专利名称：一种模型试验中浅水地形的非接触式测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及ー种模型试验中測量浅水地形系统及测量方法，具体涉及ー种模型试验中浅水地形的非接触式測量系统及测量方法，属于河流海岸泥沙工程技术领域。
背景技术：
由于水流运动机理的复杂性及天然河道边界的复杂多变，许多问题很难得出数学解析解，有些问题的解决甚至无一定的规律可循，模型试验一直是开展河流海岸研究的重要研究方法。在模型试验中，地形測量对于研究水流结构和泥沙运动规律具有重要影响，要在研究过程中不断取得新发现和新成果，先进的三维地形測量技术显得至关重要。 模型试验是基于相似理论，对河流进行实体模拟，并据此掲示河流运动的内在规律，为理论研究和工程设计提供科学依据的ー种研究方法。物理模型是根据实际地形资料，根据相似理论按照一定的比尺缩小而成的，模型试验中水深通常较浅(十几公分左右)，此夕卜，测量时要求对地形的扰动小。目前模型试验中的地形測量技术大致可分为接触式測量和非接触式測量两类，接触式地形仪主要包括测针、光电反射式地形仪、电阻式地形仪、跟踪式地形仪等。由于测量时探头需要接触床面，测量效率和精度较低，而且对水流和地形都有一定的干扰，接触式地形仪逐渐被非接触式地形仪取代。非接触式地形仪主要有超声波地形仪，但当測量水下地形时超声波探头需要置于水下，并且有一定的測量盲区，当水深较浅时无法测量。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供ー种模型试验中浅水地形的非接触式測量系统及测量方法。技术方案为实现上述目的，本发明的ー种模型试验中浅水地形的非接触式測量系统，包括激光测距探头、超声波测距探头、測量小车、测距仪、传动电机、钢丝轮、导轨、测桥、模型水面、模型水下地形和测量控制及数据处理装置，所述激光测距探头和超声波测距探头并排且相互平行固定在測量小车上，激光测距探头和超声波测距探头均垂直固定于模型水面上方；所述导轨和测桥均位于水平面方向上，测桥的方向与导轨的方向相互垂直，所述传动电机结合钢丝轮驱动测量小车在测桥上移动，所述测桥在导轨上自由移动，测距仪对测量小车进行定位；测量控制及数据处理装置控制测量小车(3)扫描水下地形并进行数据处理及显示。作为优选，所述激光测距探头与超声波测距探头，采用高精度测距传感器，并保证垂直于水面放置，以消除水下激光折射的影响。本发明还公开了ー种基于上述測量系统的测量方法，包括以下步骤
开启测量控制及数据处理装置，测量控制及数据处理装置控制测量小车扫描測量区域測量小车在测桥上移动，测桥在导轨上自由移动，测距仪对测量小车进行定位，设定沿测桥)的方向为X轴，沿导轨)方向为y轴，垂直于水平面的方向为z轴，获取測量小车的X轴坐标和I轴坐标；
激光测距探头发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形，超声波测距探头测量从探头至模型水面的距离，測量控制及数据处理装置结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光测距探头至水下地形的距离，获取Z轴坐标；
测量控制及数据处理装置采集三维测量数据进行分析处理，实时測量并显示浅水地形的图像。有益效果本发明的ー种模型试验中浅水地形的非接触式測量系统，结构简单，易于搭建，有利于推广使用；由于模型试验中水深较浅，激光测距探头发射激光可穿透空气、水两种介质到达水下地形，超声波测距探头测量从探头至模型水面的距离，结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光探头至水下地形的距离，測量控制及数据处理装置控制測量小车在测桥上移动，测桥在导轨上自由移动，并通过测距仪进行定位，采集三维测量数 据进行分析处理，实现通过非接触式的方法扫描测量模型试验中浅水地形，这种方法可以通过非接触式的測量方法快速精确测量模型试验中的浅水地形。
图I为本发明的模型试验中浅水地形的非接触式測量系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进ー步的说明。如图I所示，本发明的ー种水流中流迹线的动态显示系统，包括激光测距探头I、超声波测距探头2、測量小车3、测距仪4、传动电机5、钢丝轮6、导轨7、测桥8、模型水面9、模型水下地形10和测量控制及数据处理装置11，激光测距探头I和超声波测距探头2并排且平行固定在測量小车3上，激光测距探头I和超声波测距探头2均垂直固定于模型水面9上方；导轨7和测桥8均位于水平面方向上，测桥8的方向与导轨7的方向相互垂直，传动电机5结合钢丝轮6驱动测量小车3在测桥8上移动，测桥8在导轨7上自由移动，测距仪4对测量小车3进行定位；测量控制及数据处理装置11控制测量小车3扫描水下地形10并进行数据处理及显示。本实施例中，测量控制及数据处理装置11包括测量控制模块、数据处理模块和三维显示模块，具体包括数据线、电源线、PLC控制器、电脑、測量控制及数据处理软件。物理模型是根据天然河流按照一定比尺缩小而成的实体模型，是在河流海岸中航道整治、河流治理等关键问题中，用以模拟河道水流泥沙运动及河床演变情况的ー种重要研究手段，而采用非接触的測量方法，測量模型水面9下的水下地形10至关重要。本实施例中采用高精度激光测距探头I与超声波测距探头2，其中激光测距探头I精度< 0. Imm,超声波测距探头2精度< 0. 5mm。一种基于上述測量系统的测量方法，包括以下步骤
a)将激光测距探头、超声波测距探头、测距仪、传动电机等与PLC控制器、电脑等正确相连；
b)开启测量控制及数据处理装置11，测量控制及数据处理装置11控制测量小车3扫描測量区域測量小车3在测桥8上移动，测桥8在导轨7上自由移动，测距仪4对测量小车3进行定位，设定沿测桥8的方向为X轴，沿导轨7方向为y轴，垂直于水平面的方向为z轴，获取测量小车3的X轴坐标和y轴坐标；
激光测距探头I发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形10，超声波测距探头2测量从探头至模型水面9的距离，測量控制及数据处理装置11结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光测距探头I至水下地形10的距离，获取z轴坐标；
c)测量控制及数据处理装置11采集三维测量数据进行分析处理，实现通过非接触式的方法扫描测量模型试验中浅水地形，主要包括以下步骤
1)同步采集激光测距探头I的測量数据H1和超声波测距探头2的測量数据Hu，Hu为探头离模型水面9的距离；
2)计算激光探头I至水下地形10的实际距离H=HU+ (H1 一 Hu) / n，n为激光在水中 的折射率；
3)结合水平方向的定位数据，输出姆个扫描点的三维坐标(X，y,z),并结合计算机三维显示技术DirectX,显示三维浅水地形10的图像。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种模型试验中浅水地形的非接触式测量系统，其特征在于包括激光测距探头(I)、超声波测距探头(2)、测量小车(3)、测距仪(4)、传动电机(5)、钢丝轮(6)、导轨(7)、测桥(8)、模型水面(9)、模型水下地形(10)和测量控制及数据处理装置(11 )，所述激光测距探头(I)和超声波测距探头(2)并排且相互平行固定在测量小车(3)上，激光测距探头(I)和超声波测距探头(2)均垂直固定于模型水面(9)上方；所述导轨(7)和测桥(8)均位于水平面方向上，测桥(8)的方向与导轨(7)的方向相互垂直，所述传动电机(5)结合钢丝轮(6)驱动测量小车(3)在测桥(8)上移动，所述测桥(8)在导轨(7)上自由移动，测距仪(4)对测量小车(3)进行定位；测量控制及数据处理装置(11)控制测量小车(3)扫描水下地形(10)并进行数据处理及显示。
2.—种权利要求I所述的测量系统的测量方法，其特征在于包括以下步骤 开启测量控制及数据处理装置(11)，测量控制及数据处理装置(11)控制测量小车(3 )扫描测量区域测量小车(3)在测桥(8)上移动，测桥(8)在导轨(7)上自由移动，测距仪(4)对测量小车(3)进行定位，设定沿测桥(8)的方向为X轴，沿导轨(7)方向为y轴，垂直于水平面的方向为z轴，获取测量小车(3)的X轴坐标和y轴坐标； 激光测距探头(I)发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形(10)，超声波测距探头(2 )测量从探头至模型水面(9 )的距离，测量控制及数据处理装置(11)结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光测距探头(I)至水下地形(10)的距离，获取z轴坐标； 测量控制及数据处理装置(11)采集三维测量数据进行分析处理，实时测量并显示浅水地形(10)的图像。
全文摘要
本发明公开了一种模型试验中浅水地形的非接触式测量系统及测量方法，该系统包括地形测量探头、测量小车、测桥、导轨、定位装置和测量控制及数据处理装置；该方法包括将激光测距探头和超声波测距探头平行固定在测量小车上，探头均垂直固定于模型水面上方，由于模型试验中水深较浅，激光探头可发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形，超声波探头测量从探头至模型水面的距离，结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光探头至水下地形的距离，然后通过测量小车结合测桥和导轨，测量模型试验中浅水三维地形。本发明的系统结构简单，易于搭建，有利于推广使用；本发明的方法可以通过非接触式的测量方法快速精确测量模型试验中的浅水地形。
文档编号G01C7/02GK102954782SQ20121041252
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者陈诚, 朱滨峰, 周良平, 王驰, 黄海龙 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院