CN110608720A - 基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统，包括：S1通过安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号；S2根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，若否则返回至步骤S1，若是则执行步骤S3；S3识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；S4根据所述的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。本方法可以实现河床高程的准确、可靠探测，并可以同时测得浮泥层表面的高程。

Description

基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统

技术领域

本发明涉及水利量测超声波技术领域，尤其涉及一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统。

背景技术

河床是承载河流水体的几何边界，通常由基岩、卵石及泥沙组成的沉积物构成，并在水流作用下处于不断的冲刷或淤积变化状态。河床的冲淤表现为河床高程的变化，这种变化可对堤坝、桥梁、取水口、航道和港口等涉水建筑物的安全以及可靠的产生运行产生严重的影响。因此，对河床高程的准确探测是水利工程中亟待实现的重要目标。

水下超声波测距是现阶段开展河床高程测量的主要技术，这种技术的工作原理为：浸入水体且安装位置已知的超声波换能器在t时刻向河床发射一定数量的超声波脉冲，这些脉冲在河床面反射形成反射波，并在t+Δt时刻被换能器接收，根据超声波在水体中的传播速度V，可以求得河床与探头的距离H＝0.5VΔt，再根据超声波换能器的安装高程Z，可得河床高程为Z-H。可见，超声波发射与接收间隔Δt是探测河床高程的关键，从而确定反射波被换能器接收时刻成为探测河床高程的主要技术难点。

目前，确定反射波被换能器接收时刻的主要方法为阈值触发法。该方法的基本原理为：换能器在发射超声波后随即处于接收状态，当接收到的超声波反射波强度大于给定阈值时，即认为该时刻为反射波抵达时刻。图1示意了河床表面为理想固、液分界面时反射波100的强度随时间变化规律，其主要特征是存在一个较窄的反射波尖峰110，尖峰位置对应反射波真实接收时刻；此时若按阈值触发法将强度大于阈值120的时刻指定为反射波接收时刻，误差将由于反射波分布较窄而可以忽略。图2示意了平原河流及水库库区典型的河床形态，从上往下依次为含沙量逐渐增加的水体210、密实度逐渐增大的浮泥220和密实度基本不变的沉积物230。上述特征使得换能器240发射的超声波250在密实度发生变化的多个界面依次反射形成的反射波200具有分布宽且多峰的特点。此时再使用阈值触发法确定反射波接收时刻，会存在以下不足：一是阈值法确定的反射波接收时刻与反射波真实接收时刻之间差异较大，使河床高程测量精度较低；二是阈值法只能初略测得沉积物230的表面高程，无法得到工程中更为关注的浮泥层220的表面高程；三是水体中的泥沙容易引起超声波在水中往返传播时快速衰减，导致反射波强度低于阈值而无法被探测。上述不足极大制约了超声波河床高程探测技术的精度、适用性及可靠性。

发明内容

本发明提供了一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一方面提供了一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法，包括：

S1通过安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号；

S2根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，若否则返回至步骤S1，若是则执行步骤S3；

S3识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；

S4根据所述的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

优选地，经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。

优选地，根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，包括：

计算所述超声波数字信号中所有脉冲的振幅，并按时间先后排列成一个振幅序列，提取所述振幅序列的一个统计值作为噪声脉冲振幅；

提取所述振幅序列中脉冲振幅最大的脉冲振幅作为信号脉冲振幅；

将所述信号脉冲振幅与所述噪声脉冲振幅的比值与预定信噪比阈值进行比较，当所述比值大于预定阈值，则判断为该超声波反射波形可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，否则，不能用于分析。

优选地，统计值为所述脉冲振幅序列的百分位数，小于超声波数字信号中床面回波持续时间与信号总持续时间之比。

优选地，识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻，包括：

将振幅最大的脉冲识别为所述河床界面反射波，该脉冲在超声波数字信号的横坐标为河床反射波抵达超声换能器的时刻；

将河床界面反射波抵达之前，第一个大于浮泥层界面阈值的脉冲识别为浮泥层表面反射波，所述脉冲在超声波数字信号序列的横坐标为浮泥层表面反射波超声换能器的时刻。

本发明的另一方面提供了一种用于上述方法的基于超声波反射波形的河床高程探测系统，该系统安装于超声换能器中，其特征在于，所述系统包括：反射波有效性判别模块、河床反射波抵达时刻识别模块、淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块、河床及浮泥层表面高程计算模块；

所述的反射波有效性判别模块，用于根据安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析；

所述的河床反射波抵达时刻识别模块，用于识别河床反射波抵达超声换能器的时刻；

所述的淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块，用于识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；

所述的河床及浮泥层表面高程计算模块，用于根据所述的河床反射波抵达时刻识别模块和所述的淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块得到的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

优选地，反射波有效性判别模块接收的经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。

优选地，反射波有效性判别模块具体用于：

计算所述超声波数字信号中所有脉冲的振幅，并按时间先后排列成一个振幅序列，提取所述振幅序列的一个统计值作为噪声脉冲振幅；

提取所述振幅序列中振幅最大的脉冲作为信号脉冲振幅；

将所述信号脉冲振幅与所述噪声脉冲振幅的比值与预定信噪比阈值进行比较，当所述比值大于预定阈值，则判断为该超声波反射波形可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，否则，不能用于分析。

优选地，统计值为所述脉冲振幅序列的百分位数，小于超声波数字信号中床面回波持续时间与信号总持续时间之比。

优选地，河床反射波抵达时刻识别模块，具体用于将振幅最大的脉冲识别为所述河床界面反射波，该脉冲在超声波数字信号的横坐标为河床反射波抵达超声换能器的时刻；

所述的淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块，具体用于将河床界面反射波抵达之前，第一个大于浮泥层界面阈值的脉冲识别为浮泥层表面反射波，所述脉冲在超声波数字信号序列的横坐标为浮泥层表面反射波超声换能器的时刻。

由上述本发明的基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统提供的技术方案可以看出，本发明的方法在识别河床界面时充分考虑了河床的组成及声反射特征，通过对河床反射声波的完整分析，既可以准确测得河床高程，还可以较为可靠的测得浮泥层表面高程。此外，在进行反射波分析时，只考虑河床及浮泥层表面反射声波与噪声声波之间的相对大小，而与反射声波的绝对强度无关，因而在声波衰减剧烈的条件下依然适用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用阈值触发法的固、液分界面明显的河床面超声波反射波形示意图；

图2为采用阈值触发法的平原河流及水库库区河床形态及对应的超声波反射波形示意图；

图3为本实施例提供的一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法流程示意图；

图4为振幅序列排列过程示意图；

图5为本发明实施例的确定河床面及浮泥层表面反射波接收时刻的方法示意图；

图6为本实施例的一种基于超声波反射波形的河床高程探测系统示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图3为本实施例提供的一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法流程示意图，参照图3，该方法包括：

S1通过安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号。

经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。

S2根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，若否则返回至步骤S1，若是则执行步骤S3。

计算所述超声波数字信号中所有脉冲的振幅，并按时间先后排列成一个振幅序列，提取所述振幅序列的一个统计值作为噪声脉冲振幅；

提取所述振幅序列中振幅最大的脉冲作为信号脉冲振幅；

将所述信号脉冲振幅与所述噪声脉冲振幅的比值与预定信噪比阈值进行比较，当所述比值大于预定阈值，则判断为该超声波反射波形可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，否则，不能用于分析。

其中，统计值为所述脉冲振幅序列的百分位数，该百分位数应小于超声波数字信号中床面回波持续时间与信号总持续时间之比，通常可取为40％-60％。预定信噪比阈值为大于1的实数，可根据所述超声波数字信号序列的特征进行调整。

脉冲是所述超声波数字信号中由相邻的一个波峰和一个波谷组成的信号。脉冲振幅可以是所述波峰和波谷强度之差，也可以是所述波峰或波谷与所述超声波数字信号序列的平均强度之差。

S3识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻。

将振幅最大的脉冲识别为所述河床界面反射波，该脉冲在超声波数字信号的横坐标为河床反射波抵达超声换能器的时刻；

将河床界面反射波抵达之前，第一个大于浮泥层界面阈值的脉冲识别为浮泥层表面反射波，所述脉冲在超声波数字信号序列的横坐标为浮泥层表面反射波超声换能器的时刻。

河床界面为河床中从下往下密实度及声阻抗变化最剧烈的界面。浮泥层界面为水体以下密实度及声阻抗开始发生明显变化的界面。

浮泥层界面阈值大于噪声脉冲振幅且小于所述河床界面反射波振幅。定义浮泥层界面阈值为河床界面反射波振幅除以信噪比阈值。

S4根据所述的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

示意性地，图4为振幅序列排列过程示意图，其中，脉冲是指超声波数字信号序列200中由相邻的一个波峰410和一个波谷420组成的信号，脉冲振幅可以是波峰410与波谷420强度之差，也可以波峰410或波谷420与超声波数字信号序列200的平均强度430之差。本实施例以脉冲波峰410强度与平均强度430之差为脉冲振幅，首先计算输入的超声波数字信号序列200的平均强度，再按时间先后顺序依次寻找序列中各强度局部最大值，并取该局部最大值与平均强度之差为脉冲振幅，最后将所有脉冲振幅按时间先后排列成一个振幅序列440。

信号脉冲是指超声波数字信号200中振幅最大的脉冲，其脉冲振幅等于振幅序列440中的最大值。噪声振幅是脉冲振幅序列440的一个统计特征值；本实施例将脉冲振幅序列440按从小到大的顺序重新排列，计算各振幅相应的累计百分位，并取某一百分位数所对应的振幅作为噪声振幅；识别噪声振幅的百分位数应小于1，根据超声波数字信号序列200的特征进行调节，常见取值如50％、55％、60％等。

信号脉冲振幅与噪声脉冲振幅之比为当前输入的超声波数字信号序列200的信噪比。当信噪比大于给定的信噪比阈值时，则认为序列有效，可继续执行河床反射波抵达时刻识别，反之则认为当前超声波数字信号序列200无效，终止当前测量步的执行。本实施例所述信噪比阈值为大于1.0的实数，常见的取值如1.5、2.0、2.5等，可根据超声波数字信号序列200的特征进行调整。

图5为本发明实施例的确定河床面及浮泥层表面反射波接收时刻的方法示意图，参照图5，例将超声波数字信号序列200中振幅最大的脉冲识别为河床界面反射波240，并将该脉冲发生的时刻定义为河床界面反射波240的抵达时刻。上述方法的依据在于，振幅最大的脉冲是河床中声阻抗变化最剧烈的界面的反射波，根据河床沉积物的声学特性，声阻抗变化最剧烈的界面即为密实度变化最剧烈的界面，将该界面定义为河床面是最为合理的选择。

根据已知的河床界面反射波240的抵达时刻，从脉冲振幅序列440中识别河床界面反射波240抵达之前第一个振幅大于界面阈值510的脉冲为浮泥层表面反射波250，其横坐标为浮泥层表面反射波的抵达时刻。其中，浮泥层界面阈值510应大于前述噪声振幅且小于河床界面反射波振幅，在优选实施例中，为了减少人为设定的阈值数量，定义浮泥层界面阈值510等于河床界面反射波振幅除以信噪比阈值。

根据河床面反射波抵达时刻得出超声波往返于换能器和河床面之间的时间，根据浮泥层表面反射波抵达时刻得出超声波往返于换能器和浮泥层表面之间的时间。基于上述时间与超声波传播速度，可求得换能器与河床及浮泥层表面之间的距离，再根据换能器安装高程可计算出河床及浮泥层表面高程。

实施例二

图6为本实施例的一种基于超声波反射波形的河床高程探测系统示意图，该系统安装于超声换能器中，参照图6，该系统包括：反射波有效性判别模块300、河床反射波抵达时刻识别模块400、淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块500、河床及浮泥层表面高程计算模块600。反射波有效性判别模块300、河床反射波抵达时刻识别模块400、淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块500、河床及浮泥层表面高程计算模块600按时间先后顺序依次执行。

反射波有效性判别模块300，用于根据安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析。反射波有效性判别模块300的执行结果决定了是否继续执行河床反射波抵达时刻识别模块400、浮泥层表面反射波抵达时刻识别模块500及河床及浮泥表面高程计算模块600。

其中，反射波有效性判别模块300接收的经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。

反射波有效性判别模块300具体用于：

计算所述超声波数字信号中所有脉冲的振幅，并按时间先后排列成一个振幅序列，提取所述振幅序列的一个统计值作为噪声脉冲振幅；

提取所述振幅序列中脉冲振幅最大的脉冲振幅作为信号脉冲振幅；

将所述信号脉冲振幅与所述噪声脉冲振幅的比值与预定信噪比阈值进行比较，当所述比值大于预定阈值，则判断为该超声波反射波形可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，否则，不能用于分析。

在判断河床反射波是否有效时，只考虑河床反射声波与噪声声波之间的相对大小，而与反射声波的绝对强度无关。

统计值为所述脉冲振幅序列的百分位数，该百分位数应小于超声波数字信号中床面回波持续时间与信号总持续时间之比，通常可取为40％-60％。

脉冲是所述超声波数字信号中由相邻的一个波峰和一个波谷组成的信号。脉冲振幅可以是所述波峰和波谷强度之差，也可以是所述波峰或波谷与所述超声波数字信号序列的平均强度之差。

河床反射波抵达时刻识别模块400，用于识别河床反射波抵达超声换能器的时刻。

河床反射波抵达时刻识别模块400，具体用于将振幅最大的脉冲识别为所述河床界面反射波，该脉冲在超声波数字信号的横坐标为河床反射波抵达超声换能器的时刻。

淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块500，用于识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻。

淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块500，具体用于将河床界面反射波抵达之前，第一个大于浮泥层界面阈值的脉冲识别为浮泥层表面反射波，所述脉冲在超声波数字信号序列的横坐标为浮泥层表面反射波超声换能器的时刻。

河床及浮泥层表面高程计算模块600，用于根据河床反射波抵达时刻识别模块400和淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块500得到的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法，其特征在于，包括：

S1通过安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号；

S2根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，若否则返回至步骤S1，若是则执行步骤S3；

S3识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；

S4根据所述的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，包括：

计算所述超声波数字信号中所有脉冲的振幅，并按时间先后排列成一个振幅序列，提取所述振幅序列的一个统计值作为噪声脉冲振幅；

提取所述振幅序列中脉冲振幅最大的脉冲振幅作为信号脉冲振幅；

将所述信号脉冲振幅与所述噪声脉冲振幅的比值与预定信噪比阈值进行比较，当所述比值大于预定阈值，则判断为该超声波反射波形可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，否则，不能用于分析。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的统计值为所述脉冲振幅序列的百分位数，小于超声波数字信号中床面回波持续时间与信号总持续时间之比。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻，包括：

将振幅最大的脉冲识别为所述河床界面反射波，该脉冲在超声波数字信号的横坐标为河床反射波抵达超声换能器的时刻；

将河床界面反射波抵达之前，第一个大于浮泥层界面阈值的脉冲识别为浮泥层表面反射波，所述脉冲在超声波数字信号序列的横坐标为浮泥层表面反射波超声换能器的时刻。

6.一种用于权利要求1-5任一权项所述方法的基于超声波反射波形的河床高程探测系统，该系统安装于超声换能器中，其特征在于，所述系统包括：反射波有效性判别模块、河床反射波抵达时刻识别模块、淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块、河床及浮泥层表面高程计算模块；

所述的反射波有效性判别模块，用于根据安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析；

所述的河床反射波抵达时刻识别模块，用于识别河床反射波抵达超声换能器的时刻；

所述的淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块，用于识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；

所述的河床及浮泥层表面高程计算模块，用于根据所述的河床反射波抵达时刻识别模块和所述的淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块得到的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的反射波有效性判别模块接收的经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的反射波有效性判别模块具体用于：

计算所述超声波数字信号中所有脉冲的振幅，并按时间先后排列成一个振幅序列，提取所述振幅序列的一个统计值作为噪声脉冲振幅；

提取所述振幅序列中振幅最大的脉冲作为信号脉冲振幅；

将所述信号脉冲振幅与所述噪声脉冲振幅的比值与预定信噪比阈值进行比较，当所述比值大于预定阈值，则判断为该超声波反射波形可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，否则，不能用于分析。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的统计值为所述脉冲振幅序列的百分位数，小于超声波数字信号中床面回波持续时间与信号总持续时间之比。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的河床反射波抵达时刻识别模块，具体用于将振幅最大的脉冲识别为所述河床界面反射波，该脉冲在超声波数字信号的横坐标为河床反射波抵达超声换能器的时刻；

所述的淤泥层表面反射波抵达时刻识别模块，具体用于将河床界面反射波抵达之前，第一个大于浮泥层界面阈值的脉冲识别为浮泥层表面反射波，所述脉冲在超声波数字信号序列的横坐标为浮泥层表面反射波超声换能器的时刻。