CN108107234A - 一种高水条件下的水面流速检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高水条件下的水面流速检测系统及其检测方法，属于水文数据测量领域。本发明包括北斗高精度差分定位装置、激光传感器、雷达流速仪、无线数据传输模块、上位计算机、伺服定位模块、数据采集模块；北斗高精度差分定位装置、雷达流速仪、激光传感器、伺服定位模块安装在一起形成传感器装置，本发明根据雷达流速仪到水面的精确距离及传感器装置到断面的水平距离求出雷达流速仪发出的电磁波射到指定断面时雷达流速仪所应满足的倾角，有效克服缆道的抖动引起的测量误差，实现了高水条件下对指定断面的精确测流，避免了高水条件下铅鱼入水测流引起的流速仪损毁，有效保障了高水条件下水文测流实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种高水条件下的水面流速检测系统及其检测方法，属于水文数据测量领域。
背景技术
我国国土面积辽阔，地形复杂，导致我国河流众多，加之气候变化差异，导致了我国水文情况复杂多样，做好水文数据收集处理工作对生产、防灾具有重大意义。传统的测流方法是根据缆绳上下放位置来确定传感器装置的位置，不精确、手外界环境影响大，误差大；传统的方法传感器装置到水面的距离测量不准确；传统的铅鱼测流水面流速检测方法会因洪水期水面漂浮物多，常常会对流速仪的使用造成影响，甚至出现铅鱼难以携带流速仪入水、流速仪损坏等情况，其它如ADCP等同样原因也难下水。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种高水条件下的水面流速检测系统及其检测方法，用于解决传统高水条件下的水面流速检测方法存在的传感器装置定位不精确、传感器装置到水面的精确距离不准、雷达流速仪所发射出的电磁波射到指定断面上时与水平面之间的夹角不能在线测量、不能修正雷达流速仪的倾角使其电磁波射到指定断面上等缺点。
本发明采用的技术方案是：一种高水条件下的水面流速检测系统，包含北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2、伺服定位模块3、雷达流速仪4、数据采集模块5、无线数据传输模块6、上位计算机7；北斗高精度差分定位装置1输出端与数据采集模块5输入端相连；激光传感器2输出端与数据采集模块5输入端相连；数据采集模块5输出端与伺服定位模块3输入端相连；伺服定位模块3输出端与雷达流速仪4输入端相连；雷达流速仪4输出端与数据采集模块5输入端相连；数据采集模块5输出端与无线数据传输模块6输入端相连，无线数据传输模块6输出端与上位计算机7输入端相连，所述的北斗高精度差分定位装置1、雷达流速仪4、激光传感器2、伺服定位模块3安装在一起形成传感器装置。
所述的数据采集模块5包括CPU、存储器；数据采集模块5用于将北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2所获取的信号进行处理，然后发出控制信号给伺服定位模块3调节雷达流速仪4的倾角到指定角度，雷达流速仪4测得指定断面的水面流速数据，并将获取的信息发送给数据采集模块5，数据采集模块5将接收的信息存储在内部的存储器中，并通过无线数据传输模块6将信号发送到上位计算机7。
所述的传感器装置安装于缆道三角滑轮支撑臂上。
一种高水条件下的水面流速检测系统的检测方法，包括如下步骤：
step1、传感器装置到达指定的位置后，接通电路，数据采集模块5开始工作；
step2、北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2同时开始工作，北斗高精度差分定位装置1采集传感器装置的地理位置数据，激光传感器2采集传感器装置到水面的精确数据，将数据封装后存储在数据采集模块5的存储器中；
step3、数据采集模块5把北斗高精度差分定位装置1所获取的传感器装置地理位置数据、激光传感器2所获取的传感器装置到水面的精确距离数据、数据采集模块5内的水面精确海拔数据通过解算、筛选、融合算法，得到当前传感器装置的精确地理位置数据，然后得到雷达流速仪4的倾角，最后通过伺服定位模块3调节雷达流速仪4的倾角，使其电磁波发射到指定的断面上，然后雷达流速仪4开始工作，测得指定断面的流速数据后，将流速数据、水面到传感器装置的距离数据、雷达流速仪4所发出的电磁波与水面之间的夹角数据封装成数据包，存储在数据采集模块5内部的存储器中；
step4、通过无线数据传输模块6把存储在存储器内的数据传输到上位计算机7中。
所述步骤step3中，传感器装置的精确位置解算、筛选、融合步骤如下：
Step3.1、北斗高精度差分定位装置1获取传感器装置的地理位置数据，激光传感器2获取传感器装置到水面的精确距离数据，并将数据发送到数据采集模块5；
Step3.2、数据采集模块对北斗高精度差分定位装置1所获取的信号进行解算，选取X、Y坐标；
step3.3、根据已知的水面精确海拔，结合激光传感器2所测的传感器装置到水面的精确距离，计算出传感器装置精确的Z坐标；
Step3.4、数据采集模块对X、Y、Z坐标进行计算，得到传感器装置的精确地理位置数据。
所述步骤step3中，雷达流速仪4的倾角解算步骤如下：
Step3.5、已知传感器装置的精确地理位置数据，又已知河道断面的位置数据，通过数据采集模块（5）处理后可知道传感器装置到指定断面的水平距离L，
已知传感器装置到指定断面的水平距离L，又知传感器装置到水面的垂直距离H，同时传感器装置又垂直于水面，根据三角函数正切定理：
求得θ为：
θ为雷达流速仪（4）发出的电磁波射到指定断面上时与水面之间的夹角；
Step3.6、根据三角形内角和定理：
求得雷达流速仪（4）发出的电磁波射到指定断面上时所应满足的倾角β:
。
所述步骤step3中，伺服定位模块3调节雷达流速仪4的倾角步骤如下：
Step3.7、当实际的β角等于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面上；
Step3.8、当实际的β角大于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面之前A点时，数据采集模块5发出指令给伺服定位模块3，伺服定位模块3转动调小β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定的断面上；
Step3.9、当实际的β角小于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面之后B点时，数据采集模块5发出指令给伺服定位模块3，伺服定位模块3转动调大β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定的断面上。
本发明的有益效果是：
1、不需要根据缆绳来对传感器装置定位。传统的测流方法是根据缆绳上下放位置来确定传感器装置的位置，而此方法则是通过北斗高精度差分定位装置来对传感器装置进行定位，精确度高，受外界环境影响小，误差小；
2、用激光传感器来测量传感器装置到水面的精确距离。传统的方法铅鱼到水面的距离测量不准；
3、可以获取传感器装置的精确位置数据。通过北斗高精度差分定位装置获取传感器装置的地理位置数据、激光传感器所获取的传感器装置到水面的精确距离、指定断面的位置数据、数据采集模块内的水面精确海拔高度数据的解算、筛选、融合来获取传感器装置的精确地理位置数据。有利于传感器装置在断面指定位置定位测量；
4、雷达流速仪采用悬挂式测量，传统的铅鱼测流水面流速检测方法会因洪水期水面漂浮物多，常常会对流速仪的使用造成影响，甚至出现铅鱼难以携带流速仪入水、流速仪损坏等情况，其它如ADCP等同样原因也难下水。雷达流速仪采用雷达多普勒效应，是一种远距离、无接触的新型仪器，对水情复杂、水流急、含沙量大、水中有大量漂浮物的测量环境具有独特的优势，具有速度快、安全、使用方便、不受泥沙和漂浮物等外部自然因素影响特点，功耗低，可以长时间稳定工作，测量范围和测量精度都要高于传统流速仪；虽然传统的测法也有悬挂式测量的，传统雷达测流会因缆道抖动等原因而造成测量误差。雷达流速仪到水面的绝对距离测量不准确，雷达流速仪的倾角不能调整，雷达流速仪所发出的电磁波很难定位到指定断面点上，本发明有效克服这一问题，实现测点精确定位；
5、本发明结构简单，安装方便，维护方便，复杂水域环境适应性更强。精确度高，功耗较低，造价低，实用性强。
附图说明
图1是本发明的硬件框图；
图2是雷达流速仪测流示意图；
图3是伺服定位模块调节雷达流速仪倾角示意图；
图4为图3中A、B点与指定断面的位置关系示意图；
图5是传感器装置位置坐标解算、筛选、融合并用于调节雷达流速仪倾角流程图；
图6是传感器装置安装示意图。
图中各标号为：北斗高精度差分定位装置-1、激光传感器-2、伺服定位模块-3、雷达流速仪-4、数据采集模块-5、无线数据传输模块-6、上位计算机-7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-6所示，一种高水条件下的水面流速检测系统，包含北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2、伺服定位模块3、雷达流速仪4、数据采集模块5、无线数据传输模块6、上位计算机7；北斗高精度差分定位装置1输出端与数据采集模块5输入端相连；激光传感器2输出端与数据采集模块5输入端相连；数据采集模块）输出端与伺服定位模块3输入端相连；伺服定位模块3输出端与雷达流速仪4输入端相连；雷达流速仪4输出端与数据采集模块5输入端相连；数据采集模块5输出端与无线数据传输模块6输入端相连，无线数据传输模块6输出端与上位计算机7输入端相连，所述的北斗高精度差分定位装置1、雷达流速仪4、激光传感器2、伺服定位模块3安装在一起形成传感器装置。
所述的数据采集模块5包括CPU、存储器；数据采集模块5用于将北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2所获取的信号进行处理，然后发出控制信号给伺服定位模块3调节雷达流速仪4的倾角到指定角度，雷达流速仪4测得指定断面的水面流速数据，并将获取的信息发送给数据采集模块5，数据采集模块5将接收的信息存储在内部的存储器中，并通过无线数据传输模块6将信号发送到上位计算机7。
所述的传感器装置安装于缆道三角滑轮支撑臂上。
一种高水条件下的水面流速检测系统的检测方法，包括如下步骤：
step1、传感器装置到达指定的位置后，接通电路，数据采集模块5开始工作；
step2、北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2同时开始工作，北斗高精度差分定位装置1采集传感器装置的地理位置数据，激光传感器2采集传感器装置到水面的精确数据，将数据封装后存储在数据采集模块5的存储器中；
step3、数据采集模块5把北斗高精度差分定位装置1所获取的传感器装置地理位置数据、激光传感器2所获取的传感器装置到水面的精确距离数据、数据采集模块5内的水面精确海拔数据通过解算、筛选、融合算法，得到当前传感器装置的精确地理位置数据，然后得到雷达流速仪4的倾角，最后通过伺服定位模块3调节雷达流速仪4的倾角，使其电磁波发射到指定的断面上，然后雷达流速仪4开始工作，测得指定断面的流速数据后，将流速数据、水面到传感器装置的距离数据、雷达流速仪4所发出的电磁波与水面之间的夹角数据封装成数据包，存储在数据采集模块5内部的存储器中；
step4、通过无线数据传输模块6把存储在存储器内的数据传输到上位计算机7中。
所述步骤step3中，传感器装置的精确位置解算、筛选、融合步骤如下：
Step3.1、北斗高精度差分定位装置1获取传感器装置的地理位置数据，激光传感器2获取传感器装置到水面的精确距离数据，并将数据发送到数据采集模块5；
Step3.2、数据采集模块对北斗高精度差分定位装置1所获取的信号进行解算，选取X、Y坐标；
step3.3、根据已知的水面精确海拔，结合激光传感器2所测的传感器装置到水面的精确距离，计算出传感器装置精确的Z坐标；
Step3.4、数据采集模块对X、Y、Z坐标进行计算，得到传感器装置的精确地理位置数据。
所述步骤step3中，雷达流速仪4的倾角解算步骤如下：
Step3.5、已知传感器装置的精确地理位置数据，又已知河道断面的位置数据，通过数据采集模块（5）处理后可知道传感器装置到指定断面的水平距离L，
已知传感器装置到指定断面的水平距离L，又知传感器装置到水面的垂直距离H，同时传感器装置又垂直于水面，根据三角函数正切定理：
求得θ为：
θ为雷达流速仪（4）发出的电磁波射到指定断面上时与水面之间的夹角；
Step3.6、根据三角形内角和定理：
求得雷达流速仪（4）发出的电磁波射到指定断面上时所应满足的倾角β:
。
所述步骤step3中，伺服定位模块3调节雷达流速仪4的倾角步骤如下：
Step3.7、当实际的β角等于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面上；
Step3.8、当实际的β角大于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面之前A点时，数据采集模块5发出指令给伺服定位模块3，伺服定位模块3转动调小β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定的断面上；
Step3.9、当实际的β角小于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面之后B点时，数据采集模块5发出指令给伺服定位模块3，伺服定位模块3转动调大β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定的断面上。
本发明的工作原理是：
通过北斗高精度差分定位装置1确定传感器装置的地理位置数据；通过激光传感器2精确测出从传感器装置到水面的距离数据；通过数据采集模块，把北斗高精度差分定位装置1所获取的地理位置数据和激光传感器2所获取的精确距离数据、数据采集模块内的水面精确海拔数据通过解算、筛选、融合算法，得到当前传感器装置的精确地理位置数据。已知传感器装置的精确地理位置数据，又已知河道指定断面的位置数据，通过数据采集模块5处理后可知道传感器装置到指定断面的水平距离。已知传感器装置到指定断面的水平距离，又已知传感器装置到水面的精确距离数据，从而得到雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面上时与水平面之间应该满足的夹角；通过伺服定位模块3调节雷达流速仪的倾角，使其发出的电磁波射到指定的断面上；通过雷达流速仪4采集当前的流速数据；将流速数据、水面到传感器装置的距离数据、雷达流速仪4所发出的电磁波与水面之间的夹角数据封装成数据包，存储在数据采集模块5内部的存储器中；通过无线数据传输模块6将数据传送到上位计算机7，上位计算机7显示存储水面流速数据；
如图1所示，一种高水条件下的水面流速检测系统，由北斗高精度差分定位装置1、激光传感器2、伺服定位模块3、雷达流速仪4、数据采集模块5、无线数据传输模块6、上位计算机7组成。北斗高精度差分定位装置1负责采集传感器装置的地理位置数据。雷达流速仪4负责采集水面流速数据。激光传感器2负责采集传感器装置到水面的垂直距离。数据采集模块5负责将采集到的位置数据、距离数据和水面流速数据进行解算、筛选、融合、存储。无线数据传输模块6负责把数据传输到上位计算机7。伺服定位模块3负责调节雷达流速仪4的倾角。上位计算机7显示、存储水面流速数据。
图2是雷达流速仪的工作示意图。
图3是伺服定位模块3调节雷达流速仪4倾角示意图，当实际的β角等于所应满足的β角时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面上；当雷达流速仪4所发出的电磁波射到A断面时，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面之前，数据采集模块5发出指令给伺服定位模块3，伺服定位模块3转动调小β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定的断面上；当雷达流速仪4所发出的电磁波射到B断面时，，雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面之后，数据采集模块5发出指令给伺服定位模块3，伺服定位模块3转动调大β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定的断面上；
图5是传感器装置位置坐标解算、筛选、融合并用于调节雷达流速仪倾角的流程图。通过北斗高精度差分定位装置1确定传感器装置的地理位置数据；通过激光传感器2精确测出从传感器装置到水面的距离数据；通过数据采集模块5，把北斗高精度差分定位装置1所获取的地理位置数据、激光传感器2所获取的距离数据和数据采集模块5内的水面精确海拔数据通过解算、筛选、融合算法，得到当前传感器装置的精确坐标。已知传感器装置的精确地理位置数据，又已知河道指定断面的位置数据，通过数据采集模块5处理后可知道传感器装置到指定断面的水平距离。已知传感器装置到指定断面的水平距离，又已知传感器装置到指定断面的水平距离，从而得到雷达流速仪4所发出的电磁波射到指定断面上时与水平面之间应该满足的夹角；通过伺服定位模块3调节雷达流速仪的倾角，使其发出的电磁波射到指定的断面上；通过雷达流速仪4采集当前的流速数据；
图6为水文监测系统的连接结构图，本发明在缆道三角滑轮支撑臂上安装传感器装置，包含有北斗高精度差分定位装置、伺服定位模块、激光传感器和雷达流速仪。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种高水条件下的水面流速检测系统，其特征在于：包含北斗高精度差分定位装置（1）、激光传感器（2）、伺服定位模块（3）、雷达流速仪（4）、数据采集模块（5）、无线数据传输模块（6）、上位计算机（7）；北斗高精度差分定位装置（1）输出端与数据采集模块（5）输入端相连；激光传感器（2）输出端与数据采集模块（5）输入端相连；数据采集模块（5）输出端与伺服定位模块（3）输入端相连；伺服定位模块（3）输出端与雷达流速仪（4）输入端相连；雷达流速仪（4）输出端与数据采集模块（5）输入端相连；数据采集模块（5）输出端与无线数据传输模块（6）输入端相连，无线数据传输模块（6）输出端与上位计算机（7）输入端相连，所述的北斗高精度差分定位装置（1）、雷达流速仪（4）、激光传感器（2）、伺服定位模块（3）安装在一起形成传感器装置。
2.根据权利要求1所述的一种高水条件下的水面流速检测系统，其特征在于：所述的数据采集模块（5）包括CPU、存储器；数据采集模块（5）用于将北斗高精度差分定位装置（1）、激光传感器（2）所获取的信号进行处理，然后发出控制信号给伺服定位模块（3）调节雷达流速仪（4）的倾角到指定角度，雷达流速仪（4）测得指定断面的水面流速数据，并将获取的信息发送给数据采集模块（5），数据采集模块（5）将接收的信息存储在内部的存储器中，并通过无线数据传输模块（6）将信号发送到上位计算机（7）。
3.根据权利要求1所述的一种高水条件下的水面流速检测系统，其特征在于：所述的传感器装置安装于缆道三角滑轮支撑臂上。
4.一种高水条件下的水面流速检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
step1、传感器装置到达指定的位置后，接通电路，数据采集模块（5）开始工作；
step2、北斗高精度差分定位装置（1）、激光传感器（2）同时开始工作，北斗高精度差分定位装置（1）采集传感器装置的地理位置数据，激光传感器（2）采集传感器装置到水面的精确数据，将数据封装后存储在数据采集模块（5）的存储器中；
step3、数据采集模块（5）把北斗高精度差分定位装置（1）所获取的传感器装置地理位置数据、激光传感器（2）所获取的传感器装置到水面的精确距离数据、数据采集模块（5）内的水面精确海拔数据通过解算、筛选、融合算法，得到当前传感器装置的精确地理位置数据，然后得到雷达流速仪（4）的倾角，最后通过伺服定位模块（3）调节雷达流速仪（4）的倾角，使其电磁波发射到指定的断面上，然后雷达流速仪（4）开始工作，测得指定断面的流速数据后，将流速数据、水面到传感器装置的距离数据、雷达流速仪（4）所发出的电磁波与水面之间的夹角数据封装成数据包，存储在数据采集模块（5）内部的存储器中；
step4、通过无线数据传输模块（6）把存储在存储器内的数据传输到上位计算机（7）中。
5.根据权利要求4所述的一种高水条件下的水面流速检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤step3中，传感器装置的精确位置解算、筛选、融合步骤如下：
Step3.1、北斗高精度差分定位装置（1）获取传感器装置的地理位置数据，激光传感器（2）获取传感器装置到水面的精确距离数据，并将数据发送到数据采集模块（5）；
Step3.2、数据采集模块对北斗高精度差分定位装置（1）所获取的信号进行解算，选取X、Y坐标；
step3.3、根据已知的水面精确海拔，结合激光传感器（2）所测的传感器装置到水面的精确距离，计算出传感器装置精确的Z坐标；
Step3.4、数据采集模块对X、Y、Z坐标进行计算，得到传感器装置的精确地理位置数据。
6.根据权利要求4所述的一种高水条件下的水面流速检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤step3中，雷达流速仪（4）的倾角解算步骤如下：
Step3.5、已知传感器装置的精确地理位置数据，又已知河道断面的位置数据，通过数据采集模块（5）处理后可知道传感器装置到指定断面的水平距离L，
已知传感器装置到指定断面的水平距离L，又知传感器装置到水面的垂直距离H，同时传感器装置又垂直于水面，根据三角函数正切定理：
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求得θ为：
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θ为雷达流速仪（4）发出的电磁波射到指定断面上时与水面之间的夹角；
Step3.6、根据三角形内角和定理：
求得雷达流速仪（4）发出的电磁波射到指定断面上时所应满足的倾角β:
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7.根据权利要求6所述的一种高水条件下的水面流速检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤step3中，伺服定位模块（3）调节雷达流速仪（4）的倾角步骤如下：
Step3.7、当实际的β角等于所应满足的β角时，雷达流速仪（4）所发出的电磁波射到指定断面上；
Step3.8、当实际的β角大于所应满足的β角时，雷达流速仪（4）所发出的电磁波射到指定断面之前A点时，数据采集模块（5）发出指令给伺服定位模块（3），伺服定位模块（3）转动调小β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪（4）所发出的电磁波射到指定的断面上；
Step3.9、当实际的β角小于所应满足的β角时，雷达流速仪（4）所发出的电磁波射到指定断面之后B点时，数据采集模块（5）发出指令给伺服定位模块（3），伺服定位模块（3）转动调大β角，使实际的β角等于所应满足的β角，从而使雷达流速仪（4）所发出的电磁波射到指定的断面上。
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