中小河道截面积测量方法研究_唐国辉.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation222023 年 第 03 期文章编号：2095-6835（2023）03-0022-03中小河道截面积测量方法研究唐国辉（沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：针对当前水文测量过程中，河道截面积获取相对烦琐的问题，提出了一种利用超声波水声换能器进行河道截面积测量的方法。利用超声波水声换能器穿透力强、集束性好等特点实现对中小型河流河道截面积较为精确的测量，该方法不仅能够节约大量人力、物力，同时对河道截面测量过程中可能出现的盲区问题进行合理估测，提高测量的精度。关键词：水声换能器；河道断面；测量技术；数据处理中图分类号：TV8文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.007中国是世界上河流最多的国家之一，其中流域面积为 100 km2及以上的河流 22 909 条，流域面积为1 000 km2及以上的河流 2 221 条，流域面积为10 000 km2及以上的河流 228 条1，因此河流的治理及综合利用在中国的社会发展过程中尤为重要。对河流进行治理的关键就是对河道截面积、水流速、水流量等水文信息的获取。随着社会、经济和技术的发展趋势，水文测量的自动化愈发重要，水文测量的自动化可以加速水文信息化的进程，使人们更好地利用、管理河流资源，因此实现水文测量的自动化意义重大。本文主要对水文测量过程中河道截面积的测量方法进行研究，传统的河道截面积测量方法有测量锤法、测深杆法、测深绳法等2，这些方法虽然操作容易，但在测量过程中需要投入大量人力，而且易受到各种因素影响，导致精度相对较低。因此，本文提出了一种利用云台及超声波水声换能器对河道截面积进行测量的方法，该方法能够对河道断面进行自动测量，同时对被测区域的盲区部分进行合理的估算，提高测量的精度。1水声换能器测距原理简介1.1超声波的特性超声波是一种波长极短的机械波，频率在 20 kHz以上。超声波的传播必须依靠介质，由于它的波长短，在空气中容易发生散射而导致损耗，但在水中就不会出现这种现象，所以超声波在水中传播更远，因此超声波常被用于水下测距。超声波主要特性如下：传播特性。超声波传播时方向性强、能量集中，传播路径一般近似于直线。超声波在不同介质中传播速度不同，其在固体中传播速度最快；在水中传播速度次之，约为 1 400 m/s；在空气中的传播速度最慢，约为 340 m/s。功率特性。超声波是通过物质中质子的振动向前传播的，它是一种运动形式的传播而非物质的传播。当超声波传播到某一位置时，会引起该位置质点振动，质点的振动会使其具有动能且使与其相邻的质点具有势能，这些质点的动能与势能组成了超声波的能量，进而产生了超声波传播功率3。超声波频率越高，质点振动越快，其声波功率越大。因此当超声波的传播环境相同时，超声波频率越高其功率越大。1.2水声换能器简介水声换能器一般指超声波换能器，是一种用于水下测距的能将电信号转换为超声波信号，同时也能将超声波信号转换为电信号的器件4。超声波换能器有磁致伸缩换能器、压电换能器、静电换能器及机械换能器等5。水声换能器的测距范围一般与其中心频率有关，根据 ISO 64162017 国际标准可知，频率越低的水声换能器传播距离越长，其中心频率与传播距离的关系如图 1 所示。图 1各种路径长度的常用换能器中心频率1 0001 500路径长度 L/mScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期231.3水声换能器测距原理水声换能器一般采用渡越时间法进行测距，渡越时间法就是利用超声波在水中传播速度及超声波在这段距离内传播的时间，求出超声波在介质中传播的距离的方法。渡越时间法6有系统构造简单、成本低、系统实时性强等优点。渡越时间法测距的基本原理如图 2所示。图 2渡越时间法测距原理图从图 2 中可以看出，渡越时间法是由 CPU 控制超声波发射电路、超声波接收电路以及数据的传输，从而检测换能器发射超声波和接收超声波回波的时间差t，在已知超声波在介质中的传播速度 v 的情况下，通过 s=vt/2 就可计算出距离 s。2河道截面积测量方法2.1河道截面积测量的整体流程传统的河道截面积测量通常采用人工手段，其过程不仅耗费大量人力、物力，而且遇到一些复杂的地形时，人工检测的方法就非常受限。为解决这一问题，本文设计了一种自动检测的方法，由主控单元控制云台及水声换能器完成对河道截面数据的测量，从而提升测量效率及精度。本文提出的河道截面积测量方法的具体步骤如下：系统启动后，云台初始化回到初始位置，同时启动水声换能器；主控单元监测水声换能器的回波信号，如果未检测到回波信号直接报错停止运行；主控单元如果正常检测到回波信号，则对数据开始计算并将结果上传；完成一次测量后，云台转动 1，继续重复上述步骤，直到完成全部测量。2.2设备安装方法简介一般情况下频率为 200 kHz 的水声换能器，其测量范围为 0.6120 m，能够完成中小型河流河道的测量，水声换能器及云台的安装如图 3 所示。控制云台安装固定在河床上，水声换能器安装在云台前端，架设高度要略低于水面，保证水声换能器置于水中；同时为了保证测量精度，水声换能器要在河道两岸同时架设，以保证采集到尽可能多的测量点，提高测量精度。图 3云台及水声换能器的安装示意图2.3河道截面积计算方法将水声换能器采集到的数据信息上传至主控单元进行处理，主控单元会对每次测量的数据进行计算并将其转化为坐标信息。当云台完成转动，即代表水声换能器完成所有数据测量，主控单元会将所有的信息进行整合、计算从而计算出河道截面积。水声换能器一次测量并转换成坐标信息的示意图如图 4 所示。注：A、B 为水声换能器 1、2 的横坐标；、为云台转动角度；a、b 为水声换能器所测得的从水声换能器到对面河床的距离；x 为河道宽度。图 4数据转换示意图图 4 中，当水声换能器 1 测得距对面河床距离 a时，主控单元会结合云台当前转动角度将其转化为坐标信息，转化公式为=sincosaa纵坐标横坐标。同理，当水声换能器 2 测得距对面河床距离 b 时，主控单元会结合云台当前转动角度将其转化为坐标信息，为保证与水声 换 能 器 1 在 同 一 坐 标 系，因 此 转 化 公 式 为=-=sincosbbx纵坐标横坐标。当水声换能器完成数据测量，主控单元将所有数据转化为坐标信息后，将所有坐标按照 x 坐标顺序排acos x-bcos bcos ab（x-bcos，bsin）（acos，asin）xBxA0aby科技与创新Science and Technology&Innovation242023 年 第 03 期列，结合梯形法则（Trapezoidal Rule）便可以计算出河道截面积。梯形法则是采用梯形来估计曲线下方面积，这等同将被积函数近似为直线函数，被积的部分近似为梯形，将要求积的区间分成多个小区间，将所有小区间面积计算出来后累加以获得较准确的总面积信息7。梯形法则计算公式为：+=+=+NiNiiiNiBAxfxfxfhxfxfhxxfI211121212d）（）（）（）（）（）（1）式（1）中：A、B 为 2 个水声换能器横坐标；i 为第 i个数据；N 为坐标点数；h 为步长，NABh-=。3测量盲区估测方法河道截面积测量的过程中，由于河道不可能全是连贯平整的，虽然采用双边换能器同时测量的方法，但还是有可能出现如图 5 所示的阴影部分（双侧水声换能器均检测不到的盲区），本文针对该盲区提出了一种估测方法。这种测量盲区的特点是检测过程中双侧水声换能器的测距信息均出现明显的变化，一般为测得的距离信息突然增加。当出现双侧测距信息同时增加且超出设定的正常范围时，系统即判定出现图 5 中的盲区，此时系统结合变化后的距离信息进行计算从而估计盲区部分面积。图 5测量盲区示意图根据前文可知，双侧水声换能器的坐标以及测量点 C、D 的坐标均已知，联立公式（2）和公式（3）即可求出其交点 M 的坐标（m，n），结合水声换能器到测量点的距离 l、j，将盲区部分近似为一个四边形，根据公式（4）即可算出其面积。y1=k1x1（2）y2=k2x2+b（3）（-=njnlsinsinsin（4）式（2）式（4）中：y1、y2为斜率；k1、k2为直线；b 为 y2的截距；为盲区估测面积。4结语水文信息的获取是治理河流的重点，其中河道截面积的获取尤为复杂，传统的人工测量方法需要持续较长时间，而且测量过程中出现误差的可能性较大。本文设计了一种测量中小型河流河道截面积的方法，对比传统方法，该方法不仅能节省大量人力、物力，而且能够对测量盲区部分进行合理估测，提高了测量精度。参考文献：1中华人民共和国水利部，中华人民共和国国家统计局.第一次全国水利普查公报J.中华人民共和国水利部公报，2013（2）：53-57.2李贤标.中小河道断面测量技术探讨J.珠江水运，2020（13）：48-49.3王国军.超声波测距传感器的研究D.哈尔滨：黑龙江大学，2014.4 郭伟龙.辅助声道式超声波换能器研制 D.杭州：浙江大学，2013.5 李启虎.水声学研究进展 J.声学学报，2001（4）：295-301.6CHENG LV，LUO Y，XU J，et al.Design of highprecision ultrasonic flowmeter based on tdc-gp22and time difference method G/Proceedings of the4th international conference on vehicle，mechanicaland electrical engineering（ICVMEE 2017），太原：武汉志诚时代文化发展有限公司，2017：307-315.7李京伦.基于梯形方法对数值积分的研究J.黑龙江科技信息，2017（9）：89.作者简介：唐国辉（1996），男，辽宁大连人，硕士研究生，研究方向为信息获取与处理。（编辑：丁琳）（m，n）