CN115452670A - 一种流动水体中泥沙含量的测定方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种流动水体中泥沙含量的测定方法及装置，属于流体测量技术领域。其中，所述方法包括：计算探测超声波在水体中产生的声压分布；获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。本发明可完整地利用接收超声波信号的全部信息来计算水体的含沙量，能够精准高效地测量水体的泥沙含量，弥补了已有测量含沙量技术的缺陷。

Description

一种流动水体中泥沙含量的测定方法及装置
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，特别提出一种流动水体中泥沙含量的测定方法及装置。
背景技术
在关于河流测量的各种科学研究中，含沙量的测量是一个非常基础的问题。泥沙含量是重要的水文参数之一，河流含沙量监测对于水利水电工程建设，水资源开发利用，水土流失治理，工农业取水用水，水文预报以及研究河流海洋泥沙运动等意义重大。已经提出了许多不同的测量技术来解决这一问题。常用的含沙量测量方法可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法主要采用直接取样测量的方法，例如：烘干法和比重法；间接测量法主要包括红外线法、电容法、超声波法、同位素法等。其中间接测量法由于克服了直接测量法存在的测量周期长、检测过程繁琐、劳动强度大以及无法动态检测水流的缺点，被广泛应用于水流含沙量的测量中。在这之中，超声波法由于其不会干扰被测水体的巨大优势，近几年很受关注。
超声波法根据超声波在含沙水流中的反射和衰减特性测量含沙量。具体来说，超声波法利用发射和接收超声波的能量衰减程度和泥沙含量的关系式计算水体含沙量。然而，利用超声波的间接测量法包含的技术存在测量含沙量范围较窄、测量误差大、仪器接收信号的信息利用率过低的技术问题，尚无完善的方法来解决这些问题。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种流动水体中泥沙含量的测定方法及装置。本发明可完整地利用接收超声波信号的全部信息来计算水体的含沙量，能够精准高效地测量水体的泥沙含量，弥补了已有测量含沙量技术的缺陷。
本发明第一方面实施例提出一种流动水体中泥沙含量的测定方法，包括：
计算探测超声波在水体中产生的声压分布；
获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；
根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。
在本发明的一个具体实施例中，所述探测超声波由布置在所述水体中的探测超声波发射机在设定的多个连续等长时间区间内向所述水体发射。
在本发明的一个具体实施例中，所述计算探测超声波在水体中产生的声压分布，包括：
构建探测超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程：
Figure 481859DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 773032DEST_PATH_IMAGE002
表示超声波在水体中的传播速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示时刻t水体中位置x的背景波场声压分布；
Figure 929207DEST_PATH_IMAGE004
为拉普拉斯算子，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 663945DEST_PATH_IMAGE006
分别表示位置x的三维坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示时刻t第m个发射机发射的探测超声波；
Figure 459731DEST_PATH_IMAGE008
是第m台发射机的位置；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示狄拉克函数，用于模拟在位置
Figure 633224DEST_PATH_IMAGE010
处的点源；T表示测定过程的时长，M表示发射机的数量；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示在初始时刻
Figure 581588DEST_PATH_IMAGE012
时，水体中任一位置的声压分布为0；
对式（1）求解，得到探测超声波时刻t在水体中位置x的背景波场声压分布
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
在本发明的一个具体实施例中，所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据由布置在所述水体中的探测超声波接收机在所述多个连续等长时间区间内获取。
在本发明的一个具体实施例中，所述根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果，包括：
1）构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程；
2）利用步骤1）的非齐次波方程，通过对每个时间区间泥沙微粒的近似位置进行迭代，确定所述泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，进而得到每个时间区间所述泥沙微粒在流体中的密度分布；
3）对所述每个时间区间所述泥沙微粒在流体中的密度分布进行积分，得到所述水体在每个时间区间的含沙量，对所述每个时间区间的含沙量求取平均值，得到所述水体在由所有时间区间构成的时间段中的泥沙含量。
在本发明的一个具体实施例中，所述构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程，包括：
构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程：
Figure 736495DEST_PATH_IMAGE014
（2）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示时刻t水体中位置x的散射超声波声压分布；
Figure 832627DEST_PATH_IMAGE016
是拉普拉斯算子，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 216335DEST_PATH_IMAGE018
表示时刻t水体中位置x的泥沙微粒的密度分布；
对于每个时间区间
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，将式（2）简化为以下如式（3）所示的方程：
Figure 536982DEST_PATH_IMAGE020
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是在时间区间
Figure 675839DEST_PATH_IMAGE022
中水体中位置x处泥沙微粒的分布密度，若该时间区间内位置x处存在泥沙微粒，则
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，否则
Figure 196950DEST_PATH_IMAGE024
。
在本发明的一个具体实施例中，所述得到每个时间区间所述泥沙微粒在流体中的密度分布，包括：
2-1）将任一时间区间
Figure DEST_PATH_IMAGE025
作为当前时间区间，确定当前时间区间中泥沙微粒的近似位置的初始值并作为泥沙微粒的当前近似位置；
2-2）在当前时间区间
Figure 446666DEST_PATH_IMAGE026
，根据所述泥沙微粒的当前近似位置确定
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的取值结合探测超声波在水体中产生的声压分布
Figure 618890DEST_PATH_IMAGE028
，利用式（3），通过求解的
Figure DEST_PATH_IMAGE029
以获得当前时间区间的散射超声波的模拟接收数据；
2-3）对当前时间区间的散射超声波的模拟接收数据和散射超声波的声压数据的差值进行逆时传播，得到当前时间区间的散射超声波在泥沙微粒的当前近似位置处的强度修正值；
2-4）对强度修正值进行判定：
若所述强度修正值小于设定的阈值，则将泥沙微粒的当前近似位置作为该泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，然后进入步骤2-6）；
若所述强度修正值大于等于所述设定的阈值，则进入步骤2-5）；
2-5）利用所述强度修正值对泥沙微粒的当前近似位置进行修正：
将所述强度修正值的设定的倍数值与所述泥沙微粒的当前近似位置值求和得到修正后的泥沙微粒的当前近似位置；
修正完毕后，将所述修正后的泥沙微粒的当前近似位置作为所述泥沙微粒新的当前近似位置，然后重新返回步骤2-2）；
2-6）根据泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，得到当前时间区间的泥沙微粒在水体中的密度分布
Figure 928649DEST_PATH_IMAGE027
；
2-7）重复步骤2-1）-2-6），得到每个时间区间的泥沙微粒在水体中的密度分布，
Figure 937056DEST_PATH_IMAGE030
。
本发明第二方面实施例提出一种流动水体中泥沙含量的测定装置，包括：
声压分布计算模块，用于计算探测超声波在水体中产生的声压分布；
散射超声波获取模块，用于获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；
泥沙含量测定模块，用于根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。
本发明第三方面实施例提出一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种流动水体中泥沙含量的测定方法。
本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种流动水体中泥沙含量的测定方法。
本发明的特点及有益效果：
本发明设计了一种基于波方程反源问题的计算模型，可更加精准高效地测量水流的含沙量。本发明通过将超声波发射传播至流体中、接着被流体中泥沙微粒散射、最终被接收器接收的整个过程重新建模，把水体中泥沙微粒看作是散射声波的波源，结合超声波在水体中传播服从的偏微分方程，利用接收器接收到的超声波声压信号，来计算散射波源（即泥沙微粒）在水体中的分布情况，进而获得水体的含沙量。
本发明完整地利用接收声压信号的全部信息来计算水体中泥沙微粒的分布情况，弥补了已有的超声波法测量技术只使用发射和接收的超声波信号的能量衰减信息的缺陷，可精准高效地测量水体的含沙量。相比传统技术，本发明在计算的精确性和计算效率具有巨大的提升，并且本发明对噪声具有很强的鲁棒性，即使接收信号中噪声强度较高，本发明同样可以很准确地计算水体的含沙量。
本发明的方案对于各种简单、复杂水体环境都可以非常精准高效地测量含沙量，同时计算速度的极大提升可实现水体含沙量的实时测量。由于本发明是基于超声波检测计算得到含沙量，因此相比于直接测量法，本发明不会对水体造成任何干扰。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中一种流动水体中泥沙含量的测定方法的整体流程图。
图2为本发明一个具体实施例中测量水体泥沙含量的第一阶段示意图。
图3为本发明一个具体实施例中测量水体泥沙含量的第二阶段示意图。
图4为本发明一个具体实施例中确定泥沙微粒的时空分布的流程图。
图5为本发明一个具体实施例的仿真效果图。
具体实施方式
本发明提出一种流动水体中泥沙含量的测定方法及装置，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明第一方面实施例提出一种流动水体中泥沙含量的测定方法，包括：
计算探测超声波在水体中产生的声压分布；
获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；
根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。
在本发明的一个具体实施例中，所述一种流动水体中泥沙含量的测定方法，分为两个阶段，其中第一阶段利用发射机向水体发射的超声波来对水体中的声压分布进行建模，第二阶段根据接收机接收的超声波对水体中的泥沙微粒的密度分布进行反演；该方法整体流程如图1所示，包括以下步骤：
1）利用探测超声波发射机向水体发射探测超声波。
本实施例中，令所发射的探测超声波具有给定的波形和频率，波形和频率无特殊要求，一般由具体超声波发射机给出。在本发明的一个实施例中探测超声波设置为频率100kHz、高斯波形的信号。探测超声波发射机的数量较少，通常不超过10个，均匀布置在水体中，例如河床底部或水渠底部，在本发明一个具体实施例中设置为1个，布置于水面以下。
在一次泥沙含量测量过程中，每个发射机在设定的多个连续等长时间区间（如5-10ms的时间区间）分别发射探测超声波。
2）基于探测超声波的波形、频率的信息和超声波在水体中的传播速度，利用波方程确定探测超声波在水体中产生的声压分布。
本实施例中，探测超声波发射之后，其在水体中的传播完全由一个非齐次波方程来决定。本发明一个具体实施例中，探测超声波在水体中的传播过程表示为如下所示的非齐次波方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（1）
其中，
Figure 990463DEST_PATH_IMAGE032
表示超声波在水体中的传播速度，在实际情况中一般为1500±20 m/s，在本发明一个具体实施例中取为1500 m/s；
Figure 17194DEST_PATH_IMAGE033
表示时刻
Figure 497854DEST_PATH_IMAGE034
水体中位置
Figure 790295DEST_PATH_IMAGE035
的背景波场声压分布；
Figure 647392DEST_PATH_IMAGE036
是拉普拉斯算子，
Figure 341679DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 930923DEST_PATH_IMAGE038
分别表示位置
Figure 976240DEST_PATH_IMAGE039
的三维坐标；
Figure 371449DEST_PATH_IMAGE040
表示时刻
Figure 920242DEST_PATH_IMAGE042
第
Figure 195234DEST_PATH_IMAGE043
个发射机发射的探测超声波；
Figure 462267DEST_PATH_IMAGE044
是第
Figure 395588DEST_PATH_IMAGE045
台发射机的位置；
Figure 64467DEST_PATH_IMAGE046
表示狄拉克函数，用来模拟在位置
Figure 261093DEST_PATH_IMAGE047
处的点源。
Figure 749843DEST_PATH_IMAGE048
表示整个测定过程的时长。
Figure 752434DEST_PATH_IMAGE049
表示发射机的数量。
Figure 275820DEST_PATH_IMAGE050
表示在初始时刻
Figure 440085DEST_PATH_IMAGE051
时，水体中任一位置声压分布为0，即水体中没有超声波存在。
在发射机发射的探测超声波的波形和超声波在水体中的传播速度已知的情况下，对上述波方程（1）进行求解得到探测超声波时刻
Figure 871591DEST_PATH_IMAGE053
在水体中位置
Figure 412293DEST_PATH_IMAGE054
的背景波场声压分布
Figure 790185DEST_PATH_IMAGE055
。
图2为本发明一个具体实施例中第一个阶段的示意图。图2整体为顺着水体流动方向的纵截面示意图，其中箭头方向横向表示水体流动方向，在本发明实施例中水体为从左到右流动。图2左上方深色方框表示发射机，右上方浅色方框表示接收机，两者均放置在水面下。发射机和接收机的体积可以做到很小，且通过特定的外形设计，使得它们对于水体的扰动非常小，几乎可以忽略不计。取决于待测范围，可以将发射机和接收机布置在不同的待测点上，例如河流或者水渠的转折点等，以更好地确定这些特定待测点的含沙量情况。水体中若干小圆盘表示水中泥沙颗粒，箭头表示对应泥沙颗粒所在位置的水体的流动速度向量。图2描述了发射机向水体发射探测超声波，之后被水体中的泥沙颗粒“感应”到的过程。
探测超声波进入水体之后，被水体中的泥沙微粒“感应”到并向四周散射。泥沙微粒向四周散射的超声波信号的波形、频率与泥沙微粒感应到的超声波信号相同。即，泥沙微粒对接收到的探测超声波进行散射，产生与接收到的超声波具有相同波形和频率的散射超声波。
3）接收机在多个连续时间区间采集探测超声波被水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据。
本实施例中，接收机数量通常情况下多于发射机，一般接收机数量越多，测量结果越准确。图3示出了本发明一个具体实施例中第二个阶段的示意图。为了图示简洁，图2和图3只画出了一个接收机，但是在本发明实施例中接收机数量多于1个。
在本发明的一个具体实施例中，将接收机布置在水面以下、河床底部和两侧的位置。接收机在与发射阶段相同的多个连续等长的时间区间中采集探测超声波被水体中的泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据。在该时间区间中，接收机在一个时间区间中以小于所述等长的时间区间的时间间隔（如0.1 ms）来连续采集散射超声波的声压数据。由于该时间间隔非常小，并且泥沙微粒运动速度远远小于超声波在水体中的传播速度，因此可以认为每次采集时泥沙微粒近似为静止的，并且在相邻采集时刻的间隔期间泥沙微粒进行匀速直线运动。
图3展示的场景和图2一致。图3描述了水体中泥沙颗粒向四周散射的探测超声波，之后被接收器接收到散射超声波声压信号，进而根据接收的声压信号反演水体中泥沙颗粒密度分布的过程。
4）基于探测超声波在水体中产生的声压分布
Figure 390931DEST_PATH_IMAGE056
和散射超声波的声压数据
Figure 854273DEST_PATH_IMAGE057
，确定泥沙微粒在水体中的时空分布情况，进而计算水体的泥沙含量；整体流程如图4所示，具体步骤如下：
4-1）构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程；
在本发明一个具体实施例中，与如式（1）所示的非齐次波方程类似，散射超声波在水体中的传播过程表示为如下所示的非齐次波方程：
Figure 136350DEST_PATH_IMAGE058
（2）
其中
Figure 634327DEST_PATH_IMAGE059
表示时刻
Figure 140395DEST_PATH_IMAGE061
水体中位置
Figure 356613DEST_PATH_IMAGE062
的散射超声波的声压分布；
Figure 239118DEST_PATH_IMAGE063
是拉普拉斯算子，
Figure 778553DEST_PATH_IMAGE064
；
Figure 455522DEST_PATH_IMAGE065
表示发射机发射的探测超声波形成的背景波场，即波方程（1）的解；
Figure 893456DEST_PATH_IMAGE066
表示时刻
Figure 579653DEST_PATH_IMAGE067
水体中位置
Figure 786643DEST_PATH_IMAGE068
的泥沙微粒的密度分布。
对于每个时间区间
Figure 837776DEST_PATH_IMAGE069
，非齐次波方程式（2）可以简化为以下方程（3）：
Figure 763006DEST_PATH_IMAGE070
（3）
其中，
Figure 987314DEST_PATH_IMAGE071
是在时间区间
Figure 314390DEST_PATH_IMAGE069
中水体中位置
Figure 598741DEST_PATH_IMAGE072
处泥沙微粒的分布密度，即位置
Figure 745689DEST_PATH_IMAGE073
处是否存在泥沙微粒，若该时间区间内位置
Figure 960638DEST_PATH_IMAGE074
处存在泥沙微粒，则
Figure 142221DEST_PATH_IMAGE075
，否则
Figure 597473DEST_PATH_IMAGE076
；
需要说明的是，由于时间区间很短，本发明实施例认为在该时间区间泥沙微粒的分布是静态的。水体中泥沙微粒的运动速度一般5m/s左右，因此在时间区间
Figure 497296DEST_PATH_IMAGE077
中，泥沙微粒运动距离为3cm左右，相对于河流的尺度来说是很小的，因此在时间区间
Figure 1090DEST_PATH_IMAGE078
中认为泥沙微粒分布为静态是合理的。
在采集到
Figure 37179DEST_PATH_IMAGE079
个（本实施例中为50）连续时间区间的声压数据
Figure 663332DEST_PATH_IMAGE080
之后（
Figure 784872DEST_PATH_IMAGE081
包括所有接收机采集的声压数据，
Figure 154673DEST_PATH_IMAGE082
，其中
Figure 497799DEST_PATH_IMAGE083
分别表示
Figure 294854DEST_PATH_IMAGE084
个接收机的位置），基于上述方程式（3）求解
Figure 903689DEST_PATH_IMAGE085
等同于求下列映射函数
Figure 811603DEST_PATH_IMAGE086
的逆映射：
Figure 822284DEST_PATH_IMAGE087
（4）
其中
Figure 727923DEST_PATH_IMAGE088
分别表示
Figure 824055DEST_PATH_IMAGE089
个接收机的位置。
本发明将求映射函数
Figure 535659DEST_PATH_IMAGE086
的逆映射问题转化为最小二乘问题，使用已有的高效优化算法（如共轭梯度法、最小二乘QR分解法等）来求解得到
Figure 666426DEST_PATH_IMAGE090
，该求解过程即为以下的迭代过程。
4-2）利用步骤1）的非齐次波方程，通过对每个时间区间泥沙微粒的近似位置进行迭代，确定所述泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，进而得到每个时间区间中所述泥沙微粒在流体中的密度分布；具体步骤如下：
4-2-1）将任一时间区间
Figure 805283DEST_PATH_IMAGE091
作为当前时间区间，确定当前时间区间中泥沙微粒的近似位置的初始值并作为泥沙微粒的当前近似位置，本实施例中近似位置的初始值取值为0，代表初始时为无泥沙微粒；也可以随机设置任意数值；不同时间区间的初始值可不同。初始值的选取可以理解为对泥沙颗粒位置的粗糙预判，初始值选取的不同只会影响总体计算速度，不会影响最终的计算结果。
4-2-2）在当前时间区间
Figure 637231DEST_PATH_IMAGE092
，利用步骤4-1）建立的非齐次波方程，基于探测超声波在水体中产生的声压分布
Figure 152526DEST_PATH_IMAGE093
和泥沙微粒的当前近似位置确定散射超声波的模拟接收数据；
本实施例中，根据所述泥沙微粒的当前近似位置确定
Figure 137800DEST_PATH_IMAGE094
的取值（由近似位置得到
Figure 447559DEST_PATH_IMAGE095
的过程就是若
Figure 252703DEST_PATH_IMAGE096
处存在泥沙微粒，
Figure 306110DEST_PATH_IMAGE094
函数值为1，否则为0），结合探测超声波在水体中产生的声压分布
Figure 83573DEST_PATH_IMAGE097
，利用式（3），通过求解的
Figure 564233DEST_PATH_IMAGE098
以获得当前时间区间的每个接收机的散射超声波的模拟接收数据；即，假如泥沙微粒位于该近似位置时，接收机应当接收到的散射超声波的声压数据（这里称为模拟接收数据）。
4-2-3）对当前时间区间的散射超声波的模拟接收数据和步骤3）采集得到的散射超声波在当前时间区间的实际声压数据的差值进行逆时传播以确定当前时间区间的散射超声波在泥沙微粒的当前近似位置处的强度修正值。
由于假设泥沙微粒处于当前近似位置，散射超声波在接收机处的模拟接收数据和实际接收数据（即声波数据）之间存在差值。将该差值作为接收机处在接收时刻接收的声波信号，通过数值仿真进行逆时传播，可以得到该声波信号发送时刻的声压分布（即探测超声波在该发送时刻的全场信号强度分布），之后乘上
Figure 122253DEST_PATH_IMAGE099
并且关于
Figure 713772DEST_PATH_IMAGE100
作积分，将其作为泥沙微粒当前近似位置的强度修正值。
4-2-4）对强度修正值进行判定：
本实施例中，基于该强度修正值是否足够小来决定是否需要继续该迭代过程。
若该强度修正值小于设定的阈值，则将泥沙微粒的当前近似位置作为该泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，然后进入步骤4-2-6）。
若该强度修正值大于或等于该设定阈值（未收敛），则进入步骤4-2-5），利用该强度修正值对泥沙微粒的当前近似位置进行修正。
需要说明的是，该阈值是一个与测量数据的噪声强度有关的非常小的声压值，例如设置为
Figure 860588DEST_PATH_IMAGE101
或
Figure 512149DEST_PATH_IMAGE102
帕的数量级，本发明实施例中取为
Figure 291887DEST_PATH_IMAGE102
帕。
4-2-5）利用强度修正值对泥沙微粒的当前近似位置进行修正，也就是将强度修正值的设定的倍数添加到泥沙微粒的当前近似位置上，作为该泥沙微粒新的当前近似位置。本实施例中，该修正倍数选取为最佳的修正倍数，也就是强度修正值大小的平方除以强度修正值得到的模拟接收数据大小的平方；
修正完毕后，将修正后的泥沙微粒的当前近似位置作为该泥沙微粒新的当前近似位置，然后重新返回步骤4-2-2），更新强度修正值，直至该强度修正值小于设定阈值；
4-2-6）根据泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，得到当前时间区间的泥沙微粒在水体中的密度分布
Figure 687096DEST_PATH_IMAGE027
。
4-2-7）重复步骤4-2-1）-4-2-6），可以得到每个时间区间的泥沙微粒在水体中的密度分布，
Figure 501468DEST_PATH_IMAGE103
。
4-8）在获取了所有时间区间中泥沙微粒在水体中的密度分布之后，基于该密度分布进行积分计算得到水体在每个时间区间的泥沙含量，之后对各个时间区间的含沙量数值求平均值，进而得到在由所有时间区间构成的时间段中水体的泥沙含量。
图5为本发明一个具体实施例采用本发明方法后的仿真效果图。图5展示的场景与图2一致。图5展示了根据本发明实施例所述方法得到的在某一时刻水体中的泥沙颗粒密度分布情况。图中黑色颗粒代表泥沙颗粒。本发明实施例的水体含沙量计算结果的相对误差仅有2.99%。
为实现上述实施例，本发明第二方面实施例提出一种流动水体中泥沙含量的测定装置，包括：
声压分布计算模块，用于计算探测超声波在水体中产生的声压分布；
散射超声波获取模块，用于获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；
泥沙含量测定模块，用于根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。
需要说明的是，前述对一种流动水体中泥沙含量的测定方法的实施例解释说明也适用于本实施例的一种流动水体中泥沙含量的测定装置，在此不再赘述。根据本发明实施例提出的一种流动水体中泥沙含量的测定装置，通过计算探测超声波在水体中产生的声压分布；获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。由此可完整地利用接收超声波信号的全部信息来计算水体的含沙量，能够精准高效地测量水体的泥沙含量，弥补了已有测量含沙量技术的缺陷。
为实现上述实施例，本发明第三方面实施例提出一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种流动水体中泥沙含量的测定方法。
为实现上述实施例，本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种流动水体中泥沙含量的测定方法。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备执行上述实施例的一种流动水体中泥沙含量的测定方法。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种流动水体中泥沙含量的测定方法，其特征在于，包括：
计算探测超声波在水体中产生的声压分布；
获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；
根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测超声波由布置在所述水体中的探测超声波发射机在设定的多个连续等长时间区间内向所述水体发射。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算探测超声波在水体中产生的声压分布，包括：
构建探测超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程：
Figure 396916DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 920301DEST_PATH_IMAGE002
表示超声波在水体中的传播速度；
Figure 287829DEST_PATH_IMAGE003
表示时刻t水体中位置x的背景波场声压分布；
Figure 263875DEST_PATH_IMAGE004
为拉普拉斯算子，
Figure 804578DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 448049DEST_PATH_IMAGE006
分别表示位置x的三维坐标；
Figure 970166DEST_PATH_IMAGE007
表示时刻t第m个发射机发射的探测超声波；
Figure 699087DEST_PATH_IMAGE008
是第m台发射机的位置；
Figure 777902DEST_PATH_IMAGE009
表示狄拉克函数，用于模拟在位置
Figure 275879DEST_PATH_IMAGE010
处的点源；T表示测定过程的时长，M表示发射机的数量；
Figure 781947DEST_PATH_IMAGE011
表示在初始时刻
Figure 935848DEST_PATH_IMAGE012
时，水体中任一位置的声压分布为0；
对式（1）求解，得到探测超声波时刻t在水体中位置x的背景波场声压分布
Figure 818353DEST_PATH_IMAGE013
。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据由布置在所述水体中的探测超声波接收机在所述多个连续等长时间区间内获取。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果，包括：
1）构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程；
2）利用步骤1）的非齐次波方程，通过对每个时间区间泥沙微粒的近似位置进行迭代，确定所述泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，进而得到每个时间区间所述泥沙微粒在流体中的密度分布；
3）对所述每个时间区间所述泥沙微粒在流体中的密度分布进行积分，得到所述水体在每个时间区间的含沙量，对所述每个时间区间的含沙量求取平均值，得到所述水体在由所有时间区间构成的时间段中的泥沙含量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程，包括：
构建散射超声波在水体中的传播过程的非齐次波方程：
Figure 170837DEST_PATH_IMAGE014
（2）
其中，
Figure 113385DEST_PATH_IMAGE015
表示时刻t水体中位置x的散射超声波声压分布；
Figure 738271DEST_PATH_IMAGE016
是拉普拉斯算子，
Figure 158888DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 631457DEST_PATH_IMAGE018
表示时刻t水体中位置x的泥沙微粒的密度分布；
对于每个时间区间
Figure 479328DEST_PATH_IMAGE019
，将式（2）简化为以下如式（3）所示的方程：
Figure 404558DEST_PATH_IMAGE020
（3）
其中，
Figure 566549DEST_PATH_IMAGE021
是在时间区间
Figure 893625DEST_PATH_IMAGE022
中水体中位置x处泥沙微粒的分布密度，若该时间区间内位置x处存在泥沙微粒，则
Figure 177976DEST_PATH_IMAGE023
，否则
Figure 590503DEST_PATH_IMAGE024
。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述得到每个时间区间所述泥沙微粒在流体中的密度分布，包括：
2-1）将任一时间区间
Figure 539873DEST_PATH_IMAGE025
作为当前时间区间，确定当前时间区间中泥沙微粒的近似位置的初始值并作为泥沙微粒的当前近似位置；
2-2）在当前时间区间
Figure 721456DEST_PATH_IMAGE026
，根据所述泥沙微粒的当前近似位置确定
Figure 176708DEST_PATH_IMAGE027
的取值结合探测超声波在水体中产生的声压分布
Figure 76531DEST_PATH_IMAGE028
，利用式（3），通过求解的
Figure 642642DEST_PATH_IMAGE029
以获得当前时间区间的散射超声波的模拟接收数据；
2-3）对当前时间区间的散射超声波的模拟接收数据和散射超声波的声压数据的差值进行逆时传播，得到当前时间区间的散射超声波在泥沙微粒的当前近似位置处的强度修正值；
2-4）对强度修正值进行判定：
若所述强度修正值小于设定的阈值，则将泥沙微粒的当前近似位置作为该泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，然后进入步骤2-6）；
若所述强度修正值大于等于所述设定的阈值，则进入步骤2-5）；
2-5）利用所述强度修正值对泥沙微粒的当前近似位置进行修正：
将所述强度修正值的设定的倍数值与所述泥沙微粒的当前近似位置值求和得到修正后的泥沙微粒的当前近似位置；
修正完毕后，将所述修正后的泥沙微粒的当前近似位置作为所述泥沙微粒新的当前近似位置，然后重新返回步骤2-2）；
2-6）根据泥沙微粒在当前时间区间的实际位置，得到当前时间区间的泥沙微粒在水体中的密度分布
Figure 616414DEST_PATH_IMAGE021
；
2-7）重复步骤2-1）-2-6），得到每个时间区间的泥沙微粒在水体中的密度分布，
Figure 242567DEST_PATH_IMAGE030
。
8.一种流动水体中泥沙含量的测定装置，其特征在于，包括：
声压分布计算模块，用于计算探测超声波在水体中产生的声压分布；
散射超声波获取模块，用于获取所述探测超声波被所述水体中泥沙微粒散射产生的散射超声波的声压数据；
泥沙含量测定模块，用于根据所述声压分布和所述散射超声波的声压数据，通过模拟计算确定泥沙微粒在所述水体中的时空分布情况，以得到所述水体的泥沙含量的测定结果。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7任一项所述的方法。
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