CN111060427A - 一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统及测量方法

技术领域

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，属于水利工程相关技术。

背景技术

推移质又称床沙载荷、底载荷、推移载荷、牵引载荷，是指在水流中沿河底滚动、移动、跳跃或以层移方式运动的泥沙颗粒，在运动过程中与床面泥沙(简称床沙)之间经常进行交换，是泥沙研究的重点问题之一；在山区河流，推移质的滚动、跳跃等移动强度往往很大，使得泥沙与河床之间的物质交换尤为频繁，这对河床床面形态的变化产生了巨大的影响，因此对推移质输沙率的研究，具有非常重要的意义，并且，在许多水利工程中，推移质是水库淤积、航道阻塞的主要因素，因此推移质的研究对于工程上来说同样具有重大意义。

推移质输沙率是用来衡量推移质运动强度的参数，它的测量对于水利工程或相关研究来说都是至关重要的，推移质输沙率的测量结果也是水利工程可行性研究报告需参考的重要依据之一；然而，河床床面泥沙和其边界的复杂性，以及波浪、水流等因素的非均匀性都造成了推移质的测量与分析极其困难。近年来，许多本技术领域研究人员提出了各种能在相对平稳条件下对推移质进行测量分析的方法，但是，对于水利工程极为重视的风浪大的恶劣天气下的推移质测定，至今没有很好的方法得到精确测量结果。

目前，国内对于推移质输沙率的测量系统和方法主要有三类，它们或多或少存在缺陷，或是测量对原地形扰动较大致使测量结果不精确，或是由于水流波浪影响，测量仪器没有良好的固定性，测量的准确度较差。例如，第一类采用取样器放置于原河床上进行取样，通过不同时刻取样的泥沙变化测量输沙率(申请号201811133449.X)，这种方法的取样器本身会对水流产生阻力而改变泥沙原有的水流和输沙条件，致使采样和测量的结果具有一定的误差。同时，取样器测量方法过于传统，缺乏自动化、实时化、数字化的要求，实施起来比较麻烦；第二类是坑埋测量装置的方法，将测量装置埋入河床事先挖好的坑中(申请号201310508489.9)，这种方法对水流的扰动较小，能获得较高的测量精度，但挖坑埋设实验装置后的河床表面难以保证与原河床表面高度一致，始终是对原河床表面有一定程度的破坏，难以保证测量的准确性；第三类方法是测量沙波的运动速度以及平均沙波高度，利用沙波相关参数求出推移质输沙率(申请号201711102626.3)，这种方法虽然克服了对原有河床的扰动，维持了原有的输沙条件，但是对于波浪较大的河流，由于波浪的影响，测量仪器的高程并不固定，而且它采用不同时刻的两段沙波运动，没有考虑到次生流对沙波形态的影响，使得测量的结果准确性难以得到保证。

发明内容

本发明提供一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统及测量方法，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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自稳式高精度泥沙推移质测量系统，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；

一种基于自稳式高精度泥沙推移质测量系统的测量方法，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，q_b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，ρ_S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；

作为本发明的进一步优选，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；

作为本发明的进一步优选，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，

为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e^{2πi(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e^2πit△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；

作为本发明的进一步优选，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；

作为本发明的进一步优选，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；

作为本发明的进一步优选，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；

作为本发明的进一步优选，

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。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的测量系统与河床无直接接触，对河流原生水流和输沙条件没有产生扰动，更切合实际的测量需要；

2、本发明采用定位系统以及垂直位移补偿装置，能够克服水流及波浪引起的测量仪器定位不准确的问题，实现推移质输沙率的高精度测量；

3、本发明实时化、连续化以及高自动化的测量方法，能够对推移质的形态以及单宽输沙率精准测量和分析；

4、本发明采用旋杯式流速仪，测量沙波形态同时可对水流流速进行实时监测，并作出测量断面沿水深的流速分布图。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的测量系统框架示意图；

图3是本发明的优选实施例的垂直位移补偿装置结构示意图；

图4是本发明的优选实施例的稳定装置受力示意图；

图5是本发明的优选实施例的测深船下锚定位示意图；

图6是本发明的优选实施例的测量方法主要流程示意图。

图中：1为测深船，2为垂直位移补偿装置，3为稳定装置，4为加速度传感器，5为超声波水深仪，6为旋杯式流速仪，7为PC机(主控芯片)，8为定位装置，9为通信装置，10为钢索，11为电缆，12为河水面，13为河床表面，14为水流方向，15为绞车，16为主动液压缸，17为被动液压缸，18为液压泵，19为尾锚，20为左边锚，21为右边锚，22为船前测量点，23为船尾测量点，24为水流流线，25为河流左岸，26为河流右岸。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

针对现有技术中，常用的三种对推移质输沙率的测量方式存在的一些缺陷，如测量对原地形扰动较大致使测量结果的不准确，亦或是如受水流波浪影响，测量仪器不具备良好的固定性导致的测量精确度降低，基于上述的缺陷，本申请提供一种自稳式的泥沙推移质测量系统以及测量方法，不受河床原输沙以及水流条件干扰，可以对河床的单宽推移质输沙率做出准确的测量以及分析，同时本申请提供的测量系统还可以对水流流速进行实时监测。

实施例1：

图2所示，是本申请的优选实施例1涉及到的主要结构，包括测量系统以及主控芯片，图1所示，主控芯片置于控制端的PC机7上，PC机7安装在测深船1上，在测深船1上还设置定位装置8以及通信装置9；

其中，测量系统包括旋杯式流速仪6、超声波水深仪5、加速度传感器4、稳定装置3以及垂直位移补偿装置2，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，旋杯式流速仪6、超声波水深仪5以及加速度传感器4安装在稳定装置3上，稳定装置3通过钢索10与垂直位移补偿装置2连接，垂直位移补偿装置2通过钢索10与测深船1上绞车15连接，旋杯式流速仪6、超声波水深仪5、加速度传感器4及垂直位移补偿装置2通过电缆11与主控芯片连接；

优选实施例1中涉及到的垂直位移补偿装置2包括安装在测深船1上的绞车15、主动液压缸16、被动液压缸17以及液压泵18，主动液压缸16与被动液压缸17之间通过平衡结构连接，钢索10穿过平衡结构，钢索10的一端与绞车15连接，钢索10的另一端与稳定装置3连接，上述结构只要满足：测深船1相对稳定装置3发生加速时，钢索10上产生牵引力，被动液压缸17的液压轴上产生第一拉伸力，主动液压缸16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即可，图3所示，为提供的一种垂直位移补偿装置2优选方式，主动液压缸16受液压泵18控制，主动液压缸16的液压轴通过模块与被动液压缸17的液压轴连接，也就是说，主动液压缸16的液压轴与被动液压缸17的液压轴之间是产生联动关系的，主动液压缸16的收缩可带动被动液压缸17的收缩，模块上安装主滑动轮，钢索10连接在主滑动轮上，同时钢索10的一端通过从动轮与绞车15连接，钢索10的另一端同样的通过从动轮与稳定装置3连接；

当实际运作时，定义牵引力为F，第一拉伸力为F₁，第二拉伸力为F₂，F+F₁+F₂＝0N即可。

需要说明的是，本申请中使用到的通信装置9采用eNodeb技术，可使测深船1与外界进行实时通信及数据传输；

在测量系统位于水下的部分采用防锈处理，连接钢索10采用不锈钢材质，电缆11采用水下防水电缆11；

超声波水深仪5采用单波束测深仪。

实施例2：

采用实施例1进行的测量方法，如图6所示，主要是包括以下几个主要步骤，确定测量河段、选定测量断面、规划测深船1位置、测深船1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，具体的步骤如下：

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1的位置。

第三步：图5所示，测深船1利用定位装置8行驶至选定的河段内，同时保证测深船1的船头方向与水流方向14一致，将测深船1上的尾锚19、左边锚20以及右边锚21嵌入河段内，固定测深船1的位置，使得测深船1与河流左岸25、河流右岸26之间保持一定距离；

本步骤中，测深船1的定位装置8包括三缆定位以及GPS系统定位，三缆定位的基本原理是通过选择的三个固定点到测深船1的距离确定测深船1的水平位置，并将其通过锚缆精确定位下来。

第四步：在河段内选定一段纵向固定距离，将超声波水深仪5放置在固定距离的两端点位置处，当超声波水深仪5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5，待超声波水深仪5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4对超声波水深仪5获取的实时数据进行跟踪，同时通过垂直位移补偿装置2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5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5发出指令进行数据的连续采集；

其中判定垂直位移补偿装置2的步骤包括：

41加速度传感器4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5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4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4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，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装置2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；

垂直位移补偿装置2的具体补偿步骤包括：

当测深船1相对于稳定装置3进行向上加速时，垂直位移补偿装置2的钢索10受到的张拉力增大，压迫被动液压缸17向主动液压缸16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16需要伸缩的长度，调节液压泵18的流量，主动液压缸16在液压泵18的驱动下拉动被动液压缸17，从而收起钢索10；

当测深船1相对于稳定装置3进行向下加速时，操作方法与向上加速方法相反。第五步：将超声波水深仪5测量得到的数据通过水下电缆11传送至测深船1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；

其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5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；

在第53步中，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，

为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e^{2πi(t△T+y△y)}；

考虑两测量点位距离约一倍船长，假设河床的平均基准面几乎不发生变化，即y变量可不考虑，故式(7)可简化为：

R₁₂(t)＝F(t)*δ(t-△T)＝F(t-△T) (8)

其中，δ(t-△T)代表e^2πit△T，其余不变；

由于函数F(t)的峰值在原点处，所以函数R(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；

以上原理可通过matlab互相关工具箱实现；

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，q_b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(由图1可知，测深船1的船长是固定的，船前测量点22、船尾测量点23两测量点之间的距离L固定)，ΔT为沙波移动时间，ρ_S为河段内河床底泥沙密度；

第七步：通过旋杯式流速仪6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。

其中，根据旋杯式流速仪6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6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14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)中，求得u_*后，式(11)中u为因变量，y为自变量，可作出函数曲线，即流速沿测点处水深分布图。

在测量系统中，使用到的稳定装置3为一个具有特定迎水面积与重量比的重物，在水流作用下受到水流力，为测量稳定，图4所示，须控制与之连接的钢索10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10的倾斜角度，ρ为水的密度。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

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，q_b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，ρ_S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e^{2πi(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e^2πit△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。

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