基于超声波的冰下河流流速测量系统及测量方法与流程

本发明专利涉及水流速测量技术领域，特别提供了一种基于超声波的冰下河流流速测量系统及测量方法。

背景技术：

水文部门常年要对江、河、湖泊等水文信息进行实时监测，在水文信息中，水流流速是一项重要的水文情报，流速的准确测量对水文信息的准确性至关重要，流速仪是用来测量流速的仪器，目前，市面上的流速仪有多普勒流速仪、悬桨流速仪等。流速仪被广泛用于水利水文站、研究院和水务局等专业水利水文研究流速流量的单位中。

但由于我国北方气候较为寒冷，一些水域会出现结冰现象，仍然需要测量冰下水流流速，运用悬桨流速仪需要除冰，耗费大量的成本和时间，运用多普勒流速仪则需在冰上凿孔后将仪器放置在水中，但测量时间短暂，仪器容易在天气寒冷的条件下受冻损坏，影响测量流速的效率。

因此，研制一种可置于冰面上且可对冰下河流流速进行测量的一套系统，成为人们亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明专利的目的在于提供一种基于超声波的冰下河流流速测量系统及测量方法，以解决现有冰下河流流速的测量无法在冰面上完成的问题。

本发明一方面提供了一种基于超声波的冰下河流流速测量系统，包括：fpga主控和与fpga主控连接的电源供电电路、1个超声波发射装置、2个超声波接收装置、数据采集模块和上位机，其中，电源供电电路用于向fpga主控供电，超声波发射装置置于冰面上，用于向冰下发射超声波，2个超声波接收装置分别置于冰面上且沿水流方向等距离置于超声波发射装置的前后方，用于接收冰面产生的超声波表面波、穿过冰层的超声波一次反射波和穿过水流层的超声波二次反射波，数据采集模块用于对超声波接收装置接收到的超声波反射信号进行采集并上传至fpga主控，fpga主控用于将数据采集模块采集的实时信号发送至上位机，上位机用于接收fpga主控发送来的信息并根据超声波在冰下河流中顺流逆流传播时因传播速度发生变化而产生的时差计算出冰下河流的流速。

优选，所述超声波发射装置包括超声波发射电路和与超声波发射电路连接的发射换能器，所述发射换能器用于将超声波发射电路发射出的超声波能量转化为机械波能量，并作用于冰层和冰下水流，所述超声波接收装置包括接收换能器和与接收换能器连接的超声波接收电路，所述接收换能器用于将接收到的机械波能量转化为超声波能量并发送给超声波接收电路。

进一步优选，所述超声波接收装置还包括与超声波接收电路连接的接收信号处理电路，所述接收信号处理电路用于对接收到的超声波信号进行处理调理和放大。

进一步优选，所述数据采集模块包括模数转换器和与所述模数转换器连接的数据存储器。

进一步优选，所述上位机上设置有显示屏，用于实时显示数据采集模块采集的超声波的参数信息和计算结果信息。

本发明还提供了一种利用上述基于超声波的冰下河流流速测量系统进行冰下河流流速测量的方法，包括如下步骤：

(1)、将1个超声波发射装置和2个超声波接收装置按序置于冰面上；

(2)、利用超声波发射装置向冰面下发射超声波，发射超声波时，冰面会产生超声波表面波，冰与水交界面产生超声波一次反射波，水底产生超声波二次反射波；

(3)、2个超声波接收装置分别接收冰面产生的超声波表面波、超声波一次反射波和超声波二次反射波；

(4)、数据采集模块对超声波接收装置接收到的超声波反射信号进行采集并上传至fpga主控；

(5)、fpga主控将数据采集模块采集的实时信号发送至上位机，上位机接收到fpga主控发送来的信息后根据超声波在冰下河流中顺流逆流传播时因传播速度发生变化而产生的时差计算出冰下河流的流速。

优选，所述超声波发射装置包括超声波发射电路和与超声波发射电路连接的发射换能器，所述发射换能器用于将超声波发射电路发射出的超声波能量转化为机械波能量，并作用于冰层和冰下水流，所述超声波接收装置包括接收换能器和与接收换能器连接的超声波接收电路，所述接收换能器用于将接收到的机械波能量转化为超声波能量并发送给超声波接收电路。

进一步优选，所述超声波接收装置还包括与超声波接收电路连接的接收信号处理电路，所述接收信号处理电路用于对接收到的超声波信号进行处理调理和放大。

进一步优选，所述数据采集模块包括模数转换器和与所述模数转换器连接的数据存储器。

进一步优选，所述上位机上设置有显示屏，实时显示数据采集模块采集的超声波的参数信息和计算结果信息。

本发明专利提供的基于超声波的冰下河流流速测量系统，可以实现冰下河流流速的测量，具体地：将超声波发射装置置于冰面上，并向冰面下竖直发射超声波，发射超声波时，冰面会产生超声波表面波，冰与水交界面会产生超声波一次反射波，经过水底会产生超声波二次反射波，2个超声波接收装置可以分别接收到上述超声波表面波、顺水条件和逆水条件下的超声波一次反射波和二次反射波，之后，数据采集模块采集上述超声波发射信号并通过fpga主控将数据传送至上位机中，上位机即可利用上述数据并根据超声波在顺水条件和逆水条件下的传播时间不同，计算出冰下河水流速。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明：

图1为本发明专利提供的基于超声波的冰下河流流速测量系统的结构框图；

图2为本发明专利提供的基于超声波的冰下河流流速测量系统在检测过程中的布设位置图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明专利进行进一步的解释，但并不局限本发明专利。

如图1、图2所示，本发明提供了一种基于超声波的冰下河流流速测量系统，包括：fpga主控1和与fpga主控1连接的电源供电电路2、1个超声波发射装置3、2个超声波接收装置4、数据采集模块5和上位机6，其中，电源供电电路2用于向fpga主控1供电，超声波发射装置3置于冰面上，用于向冰下发射超声波，2个超声波接收装置4分别置于冰面上且沿水流方向等距离置于超声波发射装置3的前后方，用于接收冰面产生的超声波表面波、穿过冰层的超声波一次反射波和穿过水流层的超声波二次反射波，数据采集模块5用于对超声波接收装置4接收到的超声波反射信号进行采集并上传至fpga主控1，fpga主控1用于将数据采集模块5采集的实时信号发送至上位机6，上位机6用于接收fpga主控1发送来的信息并根据超声波在冰下河流中顺流逆流传播时因传播速度发生变化而产生的时差计算出冰下河流的流速。

该基于超声波的冰下河流流速测量系统，可以实现冰下河流流速的测量，具体地：将超声波发射装置置于冰面上，并向冰面下发射超声波，发射超声波时，冰面会产生超声波表面波，冰与水交界面会产生超声波一次反射波，经过水底会产生超声波二次反射波，2个超声波接收装置可以分别接收到上述超声波表面波、顺水条件和逆水条件下的超声波一次反射波和二次反射波，之后，数据采集模块采集上述超声波发射信号并通过fpga主控将数据传送至上位机中，上位机即可利用上述数据并根据超声波在顺水条件和逆水条件下的传播时间不同，计算出冰下河水流速。

其中，所述超声波发射装置3包括超声波发射电路和与超声波发射电路连接的发射换能器，所述发射换能器用于将超声波发射电路发射出的超声波能量转化为机械波能量，并作用于冰层和冰下水流，所述超声波接收装置4包括接收换能器和与接收换能器连接的超声波接收电路，所述接收换能器用于将接收到的机械波能量转化为超声波能量并发送给超声波接收电路。

作为技术方案的改进，所述超声波接收装置4还包括与超声波接收电路连接的接收信号处理电路，所述接收信号处理电路用于对接收到的超声波信号进行处理调理和放大。

作为技术方案的改进，所述数据采集模块5包括模数转换器和与所述模数转换器连接的数据存储器。

作为技术方案的改进，所述上位机6上设置有显示屏，用于实时显示数据采集模块5采集的超声波的参数信息和计算结果信息。

本发明还提供了利用上述基于超声波的冰下河流流速测量系统进行冰下河流流速测量的方法，包括如下步骤：

(1)、将1个超声波发射装置和2个超声波接收装置按序置于冰面上；

(2)、利用超声波发射装置向冰面下发射超声波，发射超声波时，冰面会产生超声波表面波，冰与水交界面产生超声波一次反射波，水底产生超声波二次反射波；

(3)、2个超声波接收装置分别接收冰面产生的超声波表面波、超声波一次反射波和超声波二次反射波；

(4)、数据采集模块对超声波接收装置接收到的超声波反射信号进行采集并上传至fpga主控；

(5)、fpga主控将数据采集模块采集的实时信号发送至上位机，上位机接收到fpga主控发送来的信息后根据超声波在冰下河流中顺流逆流传播时因传播速度发生变化而产生的时差计算出冰下河流的流速。

其中，所述超声波发射装置包括超声波发射电路和与超声波发射电路连接的发射换能器，所述发射换能器用于将超声波发射电路发射出的超声波能量转化为机械波能量，并作用于冰层和冰下水流，所述超声波接收装置包括接收换能器和与接收换能器连接的超声波接收电路，所述接收换能器用于将接收到的机械波能量转化为超声波能量并发送给超声波接收电路。

作为技术方案的改进，所述超声波接收装置还包括与超声波接收电路连接的接收信号处理电路，所述接收信号处理电路用于对接收到的超声波信号进行处理调理和放大。

作为技术方案的改进，所述数据采集模块包括模数转换器和与所述模数转换器连接的数据存储器。

作为技术方案的改进，所述上位机上设置有显示屏，实时显示数据采集模块采集的超声波的参数信息和计算结果信息。

本发明专利的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。

上面结合附图对本发明专利的实施方式做了详细说明，但是本发明专利并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明专利宗旨的前提下做出各种变化。