水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法与流程

本发明涉及一种监测一体化装置、监测系统及监测方法，尤其是一种水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法，属于水文监测技术领域。

背景技术：

在水文监测中，流量监测是其中的核心内容，也是监测难度最大的一项，传统的监测手段一般需要依靠测量人员下水完成，流量测量工作量大，耗时长，测量效率低下，测量精度与测量人员的经验技术有很大关系，对于洪水时期的流量测量就更难实现了。

随着水利信息化技术的进步，非接触式的测量技术凭借安全高效的测量方式、准确的测量结果等优势得到了长足的发展，雷达式的水位和流速测量装置在国内得到了推广应用，尤其是近年新建的站点。但是，国内基于非接触式的雷达流量测量设备的研究较少，尚未形成成熟的产品。

一方面，雷达流速测量设备测量的是水体表面流速，风速可能影响表面流速，尤其是靠近入海口等沿海河道，从而影响雷达流速测量结果，因此有必要修正流速测量结果。

另一方面，要想推算河道的流量数据，除要获取水位和流速这些水文数据外，还要结合控制断面的高程、糙率、坡降等相关参数，利用该河道河段的水文模型等基础数据，这样才能得到准确的流量大小。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种水位流速流量监测一体化装置，该监测一体化装置结构简单、使用方便，可以实时监测河道/渠道的水位和流速，并且可以根据输入的控制断面相关参数计算出当前时刻的河道/渠道控制断面流量大小，从而实现实时的流量监测。

本发明的第二个目的在于提供一种水位流速流量监测系统，该系统可以遥测功能，方便实现远程流量监测，大大提高了流量测量的效率，提高了测量人员的安全性。

本发明的第三个目的在于提供一种水位流速流量监测方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种水位流速流量监测一体化装置，所述监测一体化装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；

所述雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；

所述雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；

所述风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正表面流速；

所述流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数。

进一步的，所述雷达水位测量模块采用k波段的雷达收发器，调制方式为线性调频连续波调制方式；

所述雷达流速测量模块采用k波段的雷达收发器，调制方式为连续波调制模式；

所述风速测量模块采用风速风向测量仪；

所述流量计算模块采用单片机。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种水位流速流量监测系统，所述系统包括远程上位机以及上述的水位流速流量监测一体化装置，所述远程上位机与流量计算模块进行无线通信连接。

进一步的，所述远程上位机与一体化装置采用数据传输单元进行无线通信连接，所述数据传输单元上具有通信天线，所述通信天线与远程上位机进行无线通信连接。

进一步的，所述水位流速流量监测一体化装置为一台或多台，所述水位流速流量监测一体化装置为一台时，固定安装在立杆支架上；所述水位流速流量监测一体化装置为多台时，组成阵列固定安装在桥梁下方。

进一步的，所述水位流速流量监测一体化装置可便携式地固定在桥梁的栏杆上。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种水位流速流量监测方法，所述方法包括：

获取河道/渠道的水位数据；

获取风速数据及风向；

获取河道/渠道的表面流速数据，并根据风速风向校正流速，根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若该分量与流向相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正；

根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数；

将计算得到的控制断面流量数据发送到远程上位机。

进一步的，所述获取河道/渠道的水位数据，具体为：通过测得雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离，再用雷达平面的固定高程减去该距离，即得到河道/渠道水位的高程；

所述雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离测量过程如下：

雷达波的发射频率随着时间线性递增或递减，当发射的雷达波遇到河道/渠道水面后反射，并经过时间τ后被雷达接收，河道/渠道水面与雷达发射平面之间的距离r满足：

其中，c为光速；

根据三角形相似原理，有：

其中，t为调制周期，δf为调制带宽，f0为发射波与回波之间的频率差；

由式(1)和式(2)，得：

进一步的，获取河道/渠道的表面流速数据，并根据风速风向校正流速，根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若该分量与流向相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正，具体为：

基于多普勒频移测速原理，雷达的发射频率固定为f0，当雷达发射波打到流动的水面后，雷达波返回到雷达接收平面，在多普勒效应下，接收信号的频率会发生改变，发射信号与接收信号之间的频率差fd，即差频信号，满足以下等式：

其中，c为光速，α为水流方向与目标点-雷达连线之间的夹角，雷达安装角度调整完毕后，α保持不变，当得到fd时，求得目标流速为：

求出当前流速测量的平均表面流速，具体如下：

设vsi＝kv·fi，其中vsi为各个表面点流速，fi为对应的差频频率；

表面平均流速如下式：

其中wi为各个差频频率对应的权重；

考虑风速的影响，加入风速校正以后的表面平均流速如下式所示：

其中，vw为风速大小，kw为风速系数，θw为风向；风速系数kw的取值与风向θw有关，当风向与流向相同时，kw为正值；当风向与流向相反时，kw为负值。

进一步的，所述根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小，具体为：

假设当前控制断面的高程数据已知，将当前水位高程z减去各个控制断面高程点csi，得到控制断面各个代表点的高程差，即水深，如下：

hi＝z-csi(8)

设控制断面各个代表点的水深为hi，相邻代表点之间的横向距离为xi，那么控制断面当前的过水截面积为：

控制断面的流量q与过水面积s的关系为：

其中，为断面平均流速；

将断面平均流速v转化为表面平均流速断面平均流速与表面平均流速之间的关系满足：

其中，k为平均流速系数，k的取值与断面形状cs、河床糙率n、坡降j、水位z相关，即

k＝f(cs,n,j,z)(12)

根据断面平均流速计算模型，得到断面流量q、过水面积s和表面平均流速之间的关系为：

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的水位流速流量监测一体化装置采用非接触式的雷达水位测量模块和雷达流速测量模块分别测量河道/渠道的实时水位数据和实时表面流速数据，以及采用风速测量模块测量实时风速数据，流量计算模块通过风速数据对表面流速数据进行校正，消除风速对表面流速数据的影响，根据水位数据和校正后的流速数据，结合输入的河道/渠道控制断面高程、糙率、坡降等相关数据，计算出河道/渠道控制断面的流量大小，不仅可用于常规的河道/渠道流量监测，还可以进行高洪流量抢测等应急测量。

2、本发明的雷达水位测量模块采用k波段的雷达收发器，调制方式为线性调频连续波调制方式，调频频段可以为24.005ghz～24.245ghz，即调频宽度为240mhz，调制波为三角波，调制周期为50hz，利用傅里叶变换和chirpz变换可求得准确的差频信号，通过辨识出差频信号的频率从而求出河道/渠道的水位值，其测量原理简单，测量灵敏度高，测量可靠性优，可适应复杂的测量环境。

3、本发明的雷达流速测量模块采用k波段的雷达收发器，发射频率可以固定为24.160ghz，调制方式为连续波调制模式，发射的雷达波遇到水流平面后反射雷达波，并产生多普勒频移信号，通过辨识出差频信号的频率从而求出河道/渠道的表面流速值，其测量时间短，测量精度高。

4、本发明的流量计算模块可以采用单片机作为主控制器，其基于河道/渠道水文模型计算出河道/渠道控制断面的流量大小，专业理论性强，流量计算精度高，适用性强，移植方便。

5、本发明的水位流速流量监测一体化装置拆装方便，既可以固定安装在立杆支架上或桥梁下方进行长期的流量监测，也可以便携式地临时固定在桥梁的栏杆上进行高洪流量抢测等应急测量任务。

6、本发明的水位流速流量监测一体化装置可以与远程上位机进行无线通信连接，构成水位流速流量监测系统，可以遥测功能，方便实现远程流量监测，大大提高了流量测量的效率，非接触式的测量方式保证了测量人员的安全。

7、本发明的水位流速流量监测一体化装置与远程上位机采用数据传输单元进行通讯，数据传输单元基于无线传输方式，传输效率高，通信可靠，有效抗雨衰，传输速度较快，功耗低，特别适用于野外遥测应用场合。

附图说明

图1为本发明实施例1的水位流速流量监测一体化装置结构图。

图2为本发明实施例1的水位流速流量监测一体化装置结构框图。

图3为本发明实施例1的雷达水位测量模块的测量原理图。

图4为本发明实施例1的雷达流速测量模块的测量原理图。

图5为本发明实施例1的雷达流速测量模块获得的流速信号进行傅里叶分析后获取的频谱图。

图6为本发明实施例1的控制断面的高程曲线图。

图7为本发明实施例1的水位流速流量监测一体化装置安装在立杆支架上的示意图。

图8为本发明实施例1的水位流速流量监测一体化装置阵列安装在桥梁下方的示意图。

图9为本发明实施例2的水位流速流量监测系统结构框图。

图10为本发明实施例3的水位流速流量监测方法流程图。

其中，1-雷达水位测量模块，2-雷达流速测量模块，3-风速测量模块，4-流量计算模块，5-远程上位机，6-水位流速流量监测一体化装置，7-数据传输单元，8-无线通信天线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种水位流速流量监测一体化装置，该监测一体化装置包括雷达水位测量模块1、雷达流速测量模块2、风速测量模块3和流量计算模块4，所述雷达水位测量模块1、雷达流速测量模块2、风速测量模块3分别与流量计算模块4连接，各个模块的具体说明如下：

所述雷达水位测量模块1通过测得雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离，再用雷达平面的固定高程减去该距离，即得到河道/渠道水位的高程，其采用k波段(24ghz)的雷达收发器，为非接触式测量方式，其调制方式为线性调频连续波调制方式。

如图3所示，雷达波的发射频率随着时间线性递增或递减(发射信号如图3中实线所示)，当发射的雷达波遇到目标物体(即河道/渠道水面)后反射(回波信号如图3中虚线所示)，并经过时间τ后被雷达接收。可知目标物体与雷达发射平面之间的距离r满足：

其中，c为光速。

根据图3的中三角形相似原理，有：

其中，t为调制周期，δf为调制带宽，f0为发射波与回波之间的频率差。

由式(1)和式(2)，得：

由式(3)可知，c为常数，t、δf一旦确定后也为常数，因此距离r与差频信号f0成正比。因此求距离r便转化为求差频信号f0。

雷达水位测量模块1的调频频段为24.005ghz～24.245ghz，即调频宽度为240mhz，调制波为三角波，调制周期为50hz，利用傅里叶(fft)变换和chirpz变换可求得准确的差频信号，通过辨识出差频信号的频率从而求出河道/渠道的水位值，测量原理简单，测量灵敏度高，测量可靠性优，可适应复杂的测量环境。具体可参见申请号为201610984036.7、名称为《一种线性调频连续波雷达水位遥测装置及方法》的发明专利申请的内容。

所述雷达流速测量模块2采用k波段(24ghz)的雷达收发器，发射频率固定为24.160ghz，调制方式为连续波调制模式(cw模式)，发射的雷达波遇到水流平面后反射雷达波，并产生多普勒频移信号(差频信号)，通过辨识出差频信号的频率从而求出河道/渠道的表面流速值，其测量时间短，测量精度高。具体测量原理与方法如下：

流速的测量基于多普勒频移测速原理，如图4所示，雷达的发射频率固定为f0，当雷达发射波打到流动的水面后，雷达波返回到雷达接收平面，由于多普勒效应，接收信号的频率会发生改变，发射信号与接收信号之间的频率差fd(即差频信号)满足以下等式：

其中，c为光速，α为水流方向与目标点-雷达连线之间的夹角，雷达安装角度调整完毕后，α保持不变，当得到fd时，求得目标流速为：

上式(5)表明，角度是参与计算的物理量之一，当水流方向与雷达发射平面完全垂直时(α＝90°)，cosα为0，此时将没有多普勒频移。因此要实现测速功能，雷达平面须与水平面保持一定的角度(一般可取30°～60°)。

由于雷达发射的电磁波是一个面，因此测量的流速是一块水面的流速，不是点流速，在测量水面区域内，流速大小可能各不相同，方向也不完全一致。因此，本实施例测量的水流表面流速是一个表面平均流速的概念。

由于测量区域可能有多种速度分量，也就意味着存在着多种差频信号fd，如何利用这些差频信号来求出表面平均流速，是本实施例的一大难点，本实施例给出了一个可能在流速测量中获得的信号，该信号包含了多种差频频率，对于典型的流速信号进行傅里叶分析，获取的频谱如图5所示，图5中，横坐标是频率，纵坐标是该频率的幅值，fl是对应流速测量下限的差频频率，fh是对应流速测量上限的差频频率，fm是该频段中对应幅值最大的频率分量，以fm为中心，频谱分布近似符合高斯分布。

流速测量中的各个差频频率对应的幅值大小是不一样的，其中幅值最大的频率分量fm对应流速的主要分量。以fm为中心，给各个频率赋予权重w，频谱幅值越大，权重越大，其中fm对应的权重wm最大，确定权值后，对各个差频频率分量进行加权处理，求出本次流速测量的平均差频频率值，从而求出表面平均流速。具体如下：

设vsi＝kv·fi，其中vsi为各个表面点流速，fi为对应的差频频率。

表面平均流速如下式：

其中wi为各个差频频率对应的权重。

所述风速测量模块3采用风速风向测量仪，可获取当前时刻的风速、风向，并转化为485信号输出。

所述流量计算模块4采用单片机(mcu)作为主控制器，嵌入软件算法和河道/渠道的水文模型，可以根据风向消除风速对表面流速的影响。根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正，根据获取的水位值和校正后的流速值，结合预先输入的河道/渠道控制断面高程、糙率、坡降等相关数据，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小。

考虑风速的影响，加入风速校正以后的表面平均流速如下式所示：

其中，vw为风速大小，kw为风速系数，θw为风向；风速系数kw的取值与风向θw有关，当风向与流向相同时，kw为正值；当风向与流向相反时，kw为负值。

流量计算函数原型如下：

floatflowcal(*floatctrlsection,floatwaterlevel,floatvelocity,floatroughness,floatslope)

上述函数原型中，ctrlsection为断面高程数组名，存储着一组断面高程数据，反映了断面形状，以下记为cs；waterlevel为断面的水位高程值，以下记为z；velocity为水表面平均流速，即roughness为河床糙率，以下记为n；slope为坡降，以下记为j。

具体流程计算方法如下：

在计算流量前，应先对河道/渠道控制断面进行高程测量。设控制断面的高程曲线为如下图6所示。

假设当前控制断面的高程数据已知(断面高程数据应符合gb50179-2015《河流流量测验规范》中断面测量的要求)，将当前水位高程z减去各个控制断面高程点csi，可得控制断面各个代表点的高程差(即水深)，如下：

hi＝z-csi(8)

设控制断面各个代表点的水深为hi，相邻代表点之间的横向距离为xi，那么控制断面当前的过水截面积为：

控制断面的流量q与过水面积s的关系为：

其中，为断面平均流速。由于雷达测量的流速是表面流速，需要将断面平均流速转化为表面平均流速

断面平均流速与表面平均流速之间的关系满足：

其中，k为平均流速系数，k的取值与断面形状cs、河床糙率n、坡降j、水位z相关，即

k＝f(cs,n,j,z)(12)

通常0.6<k<1。

根据断面平均流速计算模型，可得断面流量q、过水面积s和表面平均流速之间的关系为：

本实施例的水位流速流量监测一体化装置可固定安装在立杆支架上或桥梁下方进行长期的流量监测，也可以便携式地临时固定在桥梁的栏杆上进行常规流量测验和高洪流量抢测(指洪水涨落急剧、流速大、漂浮物多、断面冲淤变化显著等困难条件下的流量抢先测量)，待测验完毕即可拆卸装置，十分适合临时性的流量测量。

一般来说，对于流态稳定、河面宽度小于10米的断面，只需要安装一台水位流速流量监测一体化装置，安装时一般要求设备对着河道中泓位置或主流分量，如图7所示。对于宽度大于10米的河道断面，可采用多台水位流速流量监测一体化装置组成阵列安装，以提高测量精度，如图8所示。

实施例2：

如图1、图2和图9所示，本实施例提供了一种水位流速流量监测系统，该系统包括远程上位机5和上述实施例1的水位流速流量监测一体化装置6，所述远程上位机5与流量计算模块4采用串口数据转ip数据方式的数据传输单元(datatransferunit，dtu)7进行无线通信连接，所述数据传输单元7上具有无线通信天线8，所述无线通信天线8与远程上位机5进行无线通信连接。

在本实施例中，数据传输单元7将流量计算模块4的串口数据转换为ip数据，采用无线传输方式将ip数据发送到给远程上位机5的数据库中，同时远程上位机5可以查看水位、流速、流量这些监测数据，实现野外遥测的功能，并且通过数据传输单元7可以远程对水位流速流量监测一体化装置6的流量计算模块4的软件进行升级。

实施例3：

如图10所示，本实施例提供了一种水位流速流量监测方法，该方法基于上述实施例2的系统实现，包括以下步骤：

s1、通过雷达水位测量模块获取河道/渠道的水位数据；

s2、通过风速测量模块获取风速数据及风向；

s3、通过雷达流速测量模块获取河道/渠道的表面流速数据；

s4、考虑了风速对表面流速的影响，加入了风速校正，调用流量计算模块，根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正；

s5、流量计算模块根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面高程、糙率、坡降等相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小；此外，通过计算各个时刻的控制断面流量大小，可以计算得到控制断面平均流量大小；

s6、利用数据传输单元将计算得到的控制断面流量数据通过无线传输方式发送到远程上位机，并保存到数据库中。

本实施例的雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和流量计算模块的具体原理同上述实施例1。

综上所述，本发明的水位流速流量监测一体化装置采用非接触式的雷达水位测量模块和雷达流速测量模块分别测量河道/渠道的实时水位数据和实时表面流速数据，以及采用风速测量模块测量实时风速数据，流量计算模块通过风速数据对表面流速数据进行校正，消除风速对表面流速数据的影响，根据水位数据和校正后的流速数据，结合输入的河道/渠道控制断面高程、糙率、坡降等相关参数，计算出河道/渠道控制断面的流量大小，不仅可用于常规的河道/渠道流量监测，还可以进行高洪流量抢测等应急测量。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。