CN206892336U - 一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置，包括操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块、显示模块和电源模块；电源模块与其他模块相连，为这些模块供电；操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连，处理模块与AD转换模块相连，AD转换模块与收发模块相连；收发模块包括一个超声波发射探头和三个超声波接收探头，每个超声波接收探头与超声波发射探头的距离相等。本实用新型利用了定位系统和三维显示技术构造了一个河海水体三维流速可视化系统，使得河海水体三维速度更加直观。
Description
技术领域
本实用新型涉及水体三维速度检测技术领域，特别涉及一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置。
背景技术
河海水体的三维速度指的是河海中水下的水流三维速度，通过对河海水体三维速度的确定，可以更好地分析河流流量及入海河流水体的交换情况，从而有助于进一步了解河流入海口的水环境承载力、河海环境变化规律等状况。同时，很多河流入海口(如珠江口)由多条支流汇集，水下的水文水体环境复杂，如果能够获得水下水流的三维情况和水动力生态模型，则可以准确推断出河海中水流交换，对污染传播定位、预警等方面都具有重要的现实意义。除此之外，近海水体流动会引起海洋盐度、海水营养物等海洋物质的运输，获知河海水下的水流三维情况对渔业生产也具有重要的指导意义。因此，河海水体三维速度的测量对河海中的水环境保护，安全防护和对一些河海周边的产业发展都有着至关重要的作用。
目前，对水体的流动速度测量主要分为三类方法。
第一类方法是通过机械装置来进行水体流动速度的测量，它是利用轮轴旋转信息来进行水流速与方向的测量的。这类方法主要包括机械式速度测量、测速发电机型速度测量、霍尔数字式转速测量、磁感式车速测量、脉冲式转速传感器速度测量等方法。此类方法需要在测量目标位置上安装测量装置，使用不便，并且测量效率不高。
第二类方法是利用图像处理技术来进行水体流动速度的测量。此类方法在光线不好的环境下不能正常工作，同时它只能测量表面流速。
第三类方法是利用声波的多普勒效应进行速度测量，它向水下发射特定频率的声波，通过测定接收到的声波频率变化来计算水体流动的速度，其中最经典的装置就是声学多普勒海流剖面仪(ADCP)。四波束正交配置的ADCP向水下4个不同方向发射声波，根据接收回来的声波频率变化测得某一深度的水流速度。ADCP假定在同一深度的水体流动速度都是相同的，而实际上许多水域中的水体流动速度是不均匀不稳定的，同一深度的水体流速并不相同，因此ADCP在一些水流速度不均匀的水域中测量的精度并不高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置，能够精确地测量出水流三维速度，同时还利用了定位系统和三维显示技术构造了一个河海水体三维流速可视化系统，包含了纬度、经度和海拔高度等地理位置信息，使得河海水体三维速度更加直观。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置，包括：操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块、显示模块和电源模块；电源模块与其他模块相连，为这些模块供电；
操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连，处理模块与AD转换模块相连，AD转换模块与收发模块相连；
收发模块包括一个超声波发射探头和三个超声波接收探头，每个超声波接收探头与超声波发射探头的距离相等；
操作者确定好探测区域后，将装置放在选定好的起始测量点处；先通过定位模块获取该测量点的地理位置，并将其具体地理位置信息传送给操作模块；然后通过操作模块输入指定的参数，使处理模块产生所需要的数字信号，该数字信号经过AD转换模块将其转换成模拟信号后，传送给收发模块，超声波发射探头将对其进行发射；
发送模块中的超声波接收探头接收到反射回来的声波信号并将其传送给AD转换模块，信号转换为数字信号后传送给处理模块，处理模块处理这些数字信号从而获得每个超声波接收器上的声波信号频率大小，声波能量图，并计算出测量点处每一层水域中的三维水流速度，同时，处理模块将得到的这些信息传回给操作模块；
接着，操作模块将定位模块传回的测量点的具体地理位置信息和处理模块传回的每个测量点的三维流速信息进行融合，同时显示模块利用三维显示技术将该测量点的融合信息在显示模块中显示出来，从而得到河海水体三维流速可视化系统；
最后将装置依次转移至下一个测量点处进行测量，并将测量点处的地理位置信息和三维水流速度信息在它们融合之后同样在水体三维流速可视化系统中显示出来，以丰富可视化系统信息，直至测量停止。
优选的，操作模块包括一个PC机，能够用于人机交互、参数选择以及信息融合。
优选的，定位模块包括一个定位单元，能够通过该定位单位确定测量点的地理信息位置。
优选的，显示模块包括一块LCD显示屏。
优选的，处理模块包括一个数字信号处理器。
具体的，处理模块和AD转换模块可用DSP芯片或者ARM芯片实现。
优选的，AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器。
优选的，收发模块还包括发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型不需要在测量目标位置上安装测量装置，克服了机械法使用不便的缺点。
2、本实用新型相对工作环境没有太大的要求，克服了图像处理法在光线不好的环境中不能正常工作的缺陷。
3、本实用新型利用了定位系统和三维显示技术构造了一个河海水体三维流速可视化系统，包含了纬度、经度和海拔高度等地理位置信息，使得河海水体三维速度更加直观。
4、本实用新型装置可行性强，安装简单；除此之外，随着现代处理器计算处理能力的不断提高，这使得本实用新型所使用的处理器等芯片的集成度高，并且计算能力强，从而保证了本实用新型的可行性。
附图说明
图1为实施例中装置的模块连接组合示意图。
图2为实施例中具体装置连接组合示意图。
图3为实施例中收发模块具体实物连接图。
图4为实施例中具体工作步骤流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置，图1为本装置的模块连接框图，具体的装置连接如图2所示。
该基于定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置包括：操作模块101、处理模块102、AD转换模块103、收发模块104、定位模块105、显示模块106、电源模块107。
操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连。操作模块101用一个PC机001实现，主要用于人机交互，根据应用场景的不同而选择不同的发送信号中心频率、脉冲长度等参数，并将这些参数传送给处理模块；同时利用现有的三维显示技术对定位模块传送回来的地理位置信息和处理模块传送回来的三维水流速度信息在PC机上进行融合，建立一个水体三维流速可视化系统，并在显示模块中显示出来。
定位模块105用一个定位单元501来实现。它能够通过该定位单位确定测量点的地理信息位置，并将其发送给操作模块。
显示模块106由一块LCD显示屏601组成。它能够利用三维显示技术将操作模块中信息融合过后的信息在LCD上进行三维显示，从而建立一个河海水体三维流速可视化系统。
处理模块102与AD转换模块103相连。处理模块由一个数字信号处理器201组成，数字信号处理器201可用DSP芯片(如：TI公司的TMS320VC5509A型号的DSP芯片)或者ARM芯片等实现。它能够根据操作模块输入的指令生成特定的数字信号，该数字信号通过AD转换模块转换为模拟信号，最后通过收发模块发射出指定频率的声波信号；同时，它还能够对从收发模块传送回来的，经过AD转换模块转换后的数字信号进行处理，获得其频率大小，声波能量图，以及计算出测量点每一层水域中的三维水流速度信息，并且将这些信息回传给操作模块。
AD转换模块103由一个A/D转换器302和D/A转换器301组成，并且与收发模块相连。由于处理模块中的DSP芯片或者ARM芯片中含有A/D和D/A转换接口，能实现A/D转换和D/A转换的功能，因此AD转换模块103中的D/A转换器301和A/D转换器302也可以利用处理模块中的同一芯片实现，即这些芯片可以实现处理模块102和AD转换模块103这两个模块的功能。A/D转换器将收发模块接收到的模拟信号转换为数字信号并传递给处理模块进行处理；D/A转换器将处理模块发出的数字信号转换为模拟信号并传送收发模块使其发射指定的声波。
收发模块104包括发射阻抗匹配电路401、一个超声波发射探头402、接收阻抗匹配电路403和三个超声波接收探头组成的超声波接收阵列404，接收阵列中每个超声波接收探头摆放在一个正三角形的一个顶点上，而超声波发送探头摆放在正三角形的中心位置，收发模块具体的实物连接图如图3所示，其中三个支架用3根硬质棒来实现。收发模块能够根据处理模块发出，并经过AD转换模块转换后的模拟指令发射指定频率的超声波信号；也能够接收反射回来的超声波信号，并通过AD转换模块将其转换为数字信号然后传送给处理模块进行分析处理。
电源模块107由一个电源701组成，与操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块和显示模块相连。它能够为这些模块供电。
本装置的主要工作步骤如图4所示，具体如下：
步骤1：确定探测区域以及起始测量点的位置。
步骤2：按图2和图3连接好具体装置，确定好超声波发射探头与超声波接收探头之间的距离d，d＝2m，并将装置放在测量点处。
步骤3：利用定位模块获得测量点的具体地理信息位置，其中定位模块利用到的定位系统是一个基于基站的局部定位系统。
步骤4：利用操作模块给处理模块发送指令，控制超声发射探头发射单频超声信号S(t)，信号的频率为fs＝100kHz，脉冲长度5ms；
步骤5：在处理模块中处理三个超声接收探头接收返回的声波信号，获得任意一个超声波接收探头上的声波能量图，在声波能量图中确定最大波峰所对应的时间τmax，从而获得水底的最大深度Hmax。
步骤:6：对测量点的最大深度Hmax进行分层。
步骤7：在处理模块中计算出测量点处每一层水域的三维水流速度。
步骤8：在操作模块中，利用信息融合技术将测量点处的具体地理位置信息和它每层水域中的三维水流速度信息进行融合，并在显示模块中，利用三维显示技术将其在LCD显示屏上三维显示出来，从而建立一个河海水体三维速度可视化系统。
步骤9：将装置转移至下一个测量点处，重复步骤1到步骤8之间的步骤，获得该测量点处的具体地理位置信息和水体三维流速信息，并在它们融合之后将其在水体三维速度可视化系统中显示出来，以丰富可视化系统的信息量，直至测量停止。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种定位系统辅助的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，包括：操作模块、处理模块、AD转换模块、收发模块、定位模块、显示模块和电源模块；电源模块与其他模块相连，为这些模块供电；
操作模块与处理模块、定位模块和显示模块相连，处理模块与AD转换模块相连，AD转换模块与收发模块相连；
收发模块包括一个超声波发射探头和多个超声波接收探头，每个超声波接收探头与超声波发射探头的距离相等。
2.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，操作模块包括一个PC机，能够用于人机交互、参数选择以及信息融合。
3.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，定位模块包括一个定位单元，能够通过该定位单位确定测量点的地理信息位置。
4.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，显示模块包括一块LCD显示屏。
5.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，处理模块包括一个数字信号处理器。
6.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，处理模块和AD转换模块可用DSP芯片或者ARM芯片实现。
7.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，AD转换模块包括A/D转换器和D/A转换器。
8.根据权利要求1所述的河海水体三维速度检测装置，其特征在于，收发模块还包括发射阻抗匹配电路和接收阻抗匹配电路。
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| CN109106398A (zh) * | 2018-08-21 | 2019-01-01 | 青岛海信医疗设备股份有限公司 | 一种探头及探头的控制方法 |
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