CN109564117A - 具有可适配波束特性的流量计 - Google Patents

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Abstract

实施例提供了一种用于测量河道中的流体流量的流体参数的设备，包括：发射机；至少一个接收机；处理器，操作地耦接到所述至少一个发射机和所述至少一个接收机；存储器设备，存储所述处理器可执行以执行以下操作的指令：使用所述发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量，以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射；通过所述至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号；使用所述设备的处理器，基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束，来确定待测的一个或多个流体参数；以及使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联。描述并请求保护其它实施例。

Description

具有可适配波束特性的流量计
背景技术
估计河流和溪流的体积流量是资源管理和防洪中的重要问题。可以勘测横向河床深度以产生横截面剖面，然后将其划分成多个区段。然后使用潜水式速度探头在多个深度处对每个区段内的水流速度进行采样。以这种方式，河道横截面被划分成较小区域，每个区域与测量的速度相关联。根据该精心收集的数据集，可以计算总体积流量。
对所需的多点数据的收集充其量是一个耗时且成本高昂的过程，并且在诸如洪水之类的条件下非常危险。因此，每天或每小时的估计通常依赖于测量单个参数(例如，河水位(例如，单点水位))，并将该单个参数与通过更严格的随时间的测量而产生的水位流量关系曲线相关联。
通常，人们不能根据单个河流勘测来推断出整个水位流量关系曲线，这是因为曲线的斜率取决于哪些水动力控制管理不同水位下的河流表现。例如，高水位可能使得一些岩石或沙洲被淹没，从而允许流型显著改变。这意味着正确的水位流量关系曲线形状在特定水位(例如，洪水水位)处通常是未知的，并且不依赖于知道水位流量关系曲线的泄流(discharge)估计方法具有价值。
一种方法涉及熵流量建模。该方法提供了对取决于当前最大速度以及取决于先前确定的几乎与河流水位无关的系数的横截面平均速度的估计。根据熵流量建模理论，最大速度和横截面平均速度之间是地点相关成比例的。在宽河道中，最大速度通常发生在水面处，通常靠近河道的中心。
如果先前已经对河床和堤岸形状进行了勘测，那么水高度和横截面流动面积之间的关系也是已知的。因此，可以仅基于水高度和最大速度这两个测量，将泄流计算为平均速度乘以横截面积。此外，水高度和最大表面速度可通过所谓的非接触式传感器在相距一定距离处测量。非接触式测量传感器的示例是用于水位的超声波距离传感器和用于表面速度的多普勒雷达传感器。非接触式水位和速度传感器通常安装在跨越感兴趣的河流或溪流的桥上。这些传感器允许在洪水水位期间以很小的人员风险来估计河流或溪流泄流，这是因为不需要将任何物质放入水中。用于测量水高度的备选方法是浸没式压力传感器，其输出将随其浸没深度而变化。用于测量速度的备选方案是永久安装的超声波电流计，其通常安装在桥架上的水线下方。诸如此类的浸没式传感器需要更频繁的维护，并且在洪水事件期间易受损坏。这就是优选非接触式传感器的原因。
一些超声波水位传感器可用，一些型号专门用于测量河水位。
发明内容
一个实施例提供了一种用于测量在河道中流动的流体的流体参数的设备，包括：发射机；至少一个接收机；处理器，操作地耦接到所述至少一个发射机和所述至少一个接收机；存储器设备，存储所述处理器可执行以执行以下操作的指令：使用所述发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量，以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射；通过所述至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号；以及使用所述设备的处理器，基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束，来确定待测的一个或多个流体参数；以及使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联。
另一实施例提供了一种用于测量在河道中流动的流体的流体参数的设备，包括：发射机；至少一个接收机；处理器，操作地耦接到所述至少一个发射机和所述至少一个接收机；存储器设备，存储所述处理器可执行以执行以下操作的指令：使用所述发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量，以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射；通过所述至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号；使用所述设备的处理器，基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束，来确定待测的一个或多个流体参数；以及使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联。
另一实施例提供了一种用于测量河道中的流体流速的产品，包括：存储设备，其中存储有代码，所述代码是处理器可执行的，并且所述代码包括：使用发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量、以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射的代码；通过至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号的代码；使用所述设备的处理器基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束来确定待测的一个或多个流体参数的代码；以及使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联的代码。
以上是发明内容，因此可能包含对细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解，该发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。
为了更好地理解实施例、连同其其它和另外的特征和优点，结合附图参考以下描述。本发明的范围将在所附权利要求中指出。
附图说明
图1示出了流体流量计测量明河道中的流体的多个表面速度的的横截面视图。
图2示出了由天线阵列提供的示例波束阵列。
图3示出了由天线阵列提供的单个垂射转向波束(broadside-steered beam)的示例。
图4示出了由天线阵列提供的不同转向波束的示例。
图5示出了波束表面特性。
图6示出了示例流体流量计。
图7示出了示例流体流量计。
图8A至图8B示出了针对明河道的对称和非对称速度剖面的示例。
图9概述了流量计量的示例方法。
图10概述了流参数估计的示例方法。
图11示出了如本文所述的典型传感器内的各种子系统的示例。
具体实施方式
将容易理解的是，除所描述的示例实施例之外，还可以以各种不同配置来布置和设计在本文附图中概括描述和示出的实施例的组件。因此，以下对附图中表示的示例实施例的更详细描述并非旨在限制权利要求请求保护的实施例的范围，而只是表示示例实施例。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”(等)的提及意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等等不一定均是指相同的实施例。
此外，可以在一个或多个实施例中通过任何合适的方式来组合所描述的特征、结构或特性。在以下描述中，提供了各种具体的细节以给出对实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其它方法、组件、材料等来实践各种实施例。在其它实例中，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以免混淆。
非接触式或表面测量技术的缺点在于表面速度的测量不一定表示被测流体的平均速度。这是正确的，因为流体速度在河道宽度上变化，并且从表面到河道底部，速度分布也是可变的，这取决于河道坡度、摩擦、流体特性以及测量位置上游和下游的流动条件。
在流体通道具有定义的横截面的明河道情况下测量体积流量(Q)基于面积-速度概念：
Q＝VA，
其中，A是填充河道横截面的面积，V是通过该面积的平均流体速度，也称为横截面平均速度。
使用例如雷达波束或超声波束可测量的表面速度通常与真实的横截面平均速度V(即，精确计算体积流量所需的速度)不同。必须根据某种算法修改所测量的表面速度，以获得对横截面平均速度的估计。需要根据位于中心的表面区块(其中雷达波束或其它测量波束与水面相交)内的速度观察来估计横截面平均速度是潜在误差的来源。
通常，现有非接触式传感器的安装人员使用手动速度测剖方法(例如，安装在杆上的点速度传感器)来对河道进行“测剖”，并产生特定于地点的校正，该校正随后应用于来自测量单点或局部区块处的表面速度的非接触式速度传感器的读数。在安装时导出的简单校正因子随着时间的推移并且在包括不同的流体高度和改变的河道条件在内的各种流动条件下是否适于使用是值得怀疑的。
根据熵流量建模理论，最大速度和横截面平均速度之间是地点相关成比例的。在宽河道中，最大速度通常发生在水面处，通常靠近河道的中心。为了在没有附加不确定性的情况下应用熵流量建模理论，应该注意要实际测量最大速度。最大速度通常在靠近河道中心处的水面处可测量，但是河道形状的变化可能使得其偏离中心。因此，雷达速度传感器的适当部署可能需要表征大部分河道宽度上的表面速度，使得雷达波束可以瞄准正确位置。
此初始表征可能是昂贵且耗时的。此外，由于河流或溪流的水动力控制可能随着水位或时间而变化，因此仍然担心雷达速度传感器在洪水事件期间不能正确瞄准，并且不能测量真实的最大速度。不能测量真实的最大速度值是报告的泄流的不确定性的来源。
因此，实施例提供了一种雷达速度传感器，其可以在安装时和在后续使用期间搜索并测量真实速度最大值。在实施例中，传感器将悬挂在跨越水路或河道的桥或桁架上；因此，为了便于安装，由实施例提供的传感器封装小且轻，足以由一个人携带和安置。
熵流量建模方法的一个改进是将河道宽度划分成分段，类似于用于数值速度积分的分段，并且每个分段内的速度用熵流量建模类型方程来建模。为了应用此方法，有必要测量跨越河道宽度的多个点处的速度。实施例利用跨越明河道的多个速度测量，因此允许使用非接触式传感器来采用该技术。
因此，实施例提供了一种雷达速度传感器，其可以在跨河流或溪流的宽度的多个点处进行测量。在实施例中，这些点跨越河道宽度的重要部分。根据实施例的雷达速度传感器可以在跨越河道宽度中的某一重要部分的多个位置处进行测量，这提供了泄流估计的有价值的改进。
在实施例中，经由使用多个测量点来促进找到最大或峰值速度。通常，明河道中要测量的最重要区域是中心部分，这是因为这是最可能观察到峰值速度的地方。然而，实施例允许自动确定明河道内峰值速度的位置。
在多个点处测量表面速度还使得能够在非传统条件下应用预先存在的水位流量关系曲线，例如，将水位流量关系曲线应用于高水位条件。例如，如果例如可以通过用所描述的实施例确认表面速度分布的大致形状类似于最初确定水位流量关系曲线时观察到的大致形状来对现有曲线进行验证，则实施例允许现有曲线的恒定斜率外推。相反，如果横向河道速度分布具有显著不同的形状，则可以根据实施例调整水位流量关系曲线斜率。
另一实施例提供了一种可以使用无人机(UAV)或无人驾驶飞机来部署的传感器，例如以便将流体流量计(和附属传感器)悬挂或安置在遥远的或其它难以接近的水域上。显然，在这样的应用中必须最小化传感器大小和重量，这不仅是因为UAV有效载荷限制，还因为可能需要将整个设备封装携带长距离携带才能到达远程研究地点。
对于UAV应用，可能对空中花费的时间有严格的限制，这使得包括能够同时测量多个点的传感器在内的实施例特别有吸引力。实施例还能够调整波束取向和波束宽度，以便允许测量点跨越所研究的河道的重要宽度。实施例利用能够例如响应于来自高度计或垂直距离传感器的数据进行实时修改的波束特性。
为了实现多普勒速度测量，实施例提供了以锐角入射在水面上的雷达波束。举例来说，实施例可以采用与水面成20度到50度的仰角角度。所利用的这些部署角度是已知的(或可确定的)，以便计算正确的流向速度值。在实施例中，传感器包含倾斜测量特征，并且基于倾斜测量特征自动地调整所报告的速度。
对于雷达速度测量，另外的限制是水面不可能是完美平滑的或雷达能量不会反射回传感器。所需的表面粗糙度的尺度取决于雷达信号的波长：与VHF或UFIF雷达可以运行的表面粗糙度的尺度相比，波长小于0.1米的雷达可以在较小尺度的表面粗糙度的情况下运行。较长波长的雷达通常需要存在表面干扰(例如，可以由风引起)；这样的雷达可能在平静的条件下运行不佳。
因此，实施例利用能够在相对平滑的水面条件下运行的雷达传感器，例如，实施例利用显著短于0.1米的雷达波长。例如，24GHz的雷达载波频率与12.5mm的波长相关联，这在许多情况下产生良好的结果。此外，实施例提供了一种使用较高的载波频率(例如，24GHz)的传感器封装，以帮助减小传感器封装大小和重量，这是因为可以相应地将在较短电磁波长下操作的多元件定向天线制作得较小。
能够在跨河道宽度的多个位置处测量表面速度的传感器可以允许更好地估计横截面平均速度。因此，实施例提供并使用多个测量的表面速度来获得对横截面平均速度的估计。
实施例还改变波束、调整波束或使波束转向，以便基于河道内的流体水位来测量不同的位置或宽度。
通过参考附图将最好地理解所示出的示例实施例。以下描述仅旨在作为示例，并且简单地示出某些示例实施例。
在图1中，示出了流体流量计101，其被安置以用于测量流体河道中的流体103的流量。图8A至图8B中所示的视图示出了流体103通常以不同的速度流过流体河道。例如，流体103通常在流体河道的各个部分以不同的速度流动，流体103中的、靠近河道边缘(侧面和底部)的、边缘流动得更慢。
可以理解，采用单一测量(例如，仅使用单个测量波束)可能不会产生例如在测量流体流量方面有用的特别精确或有代表性的速度估计。因此，实施例提供了一种流体流量计101，其通过测量多个表面点来测量河道内流体103的流量。举例来说，如图1所示，实施例利用多个波束102A、102B、102C、102D、102E、102F和102G，以便获得在流体103的不同点处的速度测量。根据本文的描述显而易见的是，可以利用比图1所示的波束更多或更少的波束。波束的数量可以例如基于流体河道的宽度、流量计101的高度、流量计(或其组件，例如换能器和/或接收机)与流体表面之间的距离(例如，对于其高度在流体河道上方变化的移动流量计)、所利用的波束的类型和/或流体河道内的流体水位而变化。
图1中示出的是根据实施例的流体流量计101的示例实现。流体流量计101基于多个波束102A至102G提供流体流量测量，其中波束特性允许在流体表面103上的多个位置处测量速度；波束102A至102G实质上跨越流体河道的宽度。
流量计101可以包括基于雷达的传感器或换能器，所述基于雷达的传感器或换能器能够发射和接收102A至102G用于在实质上跨越明河道的宽度的多个位置处测量流体103(例如，水)的表面速度的多个波束102A至102G。流体流量计101的基于雷达的传感器可以通过以下操作来实现多个点处的速度测量：将单个雷达波束转向到流体103表面上的多个点；在具有就流体103表面而言的固定取向的若干波束之间进行切换；或前述操作的合适的组合。流量计101可以采用单个发射/接收天线(或阵列)，或者可以使用一个或多个专用发射天线(或阵列)和一个或多个专用接收机天线(或阵列)。
在采用不同发射天线和接收天线的流量计101中，转向或切换可以仅适用于接收天线、仅适用于发射天线、或适用于两者。当仅接收天线或发射天线之一被转向或切换时，另一天线可以采用能够实质上跨越河道的宽波束形状而无需重新定向。尽管发射波束和接收波束可以具有不同的辐射/接收图型(pattern)，但是有时考虑针对从发射天线传播到目标并返回到接收天线的能量的往返路径的有效波束图型是有用的。针对能量的往返路径的这种有效波束图型被称为受发射天线和接收天线的组合特性控制的“测量波束”。本领域技术人员将认识到，测量波束具有包括由关联的发射图型和接收图型形成的产物在内的图型，并且可以通过修改发射图型和接收图型之一或两者来改变测量波束图型。
所得到的测量波束的数量可以大于或等于发射或接收波束的数量。例如，将2个发射波束(在仰角方面具有角度选择性)与3个接收波束(在方位角方面具有角度选择性)组合可以产生6个可区分的测量波束。
流量计(例如，101)可以利用多个固定天线元件(例如，布置成线性或平面阵列)。这种布置可以用于发射天线、接收天线或两者。作为非限制性示例并且参考图2，发射天线可以设置成阵列(例如，固定线性阵列)，使得所得到的测量波束覆盖流体103的、在不同的区域中的、表面(从其反射)。图2示出了针对使用具有间隔7.5mm的13个元件的天线阵列而产生的7个不同测量波束的、方位角图型(功率对角度)的示例。
图3和图4示出了根据实施例的针对测量波束的方位角图型的示例。图3示出了具有5.4°(宽度)、0°(方向)主测量波束、-20.4dB旁瓣抑制的模拟24GHz天线波束。图4示出了具有6.5°宽度、+33°视轴方向和-18.1dB旁瓣抑制的模拟24GHz天线波束。在实施例中，流量计101具有0°，+/-32°的可选波束取向，其中取向角度是可选择的(例如，以5°的增量)。此外，在实施例中，流量计101具有从5.5°，+/-2.75°直到64°，+/-32°的零到零方位角波束宽度，因此能够跨越河道的部分宽度或实质上跨越河道的整个宽度，这取决于特定的河道。
控制波束方向的一种方法涉及将逐步的相位或时间延迟应用于相控阵天线的元件。相关领域的技术人员将认识到，存在进行转向或在不同转向的测量波束之间进行切换的多种方式，并且由权利要求限定的所述实施例的范围不应受限于使用哪种特定方法，除非在一个或多个权利要求中明确说明。
在图2至图4的示例中，可以控制阵列的元件以产生所指示的测量波束。对于位于流体流量计101中(或与流体流量计101操作连接)的接收天线，这提供了流体103的表面速度的多个测量，例如如图2至图4所示。注意，可以使用更多或更少的发射波束。
非接触式流体速度传感器可以设置在流体流量计101中以用于明河道，例如如图1所示。非接触式流体速度传感器能够在实质上跨越河道宽度的多个位置处处测量表面速度。非接触式流体速度传感器可以采用一个或多个电磁波束，例如传感器可以采用基于雷达的波束系统来进行多普勒表面速度确定。应注意，非接触式流体速度传感器可以采用其它技术，例如一个或多个超声波束。
由诸如仪表101之类的流量计采用的雷达系统可以包括利用垂直电磁极化并且被设计用于在流体表面103上方成在大约20度至大约50度之间的波束角度的测量波束，其中大约35度是优化作为载波泄漏的一部分的多普勒信号强度的最优选角度，但是可以采用45度来减小路径长度和所需的发射功率。
本文进一步描述的仪表电子设备可以使用来自流体的至少两个表面速度测量来估计明河道流速模型的参数。举例来说，仪表电子设备可以包含存储器，该存储器存储其中包含明河道流速模型在内的应用，其中该应用允许在给定来自多个表面位置的输入表面速度测量的情况下估计流体流量。在实施例中，可以使用以下分析技术中的任何一个或若干个技术来将这些测量的表面速度应用于有用的目的。
举例来说，各个表面速度测量可以直接用在多维方程或表中以确定横截面平均速度。可以根据理论规则、经验研究或其某种组合来导出多维方程或表。在实施例中，这样的数据可以机载地包含在流量计(例如，流量计101)的存储器中，或者可以通过流量计和另一设备之间有线或无线通信来访问。
此外或者备选地，所测量的表面速度可以用于拟合描述跨整个河道横截面的速度的参数化速度模型。然后可以使用拟合后的模型来计算所需的平均速度。
此外或者备选地，所测量的表面速度可以用于拟合表面速度分布的低阶参数模型，例如通过中心速度、宽度和偏斜参数化的准抛物线模型。然后可以使用所得到的简化的表面分布根据一些理论模型或经验导出的校准规则来估计横截面平均速度。
此外或者备选地，所测量的表面速度可以用于推断河道的相关物理特性，例如一个或多个河道边界的表面粗糙度或一个或多个边界剪切值。
此外或者备选地，可以将表面速度测量与计算机模拟结果的库进行比较，以确定哪个模拟与观察到的表面速度数据最匹配，并且可以通过根据所选择的模拟来重新缩放平均速度来推断横截面平均速度。
在应用以举例的方式列举的这些方法中的任何方法时，可以使用表面速度测量的时间平均或平滑版本。
在实施例中，流量计(例如，图1的流量计101)使用的发射或接收波束可以基于河道内的流体103水位或基于流量计101和流体表面103之间的距离(例如，基于例如在UAV实现中使用的高度计读数)来适配或改变。举例来说，对于明河道(例如，图1中所示的流体河道)，测量的位置的数量可以随河道的流体填充水位、河道宽度和/或流量计101与流体表面103之间的距离而变化。因此，示例实施例基于前述参数调制、改变或调整波束。
如图5所示，大多数流量计(例如，501)包括换能器(无论是电磁的还是声学的)以产生波束502，该波束502的形状可以近似为圆形或顶点位于换能器处的扁平锥形。投射在流体表面503上的该锥形产生测量区块，其形状可以是圆形、卵形或泪滴形。
如果流量计501的换能器和流体表面503之间的距离是可变的，则测量区块大小也将改变。遇到这样的情况：流量计501的换能器和流体表面503之间的距离的大的变化是可能的。在某些时候，流体表面503非常靠近流量计501，而在其它情况下，它离得远得多。
这些事实和情形产生当流量计501的换能器和流体表面503之间的距离改变时修改波束图型以便保持可接受大小的测量区块的潜在需求。应该进行这种修改的特定距离还可以取决于地点和安装具体情况，例如河道形状和仪器安装位置。
备选地，可以随着距离改变来适配波束，以便使波束的投影宽度与流体表面宽度之比保持恒定。这可能需要特定于河道形状的适配规则，因为流体表面宽度基于填充水位和流体河道形状而不同地调制。
波束方向性主要由换能器大小的平方相对于发射或接收能量波长来控制。当在超过距换能器的某个最小距离的远场区域中观察到波束图型时，这种说法是正确的。在简单情况下，远场边界距离由2D2/λ给出，其中D是换能器面的跨度，λ是发射或接收能量的波长。换能器用于小于远场边界距离的范围内可能表现出其预期的波束图型的劣化，例如较高的旁瓣水平。如果要在短范围内使用换能器，则可能需要采用方向性较差(较小)的设计，以缩短远场距离。然而，如果换能器也必须在较长范围内使用，则妥协其方向性会是不合需要的，这是因为这将导致过大的测量区块。一些实现在换能器和流体表面之间的范围内表现出大的变化。因此，当范围改变时，可能需要修改换能器的有效大小。此问题显现出来的范围取决于地点和实现具体情况，例如河道形状和仪器位置。
流体流量测量仪器的特性(除了所采用的波束能量类型之外)是一些使用单稳态换能器，而另一些使用双稳态换能器。单稳态换能器使用相同的换能器进行发射和接收，而双稳态换能器仪器使用不同的换能器进行发射和接收。一些仪器能够以连续波模式操作，其特征在于在整个测量周期内发射换能器不间断操作。一些仪器不能进行连续波模式，这是因为在从水面反射的返回能量到达之前，通常必须停止发射，并且换能器被赋予新的用途以用于接收。因此，一些仪器可能遭受时滞，该时滞被定义为赋予换能器新的用途所需的最小时间间隔。在用于测距的系统中，例如俯视超声波水位传感器，这显现为传感器可以运行的最小目标范围。尽管一些仪器没有滞后时间，但是它们可能遭受由发射和接收换能器瞄准流体表面上的不同位置而引起的视差误差。
如果流体表面固定在已知距离，则在发射和接收换能器瞄准相同点时不会出现困难。但是一些安装地点将在流体到换能器距离上表现出很大的变化。例如，在流体河道中，距离可以基于填充水位的改变或基于流量计安装在UAV或其它移动平台上而变化很大。在这些情况下，特别是在窄波束宽度的情况下，可能发生的是，发射和接收换能器的单个取向不能在所有距离上都起作用。这产生了当距离改变时要将一个换能器的波束轴相对于另一换能器的波束轴重新取向的需求。需要波束重新取向的距离取决于地点和安装具体情况，例如河道形状和仪器位置。
由于流体表面的宽度可以变化，因此需要适配波束取向或有效波束计数。这可以通过改变单个波束的取向或通过在具有不同取向的若干波束之间切换来完成。
图6示出了根据实施例的示例流量计601的视图。如所示，流量计601包括壳体604，壳体604包围内部组件(结合图7进一步详细描述)。天线(图6中未示出)发射和接收测量波束并由天线罩605包围。流量计601很小，例如在实施例中的传感器尺寸不超过27cm×20cm×12cm，并且因此流量计601可以安装到许多不同的位置或者可以使用UAV部署，例如使用安装支架606通过附接来进行。
实施例提供了一种紧凑的毫米波相控阵雷达，其适用于河流或溪流之上。流量计601能够在跨越河道的重要部分的多个空间上不同的点处进行多普勒速度测量。响应于流动条件、流量计601的高度或前述的组合，调整一个或多个波束特性(例如，波束方位角、波束计数或波束宽度)。
在实施例中，雷达载波频率大约为24GHz，并且可以同时测量12个或更多个波束取向。方位角波束宽度在+/-5.5度和+/-32度之间可调整。在实施例中，流量计601的重量不超过3kg。传感器包含自动倾斜补偿。
在实施例中，响应于一个或多个测量的返回信号参数(例如，多普勒频移、信号强度或信号可变性)而自动地完成对一个或多个波束特性的调整。此外，实施例可以基于流体表面上方的高度来调整或改变波束特性。在根据实施例的多波束雷达速度传感器中，流量计601被配置用于安装在UAV上，并且根据从实时高度计或垂直距离传感器报告的数据和/或根据信号参数(比如，多普勒频移、信号强度或信号可变性)来调整一个或多个波束特性。
图7示出了根据实施例的流量计701的横截面。这里，流量计701的内部组件是可见的。同样，内部组件包含在外壳704内，外壳704可以使用支架安装件706安装在诸如桥或移动车辆之类的结构上。天线阵列707提供通过天线罩705的测量波束(发射和接收)。测量波束提供例如使用通信板708传送的数据，以用于由例如经由缆线连接709连接的远程定位的处理器进行处理。
所使用的波束可以使用单稳态和/或双稳态型换能器来发射或接收，例如如天线707所提供的，该天线707的波束特性根据天线707和流体表面之间的距离或其它感兴趣的参数(例如，流体填充水位)来修改。要修改的特性可以是波束图型或大小、波束取向或瞄准、有效波束的数量、或前述的合适的组合。这些修改可以通过以下一种或多种方式实现，即通过改变换能器的有效区域以便加宽或缩窄波束宽度；通过使能、去使能或改变所选择的元件在阵列类型换能器中的相对权重；通过改变阵列类型换能器中各个元件的相对相位或馈送延迟；通过改变波束频率或波长；通过调整透镜或反射镜；和/或通过在具有不同特性的两个或更多个换能器之间进行切换。此外，可以通过改变组成发射波束、接收波束或两者来修改有效测量波束的特性。
作为非限制性示例，对于发射，可以存在一个串联馈送的锥形垂直贴片阵列，其图型在方位角上宽并且照射感兴趣区域中的所有事物。接收阵列可以由多个(例如，16个)类似的锥形垂直阵列组成，其中每列具有其自己的接收电子设备。这允许基于DSP适配方位角波束特性(宽度和方向)。
因此，实施例(通过任何手段)确定分隔距离，即表示流体表面和测量仪器(或其相关组件)之间的分隔的值。然后，实施例计算横截面流动面积和水面的宽度。然后，测量波束特性可以根据需要(例如，基于不同的流体水位和/或仪器的不同位置(例如，当仪器重新定位时或者是移动仪器时))适配于水表面宽度。仪器发射和接收测量波束，从而获得若干区块速度，实施例使用该区块速度来计算估计的平均速度(基于区块速度、水高度和河道横截面)。这允许实施例将体积流量计算为平均速度乘以横截面积。可以例如在稍后的某个时间重复这些步骤。
转到图8A至图8B，就速度分布而言，明河道可以具有对称或不对称流动。图8A示出了对称速度分布的示例，而图8B示出了不对称速度分布的示例。
实施例采用流量计801A，其使用跨越流体河道的重要部分的测量波束集合(在802A处共同指示)。例如，安装在桥上的流量计801A可以以锐角朝向流体表面803A(例如，河水等)发射方位角上宽(x轴，米)仰角上窄(y轴，度)的波束。在发射波束实质上横跨整个水面803A的情况下，可以采用仰角上宽且方位角上窄的多个接收波束来测量对应的多个局部表面区块(跨越河道宽度的某个重要部分)内的速度。这些区块是由于作为发射波束和接收波束的产物的有效测量波束在仰角和方位角方面都很窄的事实而产生的。
例如，在实施例中，例如从河道中心以规则角度间隔开的多个(例如，五个或更多个)波束反射802A可以由对应的多个测量波束接收。角度的间隔可以使得水表面803A的实质宽度例如以规则增量(例如，每12度(例如，参见图8A至图8B))来测量。与单个位于中心的测量相比，该间隔在许多情况下提供了足够的采样，以计算针对流过河道的流体的更精确的平均表面速度。此外，通过利用多个测量波束，可以自动识别明河道中具有最大速度的区域。
作为具体示例，如果仅利用位于中心的测量波束来计算流量，则对于最大速度位于中心处的对称速度分布(如图8A中所示)来说可以是可允许的。然而，对于非对称速度分布(例如，如图8B所示)，位于中心处的测量波束将不会检测到明河道内存在的最高速度。因此，根据实施例的流量计801B利用多个测量波束802B，以便检测对应的多个表面速度，即，通过同时和/或以连续方式测量流体表面803B上的不同区域。
参考图9，在903处，实施例因此可以使用多个流体表面速度测量901、902来计算估计的平均表面速度。这种平均表面速度可以转换成其它有用的测量，例如平均流体流速和由此得到的体积流量。
如本文所述，实施例可以基于流体表面和流量计之间的距离来适配发射波束和/或接收波束。因此，在904处，实施例可以确定明河道中的流体表面与流量计之间的距离。可以利用各种技术来在904处确定当前距离。例如，距离可以从向流体流量计提供的初始测量中获知，并且稍后基于使用例如俯视超声波或微波水位测量设备、使用高度计等而感测到的水位值来(周期性地、间歇地等)更新。
如果距离已经改变(例如，改变了至少预定量)，则在906处，即在获得更新的流体表面速度测量之前，实施例可以，调整发射波束和接收波束中的一个或多个。因此，实施例可以调整被一个或多个波束覆盖的表面的宽度，使得针对给定距离实现适当的覆盖。
在具有多个流体表面速度的情况下，实施例可以利用这些流体表面速度来应用熵流量建模理论。作为示例，并且参考图10，在1001处，实施例接收多个波束反射。在1002处，实施例从多个表面速度之中确定最大速度。该最大速度通常在靠近河道中心的水面处可测量，但河道形状的变化可使其偏离中心，如图8A所示。因此，实施例采用利用足够宽的测量波束或多个测量波束的流量计，来表征明河道宽度的重要部分上的表面速度。该初始表征可以随时间重复，以便例如当最大表面速度剖面改变时正确瞄准主测量波束，如图8A至图8B所示。例如，在洪水事件期间可能会发生这种改变。
在更精确地确定最大速度(如在1002处获得的)的情况下，，在1004处，实施例可以使用各种技术来确定流参数(例如，体积流量)。此外，具有多个可用的表面速度允许实施例实现分段技术，例如分段熵流量理论。
例如，在其中采用分段的熵流量(如在1003处所确定的)的实施例中，可以利用多个波束反射来确定针对河道分段的速度，如1005处所示。这反过来允许确定感兴趣的流参数，例如针对明河道的估计的流体流量，如1006处所示。
可以在各种设备上实现实施例。合适的设备的示例可以包括流量计，该流量计包括根据程序指令操作的天线阵列，用于提供多个流体表面速度测量点和/或在测量的流体表面宽度方面(例如，基于流体表面和流量计之间的距离)变化的波束。在实施例中，流量计可以包括具有处理器和存储器的计算设备，其中处理器执行流体表面速度测量程序的指令。如本文所述，存储器可以包含表、模型或其组合，以便使用测量的表面速度来计算估计的流体流量。
尽管可以在这种设备中使用各种其它电路、电路系统或组件，但是关于根据本文描述的各种实施例中的任何一个实施例的用于测量流体参数的仪器，图11中示出了示例。在一些系统中，一个或多个处理器1110可操作地耦接到某些外围设备，例如包括信号波形加工(conditioning)和转换单元1111、存储器1112、1113、通信接口1114、用户接口1115、功率调节和管理单元1116、以及雷达子系统1117。功率调节和管理单元1116可以由可充电电池1118供电，该可充电电池1118可以通过与电源(未示出)的连接进行再充电。
附加地，可以包括外围设备1119，例如天线阵列，如本文进一步描述的。系统通常包括用于数据输入和显示/呈现的用户接口1115。系统通常还包括各种存储器设备1112、1113，例如用于存储由天线阵列1119报告的测量、用于存储模型或表等，如本文进一步描述的。
根据前述内容可以理解，一个或多个系统或设备的电子组件可以包括但不限于至少一个处理单元、存储器、以及将包括存储器在内的各个组件耦接到处理单元的通信总线或通信装置。系统或设备可以包括或可以访问各种设备可读介质。系统存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的设备可读存储介质(比如，只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM))。通过示例而非限制的方式，系统存储器还可以包括操作系统、应用程序、其它程序模块和程序数据。
实施例可以实现为系统、方法或程序产品。因此，实施例可以采用全硬件实施例或者包括软件(包括固件、常驻软件、微代码等)的实施例的形式，它们在本文中可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，实施例可以采取在其上体现有设备可读程序代码的至少一个设备可读介质中体现的程序产品的形式。
可以使用设备可读存储介质的组合。在本文档的上下文中，设备可读存储介质(“存储介质”)可以是任何有形的非信号介质，其可以包含或存储由配置为由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序代码组成的程序。出于本公开的目的，存储介质或设备应被解释为非暂时性的，即不包括信号或传播介质。
本公开出于说明和描述的目的得以呈现，但是并非旨在穷举或限制。许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择和描述实施例以便说明原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解具有适合于所预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施例。
因此，尽管本文已经参考附图描述了说明性示例实施例，但是应该理解，该描述不是限制性的，并且本领域技术人员可以在其中进行各种其它改变和修改而不脱离本公开的范围或精神。

Claims (21)

1.一种用于测量在河道中流动的流体的流体参数的方法，包括：
使用设备的发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量，以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射；
通过所述设备的至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号；
使用所述设备的处理器，基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束，来确定待测的一个或多个流体参数；以及
使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个流体参数包括多个流体参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个流体参数中的每个流体参数与至少一个河道分段相关联。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个流体参数用于确定所述河道内最大表面速度的位置。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个流体参数用于确定河道流量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用单个流体参数来确定河道流量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，基于从所述设备到所述流体表面的距离来调整测量波束特性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述调整的所述测量波束特性包括通过至少一个测量波束测量的所述河道的宽度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，测量波束的数量基于从所述设备到所述流体表面的距离的增加而增加。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设备包括无人机。
11.一种用于测量在河道中流动的流体的流体参数的设备，包括：
发射机；
至少一个接收机；
处理器，操作地耦接到所述至少一个发射机和所述至少一个接收机；
存储器设备，存储所述处理器可执行以执行以下操作的指令：
使用所述发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量，以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射；
通过所述至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号；
使用所述设备的处理器，基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束，来确定待测的一个或多个流体参数；以及
使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述一个或多个流体参数包括多个流体参数。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述多个流体参数中的每个流体参数与至少一个河道分段相关联。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述多个流体参数用于确定所述河道内最大表面速度的位置。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述多个流体参数用于确定河道流量。
16.根据权利要求11所述的设备，其中，使用单个流体参数来确定河道流量。
17.根据权利要求11所述的设备，其中，基于从所述设备到所述流体表面的距离来调整测量波束特性。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述调整的所述测量波束特性包括通过至少一个测量波束测量的所述河道的宽度。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，测量波束的数量基于从所述设备到所述流体表面的距离的增加而增加。
20.根据权利要求11所述的设备，其中，所述设备包括无人机。
21.一种用于测量河道中流动的流体的速度的产品，包括：
存储设备，其中存储有代码，所述代码是处理器可执行的，并且所述代码包括：
使用发射机朝向流体河道中的流体的表面发射携带信号的定向能量以便产生来自所述流体表面的一个或多个反射的代码；
通过至少一个接收机来检测与如此产生的所述一个或多个反射相关联的一个或多个接收信号的代码；
使用设备的处理器基于包括发射信号和接收信号的特性的测量波束来确定待测的一个或多个流体参数的代码；以及
使用所述设备的处理器将所述一个或多个流体参数与河道分段相关联的代码。
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