一种在线声学多普勒流量监测系统和方法与流程

1.本发明涉及河流水文信息监测技术领域，更具体地，涉及一种在线声学多普勒流量监测系统和方法。


背景技术：

2.河道流域的水情变化主要表现为水位的升降、流速的快慢、流量的增减、泥沙的多少以及河水的水温和冰情变化等，其变化规律对航道安全具有重要意义，各种水情的变化都有可能影响到航行的安全。因此，很有必要对航道流域的流速流量进行监测，以此保证实时观察流域的水情变化。现有的河道监测技术方案，通常都是先选择测量点，通过多点的监测以期反应真是河道流量情况。但是，一方面现有监测手段对拟合数学模型做了过多的简化，如未考虑弯折河道流量的真实情况，统统简化成直线河道；另一方面现有监测设备的能耗较大，尤其对于走航监测设备而言，其走航监测距离受到较大的限制。


技术实现要素：

3.本发明的首要目的在于针对上述缺陷和不足，解决现有技术中监测手段对拟合数学模型做了过多的简化，数据反应河流情况不够真实的技术问题，提供一种在线声学多普勒流量监测方法。
4.本发明的另一个目的在于，解决现有技术中走航监测设备能耗较大，走航距离较短的技术问题，提供一种在线声学多普勒流量监测系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案为：
6.本发明所述的在线声学多普勒流量监测方法，包括以下步骤：
7.1)测量河道选取：分别选择直流河道和具有弯折的河道作为流量监测点；
8.2)瞬时流量监测：测定某时段河道瞬时水位，使用多普勒流量计测定该瞬时水位对应的瞬时流量；
9.3)重复瞬时监测：重复所述步骤2瞬时流量监测，并得到该时段内的多组瞬时水位及对应的瞬时流量，得到：
10.q＝(k0 k
*
)h b，
11.其中，
12.q为流量；
13.k0为直流河道流量水位系数；
14.k
*
为弯折河道流量水位系数；
15.b为水位流量补偿常数；
16.4)实时测量监测：将相应的河流水位代入所述瞬时函数得到河流实时流量，将测得的所述实时流量乘以相应的时间，得到所述河流对应水位的累计流量。
17.优选的，所述k
*
由k
增
和k
收
的乘积组成，
18.其中，
19.k
增
为扩口河道水位流量系数；
20.k
收
为收口河道水位流量系数。
21.优选的，所述多普勒流量计测定包括：
22.向预定河道的水域中的颗粒物发射声波；
23.接收颗粒物对应反射回来的反射声波；
24.根据所述声波与反射声波得到颗粒物对应的声学多普勒频移数据；
25.根据所述声学多普勒频移数据计算得到河道水域对应的流速。
26.优选的，根据所述流速、水位及河道水域的截面积数据计算得到河道水域对应的流量。
27.优选的，所述流速的计算公式为:fd＝2f(v/c)；其中，fd为声学多普勒频移数据；f为发射波频率；v为颗粒物沿声束方向的移动速度；c为声波在水中的传播速度。
28.本发明所述的在线声学多普勒流量监测系统，
29.包括走航监测主体、及无线数据单元，
30.所述走航监测主体包括由下至上依次连接的悬浮单元、及监测单元，
31.所述监测单元包括沿河流流动方向设置监测通孔的监测室、及设于监测室内的多普勒流量计，
32.所述悬浮单元包括沿河流流动方向设置悬浮通孔的动力室、及设于动力室下方的悬浮室，
33.所述动力室内设有自发动力装置，
34.所述无线数据单元包括依次电性连接的处理元件、定位发射元件、信号接收元件、及数据存储元件，
35.所述多普勒流量计分别与处理元件、及信号接收元件电性连接，
36.所述自发动力装置与处理元件电性连接。
37.优选的，所述自发动力装置包括可跟随水流转动的跟随桨叶、与跟随桨叶连接的动能转化存储结构、及与动能转化存储结构电性连接的电池组。
38.优选的，所述处理单元、及定位发射元件集成设置在检测壳体内，所述检测壳体设于走航监测主体内部。
39.优选的，所述监测通孔、及悬浮通孔上均设有过滤网。
40.优选的，所述数据存储元件包括非易失性和/或易失性存储器；非易失性存储器包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存；易失性存储器包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。
41.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
42.本发明所述的监测方法通过分别建立直流河道和具有弯折的河道的水位与流量的关系，可以接近真实地反应河道实际流量。相比于现有技术粗略的数学模型，计算更为准确、真实。具体地，本发明的构思是通过将弯折河道简化成开口段和收口段，通过开口段和收口段的水位流量系数k
*
作为现有监测模型的校正系数，可通过较少的测量点反应较长河道的真实流量。
43.本发明所述的监测系统通过悬浮单元使走航主体上浮，监测单元可监测河道流速，悬浮通孔和监测通孔有过滤大体积杂物的效果，自发动力装置可利用水流动能补偿部
分装置所需电能。通过这样的结构，可以实现功耗低、走航监测、减少人工参与的目的。
44.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
45.图1为本发明优选实施方式中走航监测主体结构示意图。
46.图2为本发明优选实施方式中监测电路结构示意图。
47.附图标记说明：
48.10走航监测主体、
49.20悬浮单元、21悬浮通孔、22动力室、221自发动力装置、2211跟随桨叶、2212动能转化存储结构、2213电池组、23悬浮室、
50.30监测单元、31监测通孔、32监测室、33多普勒流量计、
51.40检测壳体、
52.50过滤网。
具体实施方式
53.下面通过具体实施方式对本发明做进一步的解释及说明，应当理解下面的实施方式的目的是为了使本发明的技术方案更加清楚、易于理解，并不限制权利要求的保护范围。
54.本发明所述的在线声学多普勒流量监测方法，包括以下步骤：
55.1)测量河道选取：分别选择直流河道和具有弯折的河道作为流量监测点；
56.2)瞬时流量监测：测定某时段河道瞬时水位，使用多普勒流量计测定该瞬时水位对应的瞬时流量；
57.3)重复瞬时监测：重复所述步骤2瞬时流量监测，并得到该时段内的多组瞬时水位及对应的瞬时流量，得到：
58.q＝(k0 k
*
)h b，
59.其中，
60.q为流量；
61.k0为直流河道流量水位系数；
62.k
*
为弯折河道流量水位系数；
63.b为水位流量补偿常数；
64.4)实时测量监测：将相应的河流水位代入所述瞬时函数得到河流实时流量，将测得的所述实时流量乘以相应的时间，得到所述河流对应水位的累计流量。
65.在优选的实施方式中，所述k
*
由k
增
和k
收
的乘积组成，
66.其中，
67.k
增
为扩口河道水位流量系数；
68.k
收
为收口河道水位流量系数。
69.在优选的实施方式中，所述多普勒流量计测定包括：
70.向预定河道的水域中的颗粒物发射声波；
71.接收颗粒物对应反射回来的反射声波；
72.根据所述声波与反射声波得到颗粒物对应的声学多普勒频移数据；
73.根据所述声学多普勒频移数据计算得到河道水域对应的流速。
74.在优选的实施方式中，根据所述流速、水位及河道水域的截面积数据计算得到河道水域对应的流量。
75.在优选的实施方式中，所述流速的计算公式为:fd＝2f(v/c)；其中，fd为声学多普勒频移数据；f为发射波频率；v为颗粒物沿声束方向的移动速度；c为声波在水中的传播速度。
76.如图1～2所示，本发明所述的在线声学多普勒流量监测系统，
77.包括走航监测主体10、及无线数据单元，所述走航监测主体10包括由下至上依次连接的悬浮单元20、及监测单元30，所述监测单元30包括沿河流流动方向设置监测通孔31的监测室32、及设于监测室32内的多普勒流量计33，所述悬浮单元20包括沿河流流动方向设置悬浮通孔21的动力室22、及设于动力室22下方的悬浮室23，所述动力室22内设有自发动力装置221，所述无线数据单元包括依次电性连接的处理元件、定位发射元件、信号接收元件、及数据存储元件，所述多普勒流量计33分别与处理元件、及信号接收元件电性连接，所述自发动力装置221与处理元件电性连接。
78.在优选的实施方式中，所述自发动力装置221包括可跟随水流转动的跟随桨叶2211、与跟随桨叶2211连接的动能转化存储结构2212、及与动能转化存储结构2212电性连接的电池组2213。
79.在优选的实施方式中，所述处理单元、及定位发射元件集成设置在检测壳体40内，所述检测壳体40设于走航监测主体10内部。
80.在优选的实施方式中，所述监测通孔31、及悬浮通孔21上均设有过滤网50。
81.在优选的实施方式中，所述数据存储元件包括非易失性和/或易失性存储器；非易失性存储器包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存；易失性存储器包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。
82.作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
83.本发明的工作方式如下：
84.本发明所述的监测方法通过分别建立直流河道和具有弯折的河道的水位与流量的关系，可以接近真实地反应河道实际流量。相比于现有技术粗略的数学模型，计算更为准确、真实。具体地，本发明的构思是通过将弯折河道简化成开口段和收口段，通过开口段和收口段的水位流量系数k
*
作为现有监测模型的校正系数，可通过较少的测量点反应较长河道的真实流量。
85.本发明所述的监测系统通过悬浮单元使走航主体上浮，监测单元可监测河道流速，悬浮通孔和监测通孔有过滤大体积杂物的效果，自发动力装置可利用水流动能补偿部分装置所需电能。通过这样的结构，可以实现功耗低、走航监测、减少人工参与的目的。
86.本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于
本发明权利要求限定的范围之内。