CN109765525A - 一种水下卵石运动位置实时追踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下卵石运动位置实时追踪系统，包括定位信号采集子系统及处理器，定位信号采集子系统包括多个卵石侦测装置及至少三个固定设置在水下的位置不同的信号接收装置，且各信号接收装置之中存在有三个信号接收装置的布置位置连线构成三角形，每个卵石侦测装置包括卵石本体，卵石本体上设有安装孔，安装孔内固定安装有信号发射装置，处理器分别与每个信号发射装置及每个信号接收装置通信连接。本发明还公开了使用上述系统实现的水下卵石运动位置实时追踪方法。采用本发明公开的技术方案，能够实现对多个卵石侦测装置进行定位，实现对每个卵石侦测装置的运动轨迹的跟踪。

Description

一种水下卵石运动位置实时追踪系统及方法

技术领域

本发明涉及航道观测领域，尤其涉及一种水下卵石运动位置实时追踪系统及方法。

背景技术

现有的推移质观测技术主要分为两大类，直接测量法和间接观测法。直接测量主要是借助于各种尺寸和结构的采样器和装置，直接测量推移质，传统的采用较多的是压差式采样器和坑测法。间接测量主要是以各种物理原理为基础，或通过施测与推移质运动相关的参数，间接推移质输沙率，主要有示踪法、光测法、声学法等。

声学法在抗水流干扰，敏感性，可靠性，运动轨迹等方面具有较强的优势。基于声学观测不会改变河床的水力条件，可提供持续的观测数据，由于声信号可远距离传输，可采集大范围内的卵砾石运动等优势，目前已经有较多研究者采用声学法进行河流卵石运动观测，采用水听器等水下音频记录仪监测卵砾石运动等，但该技术还在不断更新中，在卵石运动轨迹测量的准确性方面仍有局限，在多组卵石运动位置的确定上仍存在缺陷，目前还未实现可视化观测。

因此，如何实现多个卵石的运动位置的可视化定位观测成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是如何实现多组卵石的运动位置的可视化定位观测。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种水下卵石运动位置实时追踪系统，包括定位信号采集子系统及处理器，其中：定位信号采集子系统包括多个卵石侦测装置及至少三个固定设置在水下的位置不同的信号接收装置，且各信号接收装置之中存在有三个信号接收装置的布置位置连线构成三角形，每个卵石侦测装置包括卵石本体，卵石本体上设有安装孔，安装孔内固定安装有信号发射装置，处理器分别与每个信号发射装置及每个信号接收装置通信连接；所有信号发射装置与信号接收装置的时钟同步，信号发射装置用于周期性的向信号接收装置发射声波信号，同时，信号发射装置还用于将发射声波信号对应的发射时间发送至处理器；信号接收装置用于在接收到声波信号后，并将接收声波信号对应的接收时间发送至处理器；处理器内存储有卵石声波信号位置确定算法，且记录有各信号接收装置的布置位置信息，处理器用于接收每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间，并基于各信号接收装置的布置位置信息和卵石声波信号位置确定算法确定间谍卵石的位置。

优选地，所述信号发射装置为SUR-3型超声波发射器，所述信号接收装置为SUR-3型超声波接收器。

优选地，还包括与处理器电连接的显示装置。

优选地，卵石侦测装置的制作方法包括：选择不同粒度尺寸的多个卵石；分别在选取的各卵石上钻通孔，通孔孔径大于信号发射装置尺寸；针对每个选取的卵石，在通孔内灌入胶黏剂，将信号发射装置塞入至填充有胶黏剂的通孔内的中部位置，然后再向通孔内填补胶黏剂，最后将通孔两端开口用橡胶塞塞紧密封；由此得到不同粒度尺寸的多个卵石侦测装置。

优选地，所述卵石声波信号位置确定算法是基于接收的发射时间和接收时间计算时间差，基于时间差计算信号发射装置与信号接收装置之间的距离，基于信号发射装置与信号接收装置之间的距离对信号发射装置进行定位，从而确定间谍卵石的位置。

优选地，若信号接收装置的数量等于三，则采用三点定位法对信号发射装置进行定位，若信号接收装置的数量大于三，则采用最小二乘法对信号发射装置进行定位。

一种水下卵石运动位置实时追踪方法，所述水下卵石运动位置实时追踪方法应用于如权利要求1所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，包括如下步骤：

S1、信号发射装置周期性的向信号接收装置发射声波信号，同时，信号发射装置还将发射声波信号对应的发射时间发送至处理器；

S2、信号接收装置在接收到声波信号后，将接收声波信号对应的接收时间发送至处理器；

S3、处理器接收每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间，并基于卵石声波信号位置确定算法确定每个卵石侦测装置的位置。

优选地，步骤S3中，处理器基于接收的发射时间和接收时间计算时间差，基于时间差计算信号发射装置与信号接收装置之间的距离，基于信号发射装置与信号接收装置之间的距离对信号发射装置进行定位，从而确定卵石侦测装置的位置。

优选地，若信号接收装置的数量等于三，则采用三点定位法对信号发射装置进行定位，若信号接收装置的数量大于三，则采用最小二乘法对信号发射装置进行定位。

优选地，所述水下卵石运动位置实时追踪系统还包括与处理器电连接的显示装置，所述水下卵石运动位置实时追踪方法还包括：

S4、显示装置显示每个卵石侦测装置的位置。

综上所述，本发明公开了一种水下卵石运动位置实时追踪系统，包括定位信号采集子系统及处理器，定位信号采集子系统包括多个卵石侦测装置及至少三个固定设置在水下的位置不同的信号接收装置，且各信号接收装置之中存在有三个信号接收装置的布置位置连线构成三角形，每个卵石侦测装置包括卵石本体，卵石本体上设有安装孔，安装孔内固定安装有信号发射装置，处理器分别与每个信号发射装置及每个信号接收装置通信连接。本发明还公开了使用上述系统实现的水下卵石运动位置实时追踪方法。采用本发明公开的技术方案，能够实现对多个卵石侦测装置进行定位，实现对每个卵石侦测装置的运动轨迹的跟踪。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种水下卵石运动位置实时追踪系统的结构框图；

图2为对多个卵石侦测装置进行跟踪的基本原理图；

图3为对多个卵石侦测装置进行跟踪的信号处理流程图；

图4为卵石侦测装置及信号接收装置的空间分布示意图；

图5为同步声波信号发送及接收示意图；

图6为三点定位实现卵石侦测装置定位的示意图；

图7为基于水声原理定位的几何关系图；

图8为采用本发明公开的系统及方法进行试验的方案布置图；

图9为采用本发明公开的系统及方法进行试验的卵石侦测装置运动轨迹实时显示示意图。

附图标记说明：卵石侦测装置100、卵石本体101、信号发生装置102、信号接收装置200、处理器300、显示装置400、。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种水下卵石运动位置实时追踪系统，包括定位信号采集子系统及处理器，其中：定位信号采集子系统包括多个卵石侦测装置及至少三个固定设置在水下的位置不同的信号接收装置，且各信号接收装置之中存在有三个信号接收装置的布置位置连线构成三角形，每个卵石侦测装置包括卵石本体，卵石本体上设有安装孔，安装孔内固定安装有信号发射装置，处理器分别与每个信号发射装置及每个信号接收装置通信连接；所有信号发射装置与信号接收装置的时钟同步，信号发射装置用于周期性的向信号接收装置发射声波信号，同时，信号发射装置还用于将发射声波信号对应的发射时间发送至处理器；信号接收装置用于在接收到声波信号后，并将接收声波信号对应的接收时间发送至处理器；处理器内存储有卵石声波信号位置确定算法，且记录有各信号接收装置的布置位置信息，处理器用于接收每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间，并基于各信号接收装置的布置位置信息和卵石声波信号位置确定算法确定间谍卵石的位置。

在本发明中，针对信号接收装置的保护，可采用由多根钢筋焊接而成的观测架，观测架结实牢固，能抗水流冲击及水中悬浮物的撞击，将信号接收装置用钢丝固定在观测架中，防止信号接收装置在水下由于水流的作用而来回晃动，导致产生额外的噪声以及信号接收装置的损坏。观测架与航标船固定连接，从而防止观测架被水流冲走。

在本发明中，处理器可以为拥有信号处理能力的电脑终端，内嵌matlab编制的卵石声波信号位置确定算法。处理器可以通过一个信号接收终端接收信号发射装置和信号接收装置发送的信号，之后处理器在根据接收到的信号进行卵石侦测装置的定位。本发明中，卵石侦测装置的卵石本体为自然存在的卵石，通过在上设安装孔的方式安装信号发射装置。卵石侦测装置其体积、硬度及重量均与自然存在的卵石无异，通过对卵石侦测装置的定位，能够得到卵石侦测装置的运动轨迹，由于卵石侦测装置与自然存在的卵石无异，因此也就得到了自然存在的卵石的运动轨迹。本发明中的水下卵石运动位置实时追踪系统具有便携式，可回收，易操作，准确性高等优点。

在本发明中，信号接收装置可以接收多种频率的声波信号，因此，每个信号发射装置设置为发射不同频率声波信号，从而信号接收装置可以识别出接收到的声波信号来自哪一个信号发射装置。本领域技术人员应当知晓的是，信号接收装置向处理器发送接收时间时，其发送的信息中也包含了此接收时间对应的信号发射装置的身份信息，从而处理器根据每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间来确定卵石侦测装置的位置。

在本发明中，可以采用多组粒径不同的卵石侦测装置，从而实现对不同粒径的卵石的运动位置的长期监测，也可以采用多个粒径相同的卵石侦测装置，而实现对单组相同粒径的卵石的运动位置的长期监测。

具体实施时，所述信号发射装置为SUR-3发射器，所述信号接收装置为SUR-3型接收器。

SUR-3发射器直径仅为9.5mm，长度为25mm，水中重量为2.5g，传输距离能达到750m以上，使用寿命能达到10个月之久，发射的声波最大频率为75Hz。SUR-3发射器具有体积小重量轻的特点，适合安装在卵石侦测装置上，且能够保证卵石侦测装置的体积重量与其他卵石无异。

SUR-3型接收器是由一个电池系统﹑微处理器﹑闪存﹑实时时钟﹑水听器﹑超声波接收器以及RS-232串行端口组成，其水下重量1kg，灵敏度大于35分贝，从传感器到后盖长38cm，直径60mm，内存2M，电池型号TL5930，使用寿命为7～11个月。该接收器可以扫描15种不同频率，实现一个被动接收器接收多个发射“连续脉冲”的发射器。

具体实施时，还包括与处理器电连接的显示装置。

具体实施时，卵石侦测装置的制作方法包括：选择不同粒度尺寸的多个卵石；分别在选取的各卵石上钻通孔，通孔孔径大于信号发射装置尺寸；针对每个选取的卵石，在通孔内灌入胶黏剂，将信号发射装置塞入至填充有胶黏剂的通孔内的中部位置，然后再向通孔内填补胶黏剂，最后将通孔两端开口用橡胶塞塞紧密封；由此得到不同粒度尺寸的多个卵石侦测装置。

这样，制得的卵石侦测装置与普通同力度尺寸卵石的外形、重量相近，并选择制作不同粒度尺寸的多个卵石侦测装置，因此这些卵石侦测装置的运动轨迹能够真实的反映各不同粒度卵石的水下运动情况，有利于确保卵石运动轨迹测量的准确性。并且，钻通孔，将信号发射器塞入通孔的中部位置，这样在需要回收发射器时，可以将卵石侦测装置取回后，利用柱状物从通孔一侧顶推入通孔中，将发射器顶出，且发射器在两侧的胶黏剂缓冲保护下不易被顶推损坏，更便于回收。本发明中胶黏剂可以采用玻璃胶等密度较大的胶黏剂，保证卵石侦测装置与普通卵石密度接近。

具体实施时，所述卵石声波信号位置确定算法是基于接收的发射时间和接收时间计算时间差，基于时间差计算信号发射装置与信号接收装置之间的距离，基于信号发射装置与信号接收装置之间的距离对信号发射装置进行定位，从而确定间谍卵石的位置。

具体实施时，若信号接收装置的数量等于三，则采用三点定位法对信号发射装置进行定位，若信号接收装置的数量大于三，则采用最小二乘法对信号发射装置进行定位。

本发明还公开了一种水下卵石运动位置实时追踪方法，所述水下卵石运动位置实时追踪方法应用于上述的水下卵石运动位置实时追踪系统，包括如下步骤：

S1、信号发射装置周期性的向信号接收装置发射声波信号，同时，信号发射装置还将发射声波信号对应的发射时间发送至处理器；

S2、信号接收装置在接收到声波信号后，将接收声波信号对应的接收时间发送至处理器；

S3、处理器接收每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间，并基于卵石声波信号位置确定算法确定每个卵石侦测装置的位置。

具体实施时，步骤S3中，处理器基于接收的发射时间和接收时间计算时间差，基于时间差计算信号发射装置与信号接收装置之间的距离，基于信号发射装置与信号接收装置之间的距离对信号发射装置进行定位，从而确定卵石侦测装置的位置。

具体实施时，若信号接收装置的数量等于三，则采用三点定位法对信号发射装置进行定位，若信号接收装置的数量大于三，则采用最小二乘法对信号发射装置进行定位。

本发明可以通过基于多目标跟踪的方法，利用三点定位技术，确定卵石运动空间位置分布。其原理图分别如图2-3所示。

将能够发射声波信号的发射器SUR-3植入卵石中制成“卵石侦测装置”，不同粒径的卵石侦测装置设置成发射不同频率的声波信号，之后将其放入水下。同时布置SUR-3信号接收装置，该信号接收装置仅能够接收发射器发射出的声波信号，以确保不受环境声音的影响。接收器每隔几秒就会收到一个来自卵石侦测装置发射出的声波信号。

多目标追踪卵石运动过程中各个测量设备布置的空间分布如图4所示。

根据声学定位的基本原理，如果已知声波在水中的传播时间Δt，就能够推求出其在水中的传播距离L。为了保证测量到的Δt为真实的传播时间，需要采用同步定位法(时钟同步和声同步，如图5所示)，所谓同步定位即指接收器与发射器要保持时钟同步，发射器发射信号的行为要和接收器接收信号的行为同时进行，或者两者之间的时间差t’已知。这时声波的传播距离可根据下式求得。

L＝Δt·c (1.1)

式中L为声波在水下传播的距离，m；Δt为传播时间，s；c为水下声波的传播速度，m/s。

如果在卵石中植入发射器，并且确保发射器与接收器行为同步，就能通过式(1.1)实时的计算出卵石与接收器之间的距离，通过三个接收器就能对卵石进行定位。如图6所示，根据几何知识，已知位于空间中的一点和与该点不重合并且处在同一平面内的其它三点，则通过几何关系可以求解出该点的位置。解析的结果中(x,y)的值唯一，而深度有两个解z和z^*。根据实际中卵石与接收器的相对位置，可以舍去不符合要求的Z值(舍去小于零的解)。在本发明中，接收器应处在同一平面内。

在实际运用中，为了保证定位结果的稳定和计算精度，在测量结果明显失真或者某个接收器损坏的情况下仍然能正常提供定位数据，通常会采用3个以上的接收器，这样就会使得观测数据有一定的冗余。如图7中的测量系统中有四个接收器，而位置坐标中的未知数只有三个(x,y,z)，这就形成了一个冗余的测量系统，此时位置坐标可通过最小二乘法解算。

根据接收器与发射器之间的空间位置关系，可列出解析式。

(X-X_i)²+(Y-Y_i)²+(Z-Z_i)²＝R_i ² (1.2)

式中，X_i,Y_i,Z_i表示接收器的位置坐标，R_i表示接收器与发射器(卵石侦测装置)之间的距离，i＝1,2,3,4。

式(1.2)两两相减，可消去二次项，得：

其中，i＝1,2,3,4；j＝2,3,4；i≠j。

将式(1.3)标记为：

A＝-2(X_i-X_j)

B＝-2(Y_i-Y_j)

C＝-2(Z_i-Z_j)

(i＝1,2,3,4；j＝2,3,4；i≠j)

写成线性方程组形式：

EX＝F (1.5)

其中：

当E为非奇异矩阵时，可利用最小二乘法求解，解式(1.6)得到：

X＝(E^TE)^-1(E^TF) (1.7)

式(1.7)得到的X就是发射器(卵石侦测装置)的空间位置坐标。

根据接收到的信号，通过上述计算，就可以实时获得卵石侦测装置的运动状态以及卵石侦测装置运动的位置。不同时刻卵石侦测装置的位置信息组成了其在河流中的运动轨迹。

具体实施时，所述水下卵石运动位置实时追踪系统还包括与处理器电连接的显示装置，所述水下卵石运动位置实时追踪方法还包括：

S4、显示装置显示每个卵石侦测装置的位置。

为了便于直观的了解卵石侦测装置的位置情况，显示装置可将处理器确定的卵石侦测装置的位置显示在地图上。

如图9所示，采用本发明公开的系统及方法进行试验，进行试验的水下试验场地为国家内河航道整治中心东溪口河流物理模型场，该模型按照与实际河道1:100的比例建造，原为航道整治研究而建。本次水下试验在该模型场进行，能更加接近实际卵石所处环境。

试验时，模型河道放满水，如图8所示，将三个接收器布置在半径为5m的圆周上，相邻两个接收器之间的圆心角为120度，在圆心处放置一个发射器。试验的目的是为了验证在同一个发射器且距离相等的情况下，三个接收器接收信号的时刻是否相同，以及接收器与发射器在水中是否工作良好。通过远程终端输出卵石运动路线见图9。通过试验可以看出，装置在水中工作良好，能有效输出卵石运动实时位置。

综上所述，本发明公开的水下卵石运动位置实时追踪系统及水下卵石运动位置实时追踪方法具有以下有益效果：

(1)具有多级卵石运动轨迹观测功能，将SUR-3发射器设置为不同频率波段，根据需要观测的卵石进行卵石侦测装置的制作。“卵石侦测装置”能够通过声波进行位置信号的输出，通过配套的接收器进行数据的处理和传送，传输的距离可达750m，用户通过处理器对卵石侦测装置的运动位置信息进行处理，这种多粒径组的卵石运动实时观测功能是现有技术中的卵石运动追踪装置所不具备的。

(2)可通过远程终端进行卵石位置的定位，同时通过显示装置显示在所测河段的地形图上，实现轨迹运动可视化。

(3)所述水下卵石运动位置实时追踪系统集成精密，可无人值守实现一年的自动观测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下卵石运动位置实时追踪系统，其特征在于，包括定位信号采集子系统及处理器，其中：定位信号采集子系统包括多个卵石侦测装置及至少三个固定设置在水下的位置不同的信号接收装置，且各信号接收装置之中存在有三个信号接收装置的布置位置连线构成三角形，每个卵石侦测装置包括卵石本体，卵石本体上设有安装孔，安装孔内固定安装有信号发射装置，处理器分别与每个信号发射装置及每个信号接收装置通信连接；所有信号发射装置与信号接收装置的时钟同步，信号发射装置用于周期性的向信号接收装置发射声波信号，同时，信号发射装置还用于将发射声波信号对应的发射时间发送至处理器；信号接收装置用于在接收到声波信号后，并将接收声波信号对应的接收时间发送至处理器；处理器内存储有卵石声波信号位置确定算法，且记录有各信号接收装置的布置位置信息，处理器用于接收每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间，并基于各信号接收装置的布置位置信息和卵石声波信号位置确定算法确定间谍卵石的位置。

2.如权利要求1所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，其特征在于，所述信号发射装置为SUR-3型超声波发射器，所述信号接收装置为SUR-3型超声波接收器。

3.如权利要求1所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，其特征在于，还包括与处理器电连接的显示装置。

4.如权利要求1所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，其特征在于，卵石侦测装置的制作方法包括：选择不同粒度尺寸的多个卵石；分别在选取的各卵石上钻通孔，通孔孔径大于信号发射装置尺寸；针对每个选取的卵石，在通孔内灌入胶黏剂，将信号发射装置塞入至填充有胶黏剂的通孔内的中部位置，然后再向通孔内填补胶黏剂，最后将通孔两端开口用橡胶塞塞紧密封；由此得到不同粒度尺寸的多个卵石侦测装置。

5.如权利要求1所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，其特征在于，所述卵石声波信号位置确定算法是基于接收的发射时间和接收时间计算时间差，基于时间差计算信号发射装置与信号接收装置之间的距离，基于信号发射装置与信号接收装置之间的距离对信号发射装置进行定位，从而确定间谍卵石的位置。

6.如权利要求5所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，其特征在于，若信号接收装置的数量等于三，则采用三点定位法对信号发射装置进行定位，若信号接收装置的数量大于三，则采用最小二乘法对信号发射装置进行定位。

7.一种水下卵石运动位置实时追踪方法，其特征在于，所述水下卵石运动位置实时追踪方法应用于如权利要求1所述的水下卵石运动位置实时追踪系统，包括如下步骤：

S1、信号发射装置周期性的向信号接收装置发射声波信号，同时，信号发射装置还将发射声波信号对应的发射时间发送至处理器；

S2、信号接收装置在接收到声波信号后，将接收声波信号对应的接收时间发送至处理器；

S3、处理器接收每个信号发射装置对应的发射时间及接收时间，并基于卵石声波信号位置确定算法确定每个卵石侦测装置的位置。

8.如权利要求7所述的水下卵石运动位置实时追踪方法，其特征在于，步骤S3中，处理器基于接收的发射时间和接收时间计算时间差，基于时间差计算信号发射装置与信号接收装置之间的距离，基于信号发射装置与信号接收装置之间的距离对信号发射装置进行定位，从而确定卵石侦测装置的位置。

9.如权利要求8所述的水下卵石运动位置实时追踪方法，其特征在于，若信号接收装置的数量等于三，则采用三点定位法对信号发射装置进行定位，若信号接收装置的数量大于三，则采用最小二乘法对信号发射装置进行定位。

10.如权利要求9所述的水下卵石运动位置实时追踪方法，其特征在于，所述水下卵石运动位置实时追踪系统还包括与处理器电连接的显示装置，所述水下卵石运动位置实时追踪方法还包括：

S4、显示装置显示每个卵石侦测装置的位置。