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原文传递一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统及测量方法

专利名称：	一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统及测量方法
摘要：	本发明涉及一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统及测量方法，测量方法包括确定测量河段、选定测量断面、规划测深船位置、测深船就位、测量前期准备工作、两点同时开始测量、处理原始数据以及计算并输出结果，本发明通过对河段河床形态稳定精确地测量，得出河床表面沙波的运动形态和特征，从而在不干扰河床原输沙以及水流条件下，对河床的单宽推移质输沙率作出实时准确的测量和分析。
专利类型：	发明专利
申请人：	河海大学
发明人：	管大为;刘进刚;杨全义;张弛;徐振山;周应征;陈大可
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T20:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN201911324606.X
公开号：	CN111060427A
代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：	徐尔东
分类号：	G01N15/00;G01N11/00;G01M10/00;G;G01;G01N;G01M;G01N15;G01N11;G01M10;G01N15/00;G01N11/00;G01M10/00
申请人地址：	211100 江苏省南京市江宁开发区佛城西路8号
主权项：	1.一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统，其特征在于：包括测深船，在测深船上安装定位装置、通信装置、测量装置以及主控芯片，前述的主控芯片包括数据采集单元、数据处理单元、数据输出单元、仪器位移跟踪单元以及仪器位移补偿单元，测量装置包括旋杯式流速仪、超声波水深仪、加速度传感器、稳定装置以及垂直位移补偿装置，其中旋杯式流速仪、超声波水深仪以及加速度传感器安装在稳定装置上；垂直位移补偿装置包括安装在测深船上的绞车、主动液压缸、被动液压缸以及液压泵，主动液压缸与液压泵连接，主动液压缸与被动液压缸之间通过平衡结构连接，钢索穿过平衡结构，钢索的一端与绞车连接，钢索的另一端与稳定装置连接，测深船相对稳定装置发生加速时，钢索上产生牵引力，被动液压缸的液压轴上产生第一拉伸力，主动液压缸的液压轴上产生第二拉伸力，牵引力、第一拉伸力以及第二拉伸力的合力为0N。 2.一种基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：根据实际工程工况，选择需要测量的河段；第二步：在选定需要测量的河段内设定待测量断面以及测深船的位置；第三步：测深船利用定位装置行驶至选定的河段内，同时保证测深船的船头方向与水流方向一致，将测深船上的尾锚、左边锚以及右边锚嵌入河段内，固定测深船的位置；第四步：在河段内选定一段纵向固定距离，将超声波水深仪放置在固定距离的两端点位置处，当超声波水深仪初次置入河段时进行第一次测量获取河段深度，将测量获取的数据输送至主控芯片；缓慢向下放置超声波水深仪，待超声波水深仪位于河段深度的二分之一水深处，对河段进行第二次测量，获取的二次数据同样输送至主控芯片；利用加速度传感器对超声波水深仪获取的实时数据进行跟踪，同时通过垂直位移补偿装置对获取的实时数据进行跟踪补偿；当位于纵向固定距离处的两个超声波水深仪获取的位移变化范围达到测量作业要求值时，数据采集单元向超声波水深仪发出指令进行数据的连续采集；第五步：将超声波水深仪测量得到的数据通过水下电缆传送至测深船主控芯片，经过主控芯片的数据处理分析得出沙波的实时形态特征图、沙波移动速度、沙波平均高度以及沙波的移动时间；第六步：将第五步中获取的沙波平均高度、沙波移动距离以及移动时间进行计算，获取泥沙推移质单宽输沙率，计算公式为式中，qb为推移质单宽输沙率，α为泥沙形状系数，可按公式其中a、b、c为泥沙长、中、短三轴长度，h为沙波平均波高，L为沙波移动距离，ΔT为沙波移动时间，ρS为河段内河床底泥沙密度；第七步：通过旋杯式流速仪测得实时流速，传送至主控芯片后进行数据处理，获取在纵向固定距离上两个端点处的流速分布。 3.根据权利要求2所述的基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：第五步中得出沙波的形态特征图、沙波移动速度、沙波平均高度以及沙波的移动时间的具体步骤为： 51将超声波水深仪测量获取数据中的河床纵向剖面沙波特征数据消除测量噪点； 52将去噪后的河床纵向剖面沙波特征数据作出位于纵向固定距离两个端点的沙波形态图； 53由互相关函数对两个端点的沙波形态分析得到沙波从一个测量端点至另一个测量端点的移动时间； 54将两个端点的距离除以沙波移动时间，得到沙波的移动速度； 55通过对沙波形态的分析，获取指定河段内河床的平均基准面； 56通过各沙波波高与河床平均基准面求绝对差值，得到沙波的平均高度。 4.根据权利要求3所述的基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：获取沙波移动时间的具体步骤包括：设定通过测量所得数据，将纵向固定距离的两个端点处绘制的河床深度随时间变化关系函数为： f1(t,y)＝a(t,y) (2) f2(t,y)＝a(t-△T,y-△y) (3) 其中，f1为船头测点处河床深度随时间变化函数，f2为船尾测点处河床深度随时间变化函数，a为系数，可由实测数据确定，t为时间，y为河床深度，ΔT为沙波运动时间，Δy为函数f1与f2关于y的相位差；则f1、f2的互相关函数为：其中，R12为f1、f2的互相关函数，t为时间，根据傅立叶变化关系得： f2(t,y)＝f1(t,y)e-2πi(t△T+y△y) (5) 由卷积定理可知：其中，R12(t,y)代表f1、的卷积，F(t,y)＝f1f1为f1、f1的卷积，根据互相关函数定义，有R12(t,y)＝f1(t,y)f2(-t,-y)，从而反傅里叶变换得： R12(t,y)＝F(t,y)·δ(t-△T,y-△y)＝F(t-△T,y-△y) (7) 其中，δ(t-△T,y-△y)代表e2πi(t△T+y△y)；考虑两测量点位距离，假设河床的平均基准面不发生变化，即y变量不考虑，故式(7)简化为： R12(t)＝F(t)δ(t-△T)＝F(t-△T) (8) 其中，δ(t-△T)代表e2πit△T，其余不变；由于函数F(t)的峰值在原点处，所以函数R12(t)的峰值点出现在t＝△T处，即△T为所求的函数偏移量： △T＝arg{max[R12(t)]} (9) 其中，符号arg表示求函数的自变量，符号max表示求函数的最大值，沙波的移动时间即为△T。 5.根据权利要求2所述的基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：第七步中根据旋杯式流速仪测得的流速数据经过处理分析得到测量点流速分布的具体步骤为： 71旋杯式流速仪获取河段深度的二分之一水深处的水流流速； 72通过Matlab程序计算出剪切速度u 其中，u为剪切速度，v为运动粘度，u为测点水流方向的流速，y为测点到河床的距离，k为卡门常数，为简化计算近似取值0.40； 73将72中获取的剪切速度u代入式(10)可得出水流流速分布函数。 6.根据权利要求2所述的基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：第四步中判定垂直位移补偿装置的步骤包括： 41加速度传感器获取实时仪器振荡位移，位移跟踪单元将从数据处理单元获取的实时仪器振荡位移信号进行预判断，预设位移信号的变化范围为-10mm-10mm，若获取的实时仪器振荡位移信号在变化范围内，数据采集单元向超声波水深仪发出指令进行数据的连续采集；若获取的实时仪器振荡位移未在变化范围内，则将获取的实时仪器振荡位移信号重新传输至位移补偿单元；其中，通过加速度传感器获取实时仪器振荡位移信号的步骤为： 411利用加速度传感器直接获得加速度的信号数值a(t)； 412对直接获取的加速度信号竖直积分得到速率信号数值其中，将积分区间分为N等分为N个小区间，每一个小区间积分区间用△t表示，表示加速度曲线积分第i个小区间上的平均高度； 413对获取的速率信号数值积分得到位移信号数值：其中，积分区间分为N等分为N个小区间，每一个小区间积分区间用△t表示，表示速度曲线积分第i个小区间上的平均高度； 42位移补偿单元接收到位移跟踪单元的仪器振荡位移信号，通过控制垂直位移补偿对测量仪器的位移进行主动补偿，使其位移变化范围缩小，再重复第41步。 7.根据权利要求6所述的基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：第四步中的垂直位移补偿装置的具体补偿步骤包括：当测深船相对于稳定装置进行向上加速时，垂直位移补偿装置的钢索受到的张拉力增大，压迫被动液压缸向主动液压缸处收缩，主控芯片根据位移跟踪单元获取的位移数据计算主动液压缸需要伸缩的长度，调节液压泵的流量，主动液压缸在液压泵的驱动下拉动被动液压缸，从而收起钢索；当测深船相对于稳定装置进行向下加速时，操作方法与向上加速方法相反。 8.根据权利要求2所述的基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，其特征在于：前述的稳定装置选定方法具体包括：在水流作用下受到水流力，为测量稳定，须控制与之连接的钢索倾斜角度θ不大于10°，采用下式计算迎水面积与重量比值设计重物，其中，S为重物迎水面的投影面积，G为重物的重量，v为重物处水流流速，θ钢索的倾斜角度，ρ为水的密度。
所属类别：	发明专利