CN113008741A - 基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及方法，观测系统包括透明水槽，与透明水槽匹配设置的试验控制装置及测量装置，以及中央处理器；试验控制装置包括控制流量的变频稳定器和控制水深的尾门，水槽上游进水端与水泵、变频稳定器连接，变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述测量装置包括超声波水位仪、多普勒流测速仪、粒子图像测速仪和防水摄像机，均与中央处理器连接。还公开了该颗粒运动观测方法及粒子图像采集过程，提出了基于水下摄像技术的颗粒运动观测新方法，以及对实验条件、图像采集频率与时长的技术要求；实现了对明槽水流颗粒床面运动的精细观测与数据采集，采样效率提高1倍以上，数据有效率满足对颗粒状态特征研究要求。

Description

基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法
技术领域
本发明属于水力学及河流动力学研究技术领域，具体地说涉及一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及方法。
背景技术
河流近底泥沙运动的随机性强很强，状态特征很不稳定。近几十年来国内外众多学者相继对推移质随机运动特征展开了研究，但受到试验量测技术的限制，在观测精度与观测效率方面还存在诸多问题，亟待改进。
Guney、Houssais等提出了一些试验研究方法，研究床面颗粒运动的不稳定性与统计学规律。由于现有技术难以对近床面颗粒运动进行观测、追踪，匮乏精准可靠的试验资料，使得对颗粒运动速度、单步时长、单步位移等运动参量概率分布规律的认识存在不少分歧。
目前高速摄影技术已经在泥沙精准观测中得到一些应用，但一般多是在流场外拍摄颗粒图像，采用侧视和俯视两种观测类型。侧视观测方式的图像传感器平面与床面垂直，适于观测处于跃移态或悬浮态中颗粒运动；俯视观测方式的图像传感器平面与床面平行，主要用于颗粒平面运动特征参数的测量。虽然一些学者采用俯视观测方法，将高速摄影技术用于泥沙起动概率的测量，实现了起动概率的非接触测量；但为解决自由面波动干扰，这些俯视观测试验大多采用有压槽道或压波板，改变了明槽自然水流条件，其影响均未给予合理的修正；缺乏保持自由面无干扰流动状态的床面颗粒高质量精细观测技术。
发明内容
高速摄像和粒子图像追踪技术（PTV）提供了高效的图像采集及分析方法，但要获取准确、可靠的颗粒运动特征数据，还需在图像采集方式、颗粒图像处理、运动区域与样本尺度选取等不少方面予以改进和完善。观测时长、观测区面积和样本数量还需提高，这些都需要对明流床面泥沙状态试验观测技术设备与观测方法进行改进与创新，满足对试验数据的理论研究与工程应用需求。
本发明的目的在于提供一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法，旨在解决不干扰自由面的明槽水流床面颗粒运动特征的精准测试分析方法。
这套试验新方法的特点是融合了水下摄像技术，从而提高试验观测效率与采集精度。给出了这种精细研究颗粒运动的关键技术环节，如实验设备、水流强度控制、水下摄像技术要求、测量系统布置、辅助光源设置、相机帧率与图像采集技术要求；并利用水槽试验获得了满意的成果。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置；所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端由水泵与水循环系统连通，水泵与变频稳定器连接以控制试验进水流量，水槽下游设置有百叶窗尾门以控制试验水深，水泵、变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和防水摄像机，上述水流泥沙运动测量装置均与中央处理器连接；超声水位仪设置在透明水槽上方，在透明水槽相应位置还设置有多普勒测速仪和粒子图像测速仪，防水摄像机设置在透明水槽内的水流中。
上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，所述透明水槽由上游向下游依次为静水栅、上游粗砾过渡段、动床铺沙段、动床近底流速采集段、近底泥沙信息采集段、下游过渡段和尾门；所述超声波水位仪设置在水槽动床铺沙段的正上方，多普勒流速仪通过支架设置在透明水槽动床近底流速采集段的床面上方不同位置；粒子图像测速仪包括激光器和高速相机，激光器设置在动床近底流速采集段的透明水槽侧壁上，高速相机设置在激光器对应的动床近底流速采集段的透明水槽正上方，激光器和高速相机均与中央处理器连接；防水摄像机通过支架设置在近底泥沙信息采集段的透明水槽床面上方设定的水下位置。
上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，所述透明水槽的底坡可调，坡度变化范围为0-1%。
上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，所述防水摄像机对应的观测支架为三维可调支架，防水摄像机通过卡夹固定在支架上，在透明水槽侧壁还设置有光漫射辅助装置。
上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，防水摄像机的镜头距床面的高度h s为：h s/D 50>90，其中D 50为泥沙中值粒径，H为水深；相机频率不低于120帧/秒。
上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽为透明玻璃水槽，所述尾门为百叶窗尾门。
一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测方法，采用上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统进行明流床面颗粒运动试验观测方法，具体步骤如下：
a.透明水槽试验系统：透明水槽底坡度调节范围0-10%；进水端通过多排稳流栅对来流进行平衡、均化，水槽末端采用百叶窗式尾门控制试验水深；透明水槽由变频稳定器与电磁流量计配合，控制试验进水流量，百叶窗式尾门、变频稳定器与电磁流量计均与中央处理器连接；明流床面为泥沙颗粒铺成可侵蚀动床，颗粒为级配均匀的天然沙；在水槽上方安装超声水位仪测试水位，在透明水槽上还设置有多普勒流速仪和粒子图像测速仪进行瞬时流速的实时动态采集，超声水位仪、多普勒流速仪和粒子图像测速仪均与中央处理器连接；防水摄像机设置在透明水槽的床面上方的水下位置，防水摄像机与中央处理器连接，进行床面颗粒运动图像的水下采集；
b.试验水流及泥沙条件：水流强度适宜范围：弗汝德数F r=0.27~0.30，雷诺数Re=38000~51000；床面泥沙Shields数：θ=0.021~0.042；
c.通过试验水槽水下的防水摄像机对床面颗粒运动状态及过程进行高帧率图像信息采集并传输到中央处理器，精细追踪颗粒运动轨迹，实现对颗粒随机运动过程的准确图像记录；图像采集频率采用120fps，每个采集视频时长不低于20s，保证图像数量达到2400帧，每两帧图像间隔不低于0.0083s；保持上述采样频率与样本总量是精细研究颗粒单步运动特征的基本技术要求。
采用上述技术方案，本发明有以下技术效果：
（1）用于试验水槽的水下无干扰图像采集系统防水摄像机，提出了基于UP/PTV技术的颗粒状态试验观测新方法；相机帧频、位置及补偿光源是获取高质量颗粒图像信息的重要因素。借助多组次动床水槽试验实现了对明槽水流底沙运动的精细观测，采样效率提高1倍以上。
（2）基于PTV原理，采用动态阈值法进行颗粒识别分割，通过摈弃颗粒震颤抖动效应、减小颗粒定位误差，用本方法采集的数据质量保证了对颗粒运动-等待-运动精细状态研究要求。
（3）提出了视频采集的技术要求，可以获取具备完整状态转换的颗粒有效运动序列样本提高了采集数据的有效性和分析可靠度。利用采集数据获取的颗粒单步步长的PDF规律优于以往Roseberry、Furbish、朱振慧等人的研究结果（Furbish, D.J., Schmeeckle,M.W., Schumer, R., etc. Probability distributions of bed load particlevelocities, accelerations, hop distances, and travel times informed byJaynes’s principle of maximum entropy. Journal of Geophysical Research-EarthSurface. 2016, 121, 1373-1390; Zhu, Z., S. Zhang*, D. Chen*. Statisticalanalysis of bed load transport over an armored bed layer with clustermicroforms. Water, 2019, 11(2082):1-16.）（Furbish, D.J., Schmeeckle, M.W.,Schumer, R., etc.基于Jaynes最大熵原理的推移质颗粒速度、加速度、单步步长和单步运动时间的概率分布研究. 地球物理研究学报-地球表面. 2016, 121, 1373-1390; 朱振慧, 张世彦*, 陈东*.具有簇状微结构的粗化床面上推移质输移特性的统计分析. 水.2019, 11(2082):1-16.），验证了试验方法的优点与数据可靠性。
附图说明
图1为发明系统结构框图。
图2为水槽试验布置示意图。
其中，1、静水栅，2、明流自由面，3、来流，4超声波水位仪，6、多普勒流速仪，7、检测面，8、激光面，9、高速相机，10、支架，11、相机卡夹，12、LED灯光补偿装置和卤素灯晕光辅助装置，13防水摄像机，14、样本窗口，15、百叶窗式尾门。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及试验更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1给出了一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统的总体结构框图，为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。
图2给出了本发明的试验系统，包括透明水槽，泥沙颗粒构成明流床面，水槽各段的组成，水槽上设置的试验控制装置及水沙测量装置；水槽长15m，矩形断面宽0.9m，高0.6m。
图1和图2中各序号含义如下： 1、静水栅，2、明流床面，3、来流，4超声波水位仪，6、多普勒流速仪，7、检测面，8、激光面，9、高速相机，10、支架，11、相机卡夹，12、LED灯光补偿装置和卤素灯晕光辅助装置，13防水摄像机，14、样本窗口，15、百叶窗式尾门。
上述基于水下摄像技术的明流床面2颗粒运动观测系统，包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置。
所述透明水槽由上游到下游依次布置为：静水栅1、上游粗砾过渡段2-a、动床铺沙段2-b、动床近底流速采集段2-c、近底泥沙信息采集段2-d、下游过渡段2-e和百叶窗尾门15；上游通过进水管路、下游通过尾水管与外部水循环系统连接。
所述水槽为了获得良好、稳定的水流条件，前端采用多排立管式稳流栅对来流3进行平衡、均化，确保进口段水流的适顺性，如图2所示。试验床面设计为泥沙颗粒铺成的可侵蚀动床边界，试验前初始床面保持平整，铺沙厚度0.10m，保证充分的冲刷动床区
所述水槽为可调底坡的透明玻璃水槽，坡度调整范围为：0-1%，两侧及底部壁面透明；可以精细观测不同水流条件下的推移质随机运动特征。
所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端与供水泵和水循环系统连通，水泵与电磁流量计、变频稳定器配合控制试验进水流量，通过水槽下游设置的百叶窗尾门控制试验水深，变频稳定器、水泵、电磁流量计和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括超声波水位仪4、多普勒流速仪6、粒子图像测速仪、防水摄像机13和辅助设施、电磁流量计。超声水位仪设置在水槽动床铺沙段，测量试验水流的水位（深）；在水槽近底流速采集段设置有多普勒流速仪和粒子图像测速仪，用以采集试验水流瞬时流速及其脉动值；在水槽近底泥沙信息采集段设置防水摄像机，专门采集床面粒子图像，水泵电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和防水摄像机均与中央处理器连接。
所述超声波水位仪设置在水槽正上方，多普勒流速仪通过支架设置在水槽水流中，采集不同位置处的流速；粒子图像测速仪的激光器设置在采集段透明水槽侧壁上，粒子图像测速仪的高速相机9设置在激光器对应的采集段水槽正上方，激光器的对应的面为激光面8，多普勒流速仪6和高速相机对应检测面7；采集近底泥沙图像信息的防水摄像机13通过可自由移动调整的支架10设置在采集段水槽床面上方。
本发明的水流量测：使用E-mag电磁流量计配合变频稳定器调控流量，微调精度0.1L/s；水位、水深测量的超声波水位仪精度达到1mm，声学多普勒测速仪（ADV）采样频率200Hz，流速测点位置在近底区：δ/H=0.05~0.07，采集区范围：长l 1=0.18m~0.28m，宽B 1=0.20m~0.25m。
本发明的泥沙量测：床面泥沙颗粒运动的观测与视频记录使用水下摄像机完成，相机帧率要求不低于l20帧/s，每个采集视频时长不低于20s；为保证颗粒运动的精细观察与信息采集，近底泥沙信息采集区范围为：长l 2=0.10m~0.20m，宽B 2=0.16m~0.18m。
所述防水摄像机使用相机卡夹11固定在可自由移动调整的支架上，设置了可自动控制的三维空间自由移动支架，以及水下360°可自由旋转调控的专用相机卡夹。
本发明采用水下摄像（UP）方式可以实现对明流床面泥沙运动的精细拍摄，同时又可避免水面波动对采集图像质量的影响；相机在近底泥沙信息采集区上方流场中布置，相机高度布置以不影响近底流场和泥沙运动，同时又能获得高清图像为准；上述防水摄像机镜头距床面的高度为h s，h s/D 50>90，且H/h s <1.7，其中D 50为泥沙中值粒径，H为水深。相机镜头高度按上述要求控制，对近底流场干扰影响小且能获得足够清晰的颗粒图像，没有自由面水纹波动产生的噪点。
本发明水下摄像（UP）的辅助设施：为保证采集图像质量、增加光漫射效果，在水槽试验段布置了LED灯光照补偿装置和卤素灯晕光辅助装置12。
一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒运动试验观测方法，采用权利要求1-5中任一项基于水下摄像技术的明流床面颗粒运动试验观测系统进行明流床面颗粒运动试验观测方法，具体步骤如下：
a.调试水槽试验系统：调节水槽底坡，范围0-10%；明流床面用泥沙颗粒铺成可侵蚀平整床面，试验使用级配相对均匀的天然沙，颗粒密度ρ s=2650 kg/m3；通过稳流栅稳定、均化来流，由变频稳定器控制试验流量，采用超声水位仪和百叶窗式尾门配合控制试验水深；
b.水流及泥沙控制条件：水流弗汝德数F r=0.27~0.30，雷诺数Re=38000~51000；床面泥沙Shields数θ=0.021~0.042；
试验控制的水流及泥沙条件具体确定步骤如下：
b-1主要测控的水流泥沙参数
精细采集颗粒运动轨迹和各种状态特征是研究床面泥沙随机运动的基础。为了能够精准获取近底水流及泥沙运动的数据及特征参量，需要精准控制水流条件，测取对颗粒运动有重要影响的水流紊动特征指标。
1）测取近底区瞬时三维流速：使用多普勒流速仪和粒子图像测速仪采集床面附近多点瞬时流速，包括纵向瞬时流速（u），横向瞬时流速（v）和垂向瞬时流速（w）；作为研究近底水流紊动结构的基础参数。
2）测定试验水流的弗汝德数Fr与雷诺数Re： 根据试验流量Q与控制水深H、槽宽B，确定断面平均流速U = Q /（BH）；按下式确定弗汝德数（Fr）与雷诺数(Re)，作为表征水流强度的重要指标：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：g为重力加速度v 为水流运动粘滞系数，R为水力半径，其余符号意义见前文。
3）计算近底区摩阻流速u *，获取试验床面切应力： 利用近底瞬时流速数据获取对应脉动流速：使用脉动流速法获取 u *：
Figure 232769DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中：u i，u i′—i方向的瞬时流速分量和脉动流速分量，为时均流速。
根据获取的纵向与垂向脉动流速分量u'和w'，依据公式（3）确定摩阻流速；基于床面切应力与床面摩阻流速的基本关系，根据公式（4），确定床面附近任一点处水流切应力的摩阻特征指标：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 296409DEST_PATH_IMAGE004
（4）
（4）确定泥沙希尔兹数θ： 为体现床面糙度与近底摩阻作用对泥沙起动的影响，引入希尔兹数θ作为床沙起动强度指标；θ根据试验使用的床沙组成与床面摩阻流速以下式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5）
式中r s和D 50分别为试验使用床沙的密度和中值粒径，r为水流密度，其余符号意义同前。
b-2试验水流及泥沙条件
为了清晰采集颗粒运动的图像，以便可以对明流床面2的运动颗粒进行精准的识别追踪，必须选择适宜的试验水流泥沙条件。应控制试验水流强度使推移质输移强度相对较低，这样运动泥沙数量少，有助于对床面颗粒随机运动状态进行精细观测。也减小了后续的泥沙颗粒追踪难度，便于准确收集颗粒运动过程中的完整信息。因此本试验控制水流强度为：弗汝德数F r=0.27~0.30，雷诺数Re=38000~51000，相应床沙运动控制强度为Shields数θ=0.021~0.042（泥沙起动）。
试验使用级配相对均匀的天然石英沙，主要特征值为D 50 = 0.0011m，D 20 =0.0009m，D 80 = 0.0014mm，避免试验中床面粗化对泥沙运动状态与运动强度的干扰影响，颗粒密度ρ s=2650 kg/m3，本发明试验时在近底泥沙信息采集段作为试验样本窗口14，进行粒运动的图像的采集。
c. 利用在水槽上设置的多普勒流速仪和粒子图像测速仪，采集床面附近三维瞬时点流速，包括纵向瞬时流速（u），横向瞬时流速（v）和垂向瞬时流速（w），计算对应的紊动强度和床面摩阻流速，作为研究近底水流切应力和紊动结构的基础参数。
d. 本系统采用高灵敏度、低噪声EMCCD防水相机，相机分辨率为640×480像素；在水下设定位置进行颗粒运动图像采集，即对明流床面泥沙运动状态及过程进行高帧率图像信息采集，实现对颗粒随机运动过程的准确图像记录。
e. 图像采集频率与时长要求：图像采集频率采用120fps（帧/s）,每个采集视频时长不低于20s，即保证图像数量达到2400帧，每两帧图像间隔0.0083s；保持上述采样频率与样本总量是精细研究颗粒单步运动特征的基本技术要求。
本发明的有益效果：
（1）本发明设计了用于水槽试验的水下无干扰图像采集系统，提出了基于水下摄像技术（UP）的床面颗粒运动观测新方法；相机帧频、相机位置、采集频率、采集时长及补偿光源等是获取高质量颗粒图像信息的重要因素。
（2）借助多组次动床水槽试验实现了对明槽水流底沙运动的精细观测，采样效率提高1倍以上；这种试验方法的测试效率得到较大提高，数据的有效性得到了保证，为后续的图像识别及跟踪分析提供了坚实、可靠的基础。
本发明的技术方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置；所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端由水泵与水循环系统连通，水泵与变频稳定器连接以控制试验进水流量，水槽下游设置有尾门以控制试验水深，水泵、变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和用于水下摄像的防水摄像机，上述水流泥沙运动测量装置均与中央处理器连接；超声水位仪设置在透明水槽上方，在透明水槽上还设置有多普勒测速仪和粒子图像测速仪，防水摄像机设置在透明水槽内的水下。
2.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽由上游向下游依次为静水栅、上游粗砾过渡段、动床铺沙段、动床近底流速采集段、近底泥沙信息采集段、下游过渡段和尾门；所述超声波水位仪设置在水槽动床铺沙段的正上方，多普勒流速仪通过支架设置在透明水槽动床近底流速采集段的床面上方不同位置；粒子图像测速仪包括激光器和高速相机，激光器设置在动床近底流速采集段的透明水槽侧壁上，高速相机设置在激光器对应的动床近底流速采集段的透明水槽正上方，激光器和高速相机均与中央处理器连接；防水摄像机通过支架设置在近底泥沙信息采集段的透明水槽床面上方的水下位置。
3.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽的底坡可调，坡度变化范围为0-1%。
4.根据权利要求2所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述防水摄像机对应的观测支架为三维可调支架，防水摄像机通过卡夹固定在支架上，在透明水槽侧壁还设置有光漫射辅助装置。
5.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：防水摄像机的镜头距床面的高度h s为：h s/D 50>90，其中D 50为泥沙中值粒径，H为水深；相机频率不低于120帧/秒。
6.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽为透明玻璃水槽，所述尾门为百叶窗式尾门。
7.基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测方法，其特征在于：采用权利要求1-6中任一项基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统进行明流床面颗粒运动试验观测方法，具体步骤如下：
a.透明水槽试验系统：透明水槽底坡度调节范围0-10%；进水端通过多排稳流栅对来流进行平衡、均化，水槽末端采用百叶窗式尾门控制试验水深；透明水槽由变频稳定器与电磁流量计配合，控制试验进水流量，百叶窗式尾门、变频稳定器与电磁流量计均与中央处理器连接；明流床面为泥沙颗粒铺成的可侵蚀动床，颗粒为级配均匀的天然沙；在水槽上方安装超声水位仪测试水位，在透明水槽上还设置有多普勒流速仪和粒子图像测速仪，超声水位仪、多普勒流速仪和粒子图像测速仪均与中央处理器连接，进行瞬时流速的多点实时动态采集；防水摄像机设置在透明水槽的床面上方的水下，防水摄像机与中央处理器连接，进行床面颗粒运动图像的水下采集；
b.通过安装在透明水槽水下的防水摄像机对床面颗粒运动状态及过程进行高帧率图像信息采集并传输到中央处理器，精细追踪颗粒运动轨迹；图像采集频率采用120fps，每个采集视频时长不低于20s，即保证图像数量达到2400帧，每两帧图像间隔0.0083s的基本技术要求。
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