CN117706536A - 大跨度双轨循环式雷达测流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大跨度双轨循环式雷达测流系统，包括双轨循环式雷达在线测流设备与定点雷达在线监测设备。本发明与现有技术相比的优点在于：全天候、无人值守，全自动、远程遥测，可在夜间、雨天测流、洪水期高水位、高流速条件测量，适应高含沙量、漂浮物、污水等极端环境；可支持大跨度河道多频次测量，可行进式扫射断面，实现断面流态全覆盖探测；提供探头姿态、风力风向动态耦合，测量精度高、速度快；可实现远程自动精确监测、根据不同水位级变化自动进行选择对应的垂线测流；可实时监控流速信号频谱分布，流速信号质量可溯源可查看，智能分析流速信号质量并复测。

Description

大跨度双轨循环式雷达测流系统

技术领域

本发明涉及水文监测领域，具体是指大跨度双轨循环式雷达测流系统。

背景技术

水文监测是我国水文行业最基础的工作之一，是水文传感技术和采集、保存、传输以及处理技术的集合体。水文监测成果为经济社会发展、水旱灾害防御、生态环境保护、最严格的水资源管理、水工程设计建设运行等提供了重要的技术支撑。

水文监测主要内容包括水位、蒸发、降水、流量等，目前，对于前3个观测要素国内外均已实现了普遍的在线监测，而制约我国水文监测现代化发展的主要因素是流量测验。国外发达国家众多水文测站通过H-ADCP、超声时差法实现了流量实时在线测量，对于大江大河也均使用了流量快速测验技术现场测定。而受技术所限，流量测验主要仍以流速仪或走航式ADCP等为主，快速监测手段缺乏，先进的实时在线监测设备不足，现有监测设施系统自动化、信息化程度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对以上问题提供一种大跨度双轨循环式雷达测流系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：大跨度双轨循环式雷达测流系统，包括双轨循环式雷达在线测流设备与定点雷达在线监测设备，其特征在于：所述双轨循环式雷达在线测流设备包括主控箱、岸基塔顶和智能测速小车，主控箱包括主控系统，主控系统控制触控大屏、水雨情采集子系统、电力蓄控和通信模块，通信模块为lora无线通信模块、GPRS/GSM通信模块和串行通信模块，岸基塔顶包括动力控制模块，动力控制模块控制直流电机和编码计数模块，岸基塔顶设有双规循环式缆道，智能测速小车包括小车智能测速系统，小车智能测速系统连接lora无线通讯模块、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪和动能模块，动能模块包括太阳能电板、充电控制器和免维护蓄电池；

定点雷达在线监测设备包括测流软件和采集控制器，采集控制器连接雷达水位计、流速传感器、通信模块和动力模块，动力模块包括蓄电池、太阳能充电器和太阳能板，采集控制器通过通信模块连接测流软件，测流软件所述设备连接通信模块。

作为改进，主控箱和智能测速小车通过lora无线通信模块连接，通过在在智能测速小车上增加Lora无线通信模块，将测量数据同步传输至主控箱中，在触控大屏上进行显示，为下一步实现远程在线测流提供了技术基础。

作为改进，流速传感器数量若干，等间距分布于待测水域。

作为改进，智能测速小车包括车身，车身上设有雷达波流速探测仪，车身底部设有车轮，车轮底部设有钢索，车轮之间设有套环若干，套环连接在钢索上，车身两端均设有循环索，循环索连接直流电机，车身顶部设有太阳能电池板，太阳能电池板两侧分别设有超声波风速仪和报警灯，车身远离直流电机的一端设有蓄电池，蓄电池一侧设有GPRS模块和无线接收电路。

本发明与现有技术相比的优点在于：全天候、无人值守，全自动、远程遥测，可在夜间、雨天测流、洪水期高水位、高流速条件测量，适应高含沙量、漂浮物、污水等极端环境；可支持大跨度河道多频次测量，可行进式扫射断面，实现断面流态全覆盖探测；提供探头姿态、风力风向动态耦合，测量精度高、速度快；可实现远程自动精确监测、根据不同水位级变化自动进行选择对应的垂线测流；可实时监控流速信号频谱分布，流速信号质量可溯源可查看，智能分析流速信号质量并复测。

附图说明

图1是大跨度双轨循环式雷达测流系统的双轨循环式雷达在线测流设备结构示意图。

图2是大跨度双轨循环式雷达测流系统的定点雷达在线监测设备结构示意图。

图3是大跨度双轨循环式雷达测流系统的智能测速小车结构示意图。

图中：1、车身，2、雷达波流速探测仪，3、车轮，4、钢索，5、套环，6、循环索，7、直流电机，8、太阳能电池板，9、超声波风速仪，10、报警灯，11、蓄电池，12、GPRS模块，13、无线接收电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明在具体实施时，大跨度双轨循环式雷达测流系统，包括双轨循环式雷达在线测流设备与定点雷达在线监测设备，所述双轨循环式雷达在线测流设备包括主控箱、岸基塔顶和智能测速小车，主控箱包括主控系统，主控系统控制触控大屏、水雨情采集子系统、电力蓄控和通信模块，通信模块为lora无线通信模块、GPRS/GSM通信模块和串行通信模块，岸基塔顶包括动力控制模块，动力控制模块控制直流电机和编码计数模块，岸基塔顶设有双规循环式缆道，智能测速小车包括小车智能测速系统，小车智能测速系统连接lora无线通讯模块、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪和动能模块，动能模块包括太阳能电板、充电控制器和免维护蓄电池；

定点雷达在线监测设备包括测流软件和采集控制器，采集控制器连接雷达水位计、流速传感器、通信模块和动力模块，动力模块包括蓄电池、太阳能充电器和太阳能板，采集控制器通过通信模块连接测流软件，测流软件所述设备连接通信模块。

作为改进，主控箱和智能测速小车通过lora无线通信模块连接。

作为改进，流速传感器数量若干，等间距分布于待测水域。

作为改进，智能测速小车包括车身1，车身1上设有雷达波流速探测仪2，车身1底部设有车轮3，车轮3底部设有钢索4，车轮3之间设有套环5若干，套环5连接在钢索4上，车身1两端均设有循环索6，循环索6连接直流电机7，车身1顶部设有太阳能电池板8，太阳能电池板8两侧分别设有超声波风速仪9和报警灯10，车身1远离直流电机7的一端设有蓄电池11，蓄电池11一侧设有GPRS模块12和无线接收电路13。

太阳能电池板，置于智能测速小车顶部，接收光能为系统供电。

蓄电池，用于接收储存太阳能电磁板提供的电能，保证在夜晚及阴雨天气能够正常使用。

雷达波流速探测仪本体，用于测量水体表面流速。

通过超声波风速风仪来消除自然界风速对于水面流速测量结果的影响向来修正表面流速；

GPRS模块，通过该模块将测量数据返回至主控箱；

无线接收电路，通过该电路可以接收主控箱发送过来的测流指令；

警报灯，如出现故障可以提供声光警示；

钢索，共两根，平行架设于测流断面上，用于架设智能测速小车；

智能测速小车车轮，便于智能测速小车在钢索上平行移动；

智能测速小车上安装的套环，钢索从套环上穿过，用于固定智能测速小车；

小车本体和循环索，通过将循环索固定于小车本体上，可使小车随着循环索往复运动。

岸边直流电机，循环索绕过电机，通过直流电机的转动，便可带动循环索移动。

本发明的工作原理：

为使本发明技术方案、优势各部分更加清楚，将会对发明实施中的技术方案进行清楚、完整的描述，大跨度双轨循环式雷达测流系统包扩双轨循环式雷达在线测流设备与定点雷达在线监测设备，其不同在于：所述双轨循环式雷达在线测流设备包括主控箱、置于岸基塔顶的动力控制系统和智能测速小车，主控箱包括主控系统，主控系统控制触控大屏、水雨情采集子系统、电力蓄控和通信模块，通信模块为lora无线通信模块、GPRS/GSM通信模块和串行通信模块，动力控制系统包括动力控制模块，动力控制模块控制直流电机和编码计数模块，岸基塔顶设有双规循环式缆道，智能测速小车包括小车智能测速系统，小车智能测速系统连接lora无线通讯模块、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪和动能模块，动能模块包括太阳能电板、充电控制器和免维护蓄电池。

本发明的主要部分包括

通过架设渡河平行钢绞循环索，索上固定智能测速小车，使智能测速小车得以沿着循环索在测流断面上前后移动。

通过在智能测速小车内部隐藏安装有雷达多普勒流速传感器，使得智能测速小车可以获取下方水面流速。

通过在智能测速小车内部安装Lora无线通信模块，将测量的流速数据同步传输至主控箱，并可从主控箱发送指令使智能测速小车完成测量动作。

通过在岸边塔顶安装直流电机，用于控制循环索带动智能测速小车前进后退，使得智能测速小车可以到达测量断面的任意垂线进行流速测量。

智能测速小车由lora无线通信模块、太阳能供电系统、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪组成，小车智能测速系统从lora通信模块接收控制指令采集测点表面流速。

作为改进，雷达波流速仪瞬时姿态、水表风速、水表流速耦合模型反演断面深层流，解决了流体表面流速采集精度与断面流量反演难题。

其中雷达波流速仪受到环境影响，姿态处于随机态，通过在智能小车内部的电子陀螺仪来读取瞬时姿态以修正测量数据。

水表风速则通过超声波风速仪来进行获取。

作为改进，行进式扫射断面方法，实现断面流态全覆盖探测，解决了大跨度河道断面多频次测量难题。

通过循环索来控制智能测速小车能够达到断面任意垂线，并且可以在断面上匀速行驶。基于此可以实现测流断面的全覆盖流域探测。

其中蠕动式的断面全覆盖流域探测，不再采用在某点停顿的测量方式，而是在当前位置发射雷达波束之后，不做停顿运动至前方来接收斜射回来的雷达波束，这样即可完成动态的全断面流速测量。且在测流时可以导入本断面的历史资料，可以使该系统能够迅速测完死水区，而在大流速的测点可以放慢行进速度，以此保证测量精确度。蠕动式的雷达波测流系统相比于走航式雷达波测流系统测流范围更广，精度更高，速率更快。

作为改进，提出实时监控流速信号频谱分布分析方法，智能分析流速信号质量并复测。

流速数据分析

雷达数据查询整理可查询历史雷达流速成果数据，并查询每条垂线流速变化曲线。

断面表面流速计算断面流量

断面表面流速计算断面流量方法

部分面积法来计算断面流量，将断面按照雷达距离分辨率划分为n个面积单元，分别计算各个面积单元的部分流量，然后累加出断面总流量：

其中Ai和分别为第i个断面单元的面积和平均流速。

抛物线模型

当垂线间隔无限缩小的情况下，可以认为其表面流速与河底高程恒定的，其平均流速计算公式为：

抛物线模型流速分布关系为：其中P为焦参数。

将上式带入得出断面流量为

指数模型

指数模型下，断面不同深度处的流速与表层流速关系：

其中m与具体断面有关，由此时带入得平均流速与表层流速关系：

将上式带入得出断面流量为

指标流速法

指标流速定义平均流速和指标流速、水位关系为

V＝(V,H)

其中，V为断面平均流速，V1为指标流速，H为水位。

对于相对复杂的河流，平均流速一般还应结合水位因素，故常用平均流速-指标流速公式如下,其中b1、b2、b3为常数。

V＝b1+b2V+b3HV

提出断面上的最大流速与断面平均流速线性相关，且最大流速与断面平均流速之间的相关性最高，即，其中a1、a2、a3为常数。

测试应用

大跨度双轨循环式雷达测流系统提出了多普勒流速仪瞬时姿态、水表风速、水表流速耦合模型，解决了流体表面流速采集精度难题，研发了双轨循环式支撑导轨，解决了大跨度测验断面仪器平稳运行问题。与传统移动式雷达流速设备对比，设备运行更为平稳可靠，耦合了多种环境及系统干扰因素，流速计算更为精准可靠。

支持远程手动测流和远程遥测等功能：河道的断面、垂线、水位计高程、测流历时、低水停测、低温停测、大风停测、加报段制、加报水位及加报变幅等。通过远程监测并记录雷达多普勒流速传感器信号频谱分布，进而优选优化测流参数，显著提高了流速测量质量，做到了流速测量可溯源可选择。

双轨循环式雷达系统能够兼容定点雷达测流方式，与传统定点雷达所不同的是，不需要多个雷达波测流探头来定点布置。数据传输方式由并行传输改为串行传输，以牺牲一定传输速率来节省传感器探头以此节约安装成本。且除了传统走航式测量方式外，提出一种蠕动式的断面全覆盖流域探测，不再采用在某点停顿的测量方式，而是在当前位置发射雷达波束之后，不做停顿运动至前方来接收斜射回来的雷达波束，这样即可完成动态的全断面流速测量。且在测流时可以导入本断面的历史资料，可以使该系统能够迅速测完死水区，而在大流速的测点可以放慢行进速度，以此保证测量精确度。蠕动式的雷达波测流系统相比于走航式雷达波测流系统测流范围更广，精度更高，速率更快。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.大跨度双轨循环式雷达测流系统，包括双轨循环式雷达在线测流设备与定点雷达在线监测设备，其特征在于：所述双轨循环式雷达在线测流设备包括主控箱、岸基塔顶和智能测速小车，主控箱包括主控系统，主控系统控制触控大屏、水雨情采集子系统、电力蓄控和通信模块，通信模块为lora无线通信模块、GPRS/GSM通信模块和串行通信模块，岸基塔顶包括动力控制模块，动力控制模块控制直流电机和编码计数模块，岸基塔顶设有双规循环式缆道，智能测速小车包括小车智能测速系统，小车智能测速系统连接lora无线通讯模块、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪和动能模块，动能模块包括太阳能电板、充电控制器和免维护蓄电池；

定点雷达在线监测设备包括测流软件和采集控制器，采集控制器连接雷达水位计、流速传感器、通信模块和动力模块，动力模块包括蓄电池、太阳能充电器和太阳能板，采集控制器通过通信模块连接测流软件，测流软件所述设备连接通信模块。

2.根据权利要求1所述的大跨度双轨循环式雷达测流系统，其特征在于：主控箱和智能测速小车通过lora无线通信模块连接。

3.根据权利要求1所述的大跨度双轨循环式雷达测流系统，其特征在于：流速传感器数量若干，等间距分布于待测水域。

4.根据权利要求1所述的大跨度双轨循环式雷达测流系统，其特征在于：智能测速小车包括车身(1)，车身(1)上设有雷达波流速探测仪(2)，车身(1)底部设有车轮(3)，车轮(3)底部设有钢索(4)，车轮(3)之间设有套环(5)若干，套环(5)连接在钢索(4)上，车身(1)两端均设有循环索(6)，循环索(6)连接直流电机(7)，车身(1)顶部设有太阳能电池板(8)，太阳能电池板(8)两侧分别设有超声波风速仪(9)和报警灯(10)，车身(1)远离直流电机(7)的一端设有蓄电池(11)，蓄电池(11)一侧设有GPRS模块(12)和无线接收电路(13)。