CN212391086U - 一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，包括天线、LCD显示器、按键和电子线路，电子线路包括MPU微处理器、微波模块、信号处理模块、HART调制解调模块和PWM脉冲宽度调制模块，本实用新型涉及泥石流泥水位测量技术领域。该基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统及方法，可实现通过采用实时采样的方法进行直观采样，该泥石流泥水位测量方法对现场环境与安装要求不高，防止一旦有偏差精度和准确性下降较大的情况发生，即使在雨雾天也不容易受到干扰，从而保证了泥石流监测项目中的正常应用，同时通过采用等效采样法很好地解决了电磁波信号数据采集困难和采集速率低的问题，从而大大方便了人们对泥石流泥水位测量。

Description

一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统

技术领域

本实用新型涉及泥石流泥水位测量技术领域，具体为一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统。

背景技术

在泥石流地质灾害的监测技术方法中，监测泥水位的变化来判断泥石流是否发生及其规模是一种重要有效的手段。以往对泥水位的监测主要有接触式和非接触式两种。接触式法是通过安装于泥石流沟底的传感装置，直接感知泥石流的运动和到来，有断线法和冲击力测量法。断线法是在泥石流沟床内布设一条金属感知线，一旦泥石流运动体冲断了金属感知线，感知线产生断线信号脉冲，该信号通过现场感知终端发送报警信号到预警中心实现报警；冲击力测量法是在泥石流沟床内布设冲击力传感器，一旦泥石流流过，泥石流运动产生的冲击力信号随即被设备捕捉并发回预警中心实现报警。接触式监测方法只能知道泥水位超过了某种值，并不能准确测定实际泥水位值，这对于泥水位的动态监测是不利的。非接触式法主要是超声波测量法，它是在泥石流沟床上方安装超声波传感器，来监测泥石流沟泥水位的变化。超声波法虽然在一定程度上能够动态监测泥水位的变化，但该方法对泥石流沟底工况要求较高，要求传感器正下方为平整状态，一旦不平整会导致超声波回波能量变小，造成泥水位监测值偏差较大，且超声波收雨雾天气影响较大，这对泥水位的测量是不利的，在泥石流监测项目中的应用受到限制。

随着电磁波技术的发展，利用电磁波技术进行泥水位测量进入了实用阶段。微功率的微波脉冲从天线发射出来，以光速在空间传播，通过被测物体反射回来并被天线接收，然后通过智能测量仪器进行分析处理。

智能测量仪器中，为了提高分辨率，缩短用户等待时间，达到实时测试的效果，常常要求系统具有很高的采样速率。虽然目前市场上可以买到各种商用高速A/D转换器，这些器件理论上可以达到相当高的采样速率，但实际上A/D换器都不是孤立工作的，它需要其它的控制和接口电路。当采样速度很高时，相应的控制和接口电路的速度要求也相当高，这样才能协调工作，但这给实际应用带来了困难，故此在高速和可行性之间选取一个折衷，而等效采样法就是这样一个折衷。实践表明，采用等效采样法在很多情况下能比较好地解决上述问题，电磁波以光速进行传输，从发射端发出，遇到被测物体后返回接收端，电磁波信号从发射到接收，时间间隔只有纳秒级，如此短的时间信号很难被市面上常用的A/D转换器捕捉，本实用新型采用等效采样法能够很好地解决电磁波信号数据采集问题。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，解决了以往采用超声波传感器进行泥石流泥水位测量的方案对现场环境与安装要求很高，一旦有偏差精度和准确性下降较大，另外在雨雾天也容易受到干扰，在很多泥石流监测项目中的应用受到限制，同时现有的数据采集方法不能很好地解决电磁波信号数据采集困难和采集速率低的问题，同时又能动态监测泥水位变化。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，包括天线、LCD显示器、按键和电子线路，所述电子线路包括MPU微处理器、微波模块、信号处理模块、HART调制解调模块和PWM脉冲宽度调制模块，所述HART调制解调模块输出4-20mA信号，PWM脉冲宽度调制模块接入24VDC供电电源，所述PWM脉冲宽度调制模块通过微处理器的数字输出对模拟电路进行控制，所述MPU微处理器分别控制信号处理模块和微波模块对信号进行处理，并通过天线向外界发送和接收微波信号，且MPU微处理器将接收到的微波反射信号经过处理后输入给HART调制解调模块进行解调，形成4-20mA信号。

优选的，所述LCD显示器用于显示电子线路和MPU微处理器处理的数据图像。

优选的，通过所述按键向MPU微处理器内输入控制算法指令。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，与现有技术相比具备以下有益效果：该基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统及方法，包括天线、LCD显示器、按键和电子线路，电子线路包括MPU微处理器、微波模块、信号处理模块、HART调制解调模块和PWM脉冲宽度调制模块，HART调制解调模块输出4-20mA信号，PWM脉冲宽度调制模块接入24VDC供电电源，PWM脉冲宽度调制模块通过微处理器的数字输出对模拟电路进行控制，MPU微处理器分别控制信号处理模块和微波模块对信号进行处理，并通过天线向外界发送和接收微波信号，且MPU微处理器将接收到的微波反射信号经过处理后输入给HART调制解调模块进行解调，形成4-20mA信号，可实现通过采用实时采样的方法进行直观采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化，经过一个采样间隔T后再采入第二个样本，如此进行下去直到将整个波形数字化，存入波形存贮器，实时性好，因此适合于任何形式的信号波形，由于所采样点是按时间顺序排列，因而易于实现波形显示的功能，但当采样速度要求很高时，与实现的可行性存在矛盾，因为每个样本点的采样、保持、量化和存储均必须在小于采样间隔T的时间内完成，该泥石流泥水位测量方法对现场环境与安装要求不高，防止一旦有偏差精度和准确性下降较大的情况发生，即使在雨雾天也不容易受到干扰，从而保证了泥石流监测项目中的正常应用，同时通过采用等效采样法很好地解决了电磁波信号数据采集困难和采集速率低的问题，从而大大方便了人们对泥石流泥水位测量。

附图说明

图1为本实用新型泥石流泥水位测量系统的系统框图；

图2为本实用新型随机等效采样法的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，本实用新型实施例提供一种技术方案：一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，包括天线、LCD显示器、按键和电子线路，电子线路包括MPU微处理器、微波模块、信号处理模块、HART调制解调模块和PWM脉冲宽度调制模块，HART调制解调模块输出4-20mA信号，PWM脉冲宽度调制模块接入24VDC供电电源，PWM脉冲宽度调制模块通过微处理器的数字输出对模拟电路进行控制，MPU微处理器分别控制信号处理模块和微波模块对信号进行处理，并通过天线向外界发送和接收微波信号，且MPU微处理器将接收到的微波反射信号经过处理后输入给HART调制解调模块进行解调，形成4-20mA信号，LCD显示器用于显示电子线路和MPU微处理器处理的数据图像，通过按键向MPU微处理器内输入控制算法指令。

本实用新型还公开了一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量的方法，具体包括以下步骤：

S1、首先通过PWM脉冲宽度调制模块将处理后的24VDC的外接信号输入MPU微处理器内；

S2、然后MPU微处理器分别控制信号处理模块和微波模块对信号进行处理，并通过天线向外界发送微波，微功率的微波脉冲从天线发射出来后，以光速在空间传播，微波脉冲的发射频率为26GHz(后续研发过程中可能采用更高频率)，天生具有强抗干扰性，基本不受温度变化、烟尘、雨雾等环境因素的影响，工作时天线端以短脉冲形式发射超短波26GHz信号；

S3、步骤S2通过天线发出的微波脉冲通过被测物体反射回来并被天线接收，接收的微波脉冲利用等效采样法将原本纳秒级的时间间隔准确的记录下来，从而完成对距离的准确测量，脉冲信号发射与接收之间的时间差与天线到被测物体的距离成正比，脉冲信号被泥水位介质反射并且被天线以回波形式接收，等效采样法具体包括以下步骤：

T1、天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路；

T2、然后MPU微处理器对此信号进行处理，识别出微波脉冲在泥水位介质表面所产生的回波；

T3、之后由等效采样软件算法通过拾取回波算出距离，并通过4-20mA是电流信号输出，从而计算出泥水位值。

本实用新型的等效采样是采用随机等效采样，随机等效采样可提供预触发和触发信息以及触发后的信息，在随机等效采样中，数据是随机采集到的，其原理如图2所示，在随机等效采样中，每一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关，这些采样点之间的时间间隔为采样周期，当等待触发事件到来时，其内部就在连续的进行采集并将采集数据存储起来；

当触发事件到时，由于采样间隔时间是固定的，只要测出触发事件到与下一个采样点的时间，就可以从该测量时间推算出所有采样点相对触发的时间，经过多次的重复以上过程，就可以复现一个完整的随机采样的波形，如图2可见随机等效采样实现的关键为测出触发事件到与下一采样点的时间。

等效采样软件算法为随机等效采样算法，其思路如下：设采样时钟周期为T，采集信号N次，利用这N个数据也能组合出顺序等效采样组合出的波形，随机等效采样下T，采集的N个数据组合的方法不是按顺序组合的，如图2所示，随机等效采样数据组合的原理如下：以某次采样时刻为时间零点，因为信号是周期复现的，可求出接下来N-1次采样相对于时间零点为基准的排列时间点大小，对应的采样数据的组合排列就是按照这些数据的排列时间点由小到大进行的，第一次采样时刻为t₀，设为时间零点，第二次采样时刻为t₁，相对于零点时刻t₀的时间刻度t₁-t₀＝T_x，下面我们把t₀和t₁采样的数据da-ta₀和data₁复现于同一周期内，如果t₁-t₀≤T，则da-ta₀和data₁位于同一信号周期，data₁复现时间点大小n₁＝t₁-t₀，如果t₁-t₀>T_x，则dala₀和data₁，位于不同信号周期，这时候data₁复现时间点大小n₁＝mod(t₁-t₀，T)(mod(t₁-t₀，T)表示t₁-t₀除以T的余数)，第三次采样时刻t₃相对于零点时刻t₀的时间刻度t₃-t₀＝2T,...第n次采样时刻为t_n-t₀＝(n-1)T_x,用同样的方法求出dala₂，data₃...data_N-1与data₀复现于同一信号周期的时间点大小n₂，n₃...n_N-1最后我们依据n₁，n₂，n₃...n_N-l的大小作数据重组排列，当然时间零点的数据作为第一个数据。

在已知信号周期T和等效采样周期Δt的条件下，可计算出伪随机等效采样重组出被采信号的一个周期需要的采样次数N，随机等效采样的采样时钟周期T,必须满足N*T_x＝M*T,式中：N为等效采样重组一个周期信号需要采集的数据点数，M为自然数，满足M和N互为质数。

综上，本实用新型可实现通过采用实时采样的方法进行直观采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化，经过一个采样间隔T后再采入第二个样本，如此进行下去直到将整个波形数字化，存入波形存贮器，实时性好，因此适合于任何形式的信号波形，由于所采样点是按时间顺序排列，因而易于实现波形显示的功能，但当采样速度要求很高时，与实现的可行性存在矛盾，因为每个样本点的采样、保持、量化和存储均必须在小于采样间隔T的时间内完成，该泥石流泥水位测量方法对现场环境与安装要求不高，防止一旦有偏差精度和准确性下降较大的情况发生，即使在雨雾天也不容易受到干扰，从而保证了泥石流监测项目中的正常应用，同时通过采用等效采样法很好地解决了电磁波信号数据采集困难和采集速率低的问题，从而大大方便了人们对泥石流泥水位测量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，其特征在于：包括天线、LCD显示器、按键和电子线路，所述电子线路包括MPU微处理器、微波模块、信号处理模块、HART调制解调模块和PWM脉冲宽度调制模块，所述HART调制解调模块输出4-20mA信号，PWM脉冲宽度调制模块接入24VDC供电电源，所述PWM脉冲宽度调制模块通过微处理器的数字输出对模拟电路进行控制，所述MPU微处理器分别控制信号处理模块和微波模块对信号进行处理，并通过天线向外界发送和接收微波信号，且MPU微处理器将接收到的微波反射信号经过处理后输入给HART调制解调模块进行解调，形成4-20mA信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，其特征在于：所述LCD显示器用于显示电子线路和MPU微处理器处理的数据图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于等效采样法的泥石流泥水位测量系统，其特征在于：通过所述按键向MPU微处理器内输入控制算法指令。

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