天线单元21的相位，通过移相器4加权的方法即可改变雷达波的形状，使得雷达波的主瓣对应于河流断面的不同位置，从而调整雷达波的扫描角度。

假设存在n个天线单元21，发射天线阵列即为n单元阵列，各天线单元21均可连接一个移相单元41，各移相单元41所引入的相位依次可以为：0，α，2α，…，nα，利用各移相单元41改变α的具体值，即可控制各天线单元21的相位，以达到控制雷达波扫描角度的目的。

上述各移相单元41的位数可以设为K，则最小相移量K值越大，最小相移量Δα_min就越小，相应地，雷达波扫描角度的调节精度也就越高，河流流量测量的准确性也就越高。

可以理解，接收模块3也可以包括若干天线单元21，各天线单元21可以等间隔分布以形成接收天线阵列，且接收天线阵列与发射天线阵列应当相同，以便信号的接收、解析。

进一步地，还可以包括控制器5，控制器5与射频收发机1、各移相单元41均可以信号连接，控制器5能够控制移相单元41改变相应天线单元21的相位，以调控雷达波的具体扫描角度。

本发明所提供流量测量装置还可以包括输入输出接口6，输入输出接口6与控制器5信号连接，用于与外接设备相连。该外接设备具体可以为按键等操纵开关，以为控制器5输入相应的控制指令；该外接设备也可以为显示器或智能终端等，以便流量、水位等测量结果的输出；当然，该外接设备还可以为网络接头等，以便于联网控制。

在另一种具体实施方式中，可以通过设置机械结构，来实现雷达波扫描角度调节的目的。例如，可以设置旋转平台和驱动部件，前述的射频收发机1、发射模块2及接收模块3等均可安装于旋转平台上，旋转平台可以与驱动部件相连，当驱动部件运转时，即可控制旋转平台转动，以直接调节雷达波的扫描角度。

需要指出，本发明所提供流量测量装置通常需要安装于河流底部，其使用环境较为恶劣，故而，本发明实施例优选采用电控手段，来实现雷达波扫描角度调节的目的，以避免机械结构受河水侵蚀、运转失灵、使用寿命较短的情形。

请参考图3-4，图3为本发明所提供流量测量方法的一种具体实施方式的流程图，图4为本发明所提供流量测量方法的计算模型简图。

如图3所示，基于上述各实施方式所涉及的流量测量装置，本发明实施例还提供了对应的流量测量方法，具体可以包括如下步骤：步骤S1，获取待测河流的河流断面水文数据，该河流断面水文数据可以包括待测河流的断面形状、河床及河岸的土质、材料特性及粗糙度等，控制器5可依据输入的上述河流断面水文数据，将待测河流沿宽度方向分割为若干分段，各分段均可对应存在一个测量点；步骤S2，调整雷达波的扫描角度，使得雷达波能够扫描各测量点，并测量各测量点的表面流速、水位；步骤S3，根据测得的各测量点的表面流速、河流断面水文数据，并借助已有的计算模型计算各分段的平均流速，然后依据该平均流速、水位即可计算各分段的流量；步骤S4，整合各分段的流量，以获得待测河流的流量。

对于设有移相器4的流量测量装置，上述步骤S2具体可以包括：步骤S21，调整移相器4的相位，使得雷达波能够扫描到一个测量点；步骤S22，控制发射模块2发射雷达波，利用接收模块3接收测量点的回波信号，回波信号经过射频收发机1处理可得到中频信号，控制器5能够对中频信号进行处理以获得表面流速、水位；步骤S23，调整移相器4的相位，使得雷达波能够依次扫描各测量点，并重复步骤S22，以测量各测量点的表面流速、水位。

更为具体地，在对水位进行测量时，发射模块2可以发射线性调频信号，而在对表面流速进行测量时，发射模块2则可发生连续波信号，以利用多普勒效应对表面流速进行测量。可以理解，上述关于水位、表面流速测量时所使用雷达波信号具体种类的描述，仅是一种示例性的描述，并不表示对本发明所提供流量测量方法实施范围的限定，在满足使用条件时，上述雷达波信号也可采用信号，例如，该雷达波还可以为间断的连续波信号，同样可以用来测量水位、表面流速。

以图4为视角，在具体实施时，可依据待测河流的河流断面水文数据，将待测河流沿宽度方向分为n个分段，然后测量每个分段的宽度b、深度(或者说水位)d以及平均流速v，相应分段的流量q＝v·d·b，整条待测河流的流量Q＝v₁·d₁·b₁+v₂·d₂·b₂+...+v_n·d_n·b_n。

需要强调，本发明所提供流量测量装置及方法虽然脱胎于河流流量监测，但显然，其应用范围并不局限于河流或者明渠等的流量监测，实际上，在任何需要监测断面流量的应用场合，上述的流量测量装置及方法均可适用。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种流量测量装置，其特征在于，包括射频收发机(1)、发射模块(2)和接收模块(3)，所述发射模块(2)、所述接收模块(3)均与所述射频收发机(1)信号连接，且所述发射模块(2)发出的雷达波的扫描角度可调。

2.根据权利要求1所述流量测量装置，其特征在于，还包括移相器(4)，所述移相器(4)设于所述发射模块(2)、所述射频收发机(1)之间，并与所述发射模块(2)、所述射频收发机(1)信号连接，所述移相器(4)能够调整所述雷达波的扫描角度。

3.根据权利要求2所述流量测量装置，其特征在于，所述发射模块(2)包括若干天线单元(21)，各所述天线单元(21)均与所述射频收发机(1)信号连接；

所述移相器(4)包括若干移相单元(41)，各所述移相单元(41)一一对应地设于所述天线单元(21)与所述射频收发机(1)之间，所述移相单元(41)能够改变相应所述天线单元(21)的相位，以调整所述雷达波的扫描角度。

4.根据权利要求3所述流量测量装置，其特征在于，还包括控制器(5)，所述控制器(5)与所述射频收发机(1)、各所述移相单元(41)均信号连接，所述控制器(5)能够控制所述移相单元(41)改变相应所述天线单元(21)的相位。

5.根据权利要求4所述流量测量装置，其特征在于，还包括输入输出接口(6)，所述输入输出接口(6)与所述控制器(5)信号连接，用于与外接设备相连。

6.一种流量测量方法，其特征在于，适用于权利要求1-5中任一项所述的流量测量装置，包括如下步骤：

步骤S1，获取待测河流的河流断面水文数据，并依据该河流断面水文数据将所述待测河流沿宽度方向分割为若干分段，各所述分段中均存在一个测量点；

步骤S2，调整所述雷达波的扫描角度，使得所述雷达波能够扫描各所述测量点，并测量各所述测量点的表面流速、水位；

步骤S3，依据各所述测量点的表面流速、河流断面水文数据计算各所述分段的平均流速，并依据该平均流速、水位计算各所述分段的流量；

步骤S4，整合各所述分段的流量，以获得所述待测河流的流量。

7.根据权利要求6所述流量测量方法，其特征在于，所述流量测量装置还包括控制器(5)，所述控制器(5)与射频收发机(1)信号连接，所述步骤S1具体由所述控制器(5)执行。

8.根据权利要求7所述流量测量方法，其特征在于，所述流量测量装置还包括移相器(4)，所述移相器(4)设于发射模块(2)、所述射频收发机(1)之间，并与所述发射模块(2)、所述射频收发机(1)及所述控制器(5)信号连接，所述步骤S2具体包括：

步骤S21，调控所述移相器(4)，使得所述雷达波能够扫描一个测量点；

步骤S22，控制所述发射模块(2)发射雷达波，利用所述接收模块(3)接收所述测量点的回波信号，所述回波信号经过所述射频收发机(1)处理可得到中频信号，所述控制器(5)能够对所述中频信号进行处理以获得所述表面流速、所述水位；

步骤S23，调控所述移相器(4)，使得所述雷达波能够依次扫描其余各所述测量点，并重复步骤S22，以测量其余各所述测量点的所述表面流速、所述水位。

9.根据权利要求8所述流量测量方法，其特征在于，测量所述水位时，所述雷达波为线性调频信号；测量所述表面流速时，所述雷达波为连续波信号。