一种基于双频水声基站的江河声层析流量监测系统及方法与流程

本发明涉及河流流量测量数据智能分析领域，尤其涉及一种基于双频水声基站的江河声层析流量监测系统及方法。

背景技术：

1、河流流量测量在水文水利工程中是最基本的、最重要的测量工作之一。江河流域流量测量数据是水利水文调查、水利工程设计、防汛指挥决策、水资源调度的主要依据，是水生态环境保护、水利运输能力评估、河床冲刷演变分析、陆源碳输运精算等研究中不可缺少的数据基础，在水利水资源、水旱灾害防御、南水北调、水利发电等重大工程建设中起到举足轻重的作用。

2、传统的流量监测手段，往往无法对整个河流断面进行直接观测，只能监测到几个代表测点或代表测线上的流速，然后推算整个断面上的流速和流量情况。这种以局部代替整体的测量方法，往往存在较大误差，且对监测站点的水流状况要求很高，局限性比较大。

3、现有采用声层析变频技术测量大面积水文信息，是采用多个水面移动平台载着多个水听器进行布放，后续进行立体定位和测量。系统设备复杂，移动的水听器精准定位困难，而且声层析信号受不同季节的水温变化，河底沙地、水草等影响，声音沿着不同声线传播过来，衰减大、杂波多，导致延时或测量不准确。

4、现有的最接近技术，专利号cn201910238943.0，名称为自适应海洋移动声层析系统和方法，通过多个水面移动平台搭载水听器，用于水下水声换能器的精确定位，水面移动平台具有定位和授时装置，实现水面移动平台的自身定位以及使水声换能器同步发出探测声波，高频水声换能器发射高频声学信号与三个水听器配合，以实现高频换能器的精确定位，低频水声换能器发射中低频声学信号，与其他水面移动平台的低频水声换能器相互接收发射的信号，实现海洋水文信息的声层析观测。需先建立多维流场模型，确定三个水听器在世界坐标系中的位置，通过测量顺流和逆流的声信号传播时间，反演海域流场信息，达到对测量区域及其相关区域的水文信息预测的功能。该技术主要针对的是海洋尺度上的测量，而对于河流流量测量问题，由于河底环境复杂、水体受温度影响更大，该技术不适用于江河流量的测量。

技术实现思路

1、对于复杂的河流地域的流量监测，为克服现有技术问题，本发明提供一种基于双频水声基站的江河声层析流量监测系统及方法，组合高低频声波多重数据处理方式，预测波形位置，协助定位高频声波信号的水声信号目标点，防止有效水声数据丢失，可得到更准确流速监测结果，提高复杂河流环境监测的稳定性和准确性。

2、本发明一种基于双频水声基站的江河声层析流量监测方法，包括步骤：

3、(1)通过rats监测控制平台控制两个以上双频rats声基站在河流两侧产生高频和低频声波信号；

4、(2)根据解析主控信号，得到同一声基站的双频声音信号数据；

5、(3)采用gnss授时同步技术实现声基站之间的时间同步，所有声基站同时发送使用水声带宽扩频技术调制的低频声波信号，并根据所述rats监测控制平台配置的参数在特定延时后开始接收水声信号；所述低频声波信号收发完成后，所有声基站同时发送高频声波信号再接收；

6、(4)所述双频rats声基站根据配置的参数对特定时间段的数据进行匹配滤波处理，用于寻找水声信号的有效时间区间；结合低频声波定位，高频声波数据采集分析；

7、(5)对声基站发回的所有声波信号数据做质量控制，检测每条测线上的基站声波信号双向传播的时间变化，计算沿测线方向平均流速。

8、进一步，步骤(2)中，根据河流现场状况调节测量工作间隔、同步工作时间、声音信号的码位阶数运行参数，预算出接收该声音信号的采样点。

9、进一步，步骤(4)中，通过先对低频声波信号进行匹配处理，计算得到水声信号的有效时间区间预测波形位置；记录所述预测波形位置，划定接收搜索范围，协助定位高频声波信号的水声信号目标点；对高频水声信号进行采样，排除数据无效时间区间段内的非目标点，防止高频水声信号数据缺失。

10、进一步，步骤(4)中，以低频声波信号的峰值点为中心，设定前后时间阈值范围，确定有效时间区间预测波形位置；记录所述预测波形位置，在高频声波信号中寻找强度高值点，排除无效杂波信号，对高频水声信号进行采样，减小计算误差。

11、进一步，所述双频rats声基站利用数据量小的低频数据计算得到一个低精度水声信号采样定位范围，再以此定位范围去引导采集处理高频数据，得到一个高精度的水声信号结果。

12、进一步，还包括步骤：结合实时水位数据和断面地形计算断面面积，与步骤5所得的平均流速相乘，最后得到流量监测结果。

13、本发明还提供一种基于双频水声基站的江河声层析流量监测系统，由至少两个以上的双频rats声基站以及rats监测控制平台组成；所述双频rats声基站包括至少一个低频水声换能器(20khz-50khz)和至少一个高频水声换能器(100khz-500khz)、双频rats主机、太阳能供电系统；

14、所述rats监测控制平台采用gnss授时同步技术实现声基站之间的时间同步，所有声基站同时发送使用水声带宽扩频技术调制的低频声波信号，并根据配置的参数在特定延时后开始接收水声信号；所述低频声波信号收发完成后，所有声基站同时发送高频声波信号再接收；所述双频rats声基站根据配置的参数对特定时间段的数据进行匹配滤波处理，用于寻找水声信号的有效时间区间；结合低频声波定位，高频声波数据采集分析；所述rats监测控制平台对声基站发回的所有声波信号数据做质量控制，检测每条测线上的基站声波信号双向传播的时间变化，计算沿测线方向平均流速。

15、进一步，所述双频rats主机包括主控模块，gnss同步模块，双频超声波功放，双频高增益接收机，无线数据传输模块；所述主控模块用于双频换能器的运行控制；gnss同步模块用于同步授时，保证主控的时间同步；超声波功放和双频高增益接收机用于对信号收发处理。

16、所述双频rats主机根据河流现场状况调节测量工作间隔、同步工作时间、声音信号的码位阶数运行参数，预算出接收该声音信号的采样点。

17、本发明监测方法和系统带来的技术优点如下：

18、(1)本发明的监测方法不同于传统测量通过三点定位方法确定移动的高低频水声换能器位置，而是采用双频rats声基站在一个站点同时安装低频和高频换能器，突破地理和环境条件对常规流量监测手段的限制，在复杂的断面流态和工况条件下都能实现准确的流量测量。考虑低频水声信号有很强的水体穿透能力，稳定性好优点，但采样间隔大测量精度差；而高频水声信号可以实现高精度的流速测量，但信号强度较弱且在水中衰减较快，容易出现信号丢失的情况。所以本发明方法处理水声数据信号，是融合双频水声数据处理算法，先对低频声波信号进行匹配处理，计算得到水声信号的有效时间区间预测波形位置；记录所述预测波形位置，划定接收搜索范围，协助定位高频声波信号的水声信号目标点；再对高频水声信号进行采样，排除数据无效时间区间段内的非目标点，防止高频水声信号数据缺失，提高有效水声数据的采集量，这样融合高低频声波信号的优点，优化综合后的测量算法可得到比现有传统测量更加稳定、准确、快捷的流量监测数据。

19、(2)本发明方法和系统利用数据量小的低频数据计算得到一个低精度水声信号采样定位范围，再以此定位范围去引导采集处理高频数据，可得到一个高精度的水声信号结果，大大减少了数据采样计算量，提高了监测数据灵敏度。通过试验证明，对比传统的漂浮水听器的双频测量方式，本发明方法排除了无效时间区间段内数据和杂波干扰，减少了32％的数据采样计算量，快1.8倍速度得出精准测量结果，既提高了结果精度，又减少了系统的计算量，对于暴雨天河水上涨的紧急情况，提供更高效的安全监测手段，为政府决策信息发布和群众安全转移赢得时间。

20、(3)本发明系统集成度高，体积小，智能化远程控制，利用一个智能数据处理的rats监测控制平台和无线网络可管理上百台声基站，而且基站设备安放操作简单，不用更换安装位置，收发信号可靠性高。相比传统移动监测系统，需在水面移动平台放置多个水听器，受水位涨落和河流漂流物碰撞影响大，可靠性差。

21、(4)本发明系统和方法适用性更广，克服了河流沙滩和河底水草的影响，低频水声信号穿透能力强，能预先划定有效信号接收搜索范围，可精准采集高频水声信号，可以克服传统声学层析中测量节点位置难选的缺陷，抗干扰适用性更强。