用于测量河流、开放沟渠或地下管道或沟渠中流动的流体的流量的非侵入式方法和装置与流程

1.本发明涉及一种方法和装置，该方法和装置用于测量河流、开放沟渠或在地下管道或沟渠中流动的流体的整个断面上的表面速度，并通过计算形状和水位来计算流量，以便计算过水面积并使用连续性方程q＝v*a。
2.更特别地，本发明涉及一种非侵入式方法和具有微波天线的装置，该装置在河流或开放沟渠、或地下管道或沟渠中的流动水上方飞行。


背景技术：

3.用于测量河流中的水或开放沟渠或下水道中的流体的流速的非侵入式方法、即其中测量设备与流体之间没有接触的方法正变得越来越流行。在以非侵入方式测量流体速度的技术中，我们可以找到声学方法、光学方法、激光方法和微波方法，最后一种是最流行的。
4.用于测量河流或沟渠的流体速度的速度剖面测定法已经使用了很长时间。第一种方法包括附接到涉水杆的速度传感器，涉水杆由操作员移动通过河流或沟渠的断面。当水位和/或水速度太高而不能由操作员安全地进行剖面测定时，速度传感器可以附接到用于河流的、横跨河流或沟渠的缆索起重机系统。这些方法非常耗时且非常昂贵。当使用用于河流的缆索起重机系统时，它是只能在一个特定地点使用的固定应用，并且当河流携带沉重的漂浮碎屑时不能使用。
5.最近，adcp(声学多普勒流动剖面测定仪)已被用来测量河流或开放沟渠的流量。adpc被放置在小船或浮动装置上，该小船或浮动装置由操作员从桥上系住，或由用于河流的缆索起重机系统系住。这些方法的缺点是它们很耗时，并且当河流或沟渠携载漂浮零件和装置时以及当河流和沟渠泛滥时，不能使用它们。
6.为了克服该问题，最近已经使用了非侵入式装置，主要是由操作员携载的微波雷达装置从桥上制作表面速度剖面。此方法具有耗时的缺点，并且所具有的问题是桥墩在上游和下游双向都产生流动扰动，当桥墩汇拢了河流或沟渠所携带的漂浮碎屑时尤其如此。
7.也已经用用于河流的缆索起重机系统来携载非接触式装置，但是该方法具有的缺点是用于河流的缆索起重机系统的稳定性不足以进行准确的测量。此外，用于河流的缆索起重机系统依然是非常昂贵且不灵活的。
8.水文学家一直试图使用携载非接触式速度测量装置的无人机，但没有收集到完美的结果，因为这些速度测量装置不是专门为无人机携载而构建的。


技术实现要素：

9.本发明旨在提供了一种改善的非侵入式方法和装置，该方法和装置用于测量河流、开放沟渠或地下管道或沟渠中流动的流体的流量，当针对最后一种情况时，操作员触及测量地点是困难的、不可能的或危险的，或者仅是需要避免进入复杂的受限空间。
10.特殊的非侵入式流速装置安装在无人机上，该无人机精确地在待测量的流体表面
上方飞行，从而收集速度读数。将速度信息与形状和水位测量值相关联，以计算过水面积并通过使用连续性方程q＝v*a来计算流量。
11.优选的非侵入式速度测量装置是微波雷达装置，但是它也可以是任何其他合适的非侵入式速度测量技术。无人机使用起来很方便，但会在测量中产生信号、噪声和误差。
12.微波测量装置(诸如激光或非接触式声学装置)使用多普勒频移来测量水表面的速度。由飞行的无人机引起的振动会引起频率峰值，需要使用(一个或多个)机载振动传感器来检测这些频率峰值以将其消除。可以使用抗振动悬挂装置来减少由飞行的无人机引起的、使整体噪声水平增加并使信噪比降低的整体振动。无人机的俯仰、滚转和偏航也会影响测量，需要使用角度传感器对其进行测量以实现准确的速度测量值。gps和高度测量可以是有用的，但不是强制性的，因为无人机可以被设置为以高准确度沿精确的路线飞行。风测量装置、优选地非移动件2或3轴测量装置可以用于补偿风的影响，但是那些附加的测量仅在水的速度相对较慢时有用。
13.更特别地，本发明涉及一种用于计算流体的流量的非侵入式微波测量装置，该装置包括：
[0014]-非侵入式微波流体速度测量装置，该非侵入式微波流体速度测量装置使用贴片天线或喇叭天线，以产生以特定仰角α朝向流体表面发射的微波信号并接收来自流体表面的具有多普勒频移的反射微波信号；
[0015]-无人机，测量装置经由悬挂系统悬挂到该无人机，所述悬挂系统降低由无人机产生的振动噪声；
[0016]-至少一个振动传感器，该至少一个振动传感器识别和消除由无人机引起的下落速度读数；
[0017]-至少一个角度传感器，该至少一个角度传感器用于补偿无人机的影响流体表面速度测量值的俯仰、滚转和偏航，并确定从测量装置(03)朝向流体表面(16)的最终角度。
[0018]
根据本发明的优选实施例，该装置进一步由以下特征中的一个特征或由它们的适当组合来限定：
[0019]-非侵入式微波流体速度测量装置包括具有三个马达的3d控制系统，该3d控制系统能够自动重新定位非侵入式微波测量装置，以便补偿无人机的俯仰、滚转和偏航；
[0020]-非侵入式微波流体速度测量装置包括gps和高度计传感器；
[0021]-非侵入式微波流体速度测量装置包括接口以从无人机获取gps和高度计数据；
[0022]-相机和灯，该相机和灯用于有助于特别是在地下管道和沟渠中进行引航；
[0023]-非侵入式微波流体速度测量装置包括记录装置，该记录装置用于记录由无人机拍摄的图片或视频，并且记录流体速度测量值和/或gps和高度计数据；
[0024]-非侵入式微波流体速度测量装置包括水位或距离测量装置和/或风速和风向测量装置；
[0025]-悬挂装置包括通过道路相互连接的至少三个管，该至少三个管将速度测量装置连接到无人机，速度测量装置附接到管的第一端，并且无人机附接到管的第二端。
[0026]-至少三个管具有不同的长度，以使测量装置相对于水流体和无人机水平面具有一定角度，该角度由至少一个角度传感器测量。
[0027]-弹性绳索设置在管中并用于悬挂测量装置，该弹性绳索的上端连接到悬挂系统，
该悬挂系统附接到无人机，并且弹性绳索的下端附接到测量装置，弹性绳索的下端脱离管并比管稍长。
[0028]-弹性绳索的弹性被选择成吸收不期望的振动，测量装置的竖直移动保持不显著。
[0029]-悬挂装置包括连接到无人机的刚性上板和连接到非侵入式测量装置的刚性下板，两个板都与静音块型阻尼器连接。
[0030]
本发明还涉及一种非侵入式方法，该方法用于测量流过管道或沟渠或河流或开放沟渠的流体的速度测量值和分布，该方法使用非侵入式微波流体速度测量装置，该非侵入式微波流体速度测量装置悬挂到无人机并包括至少一个振动传感器，所述方法包括以下步骤：
[0031]-通过使用贴片天线或喇叭天线产生微波信号；
[0032]-接收来自流动流体表面的反射微波信号；
[0033]-从所产生的微波信号和具有多普勒频移的反射微波信号产生由随时间变化的幅值表示的多个离散数据；
[0034]-经由傅里叶变换将在时域中表示的数据的频谱变换到频域中以拟合第一高斯曲线；
[0035]-经由第一高斯曲线确定全局测量速度(主μ)和全局速度分布(标准差σ)；
[0036]-在产生和接收信号的步骤(a)和(b)期间测量无人机的机械振动，以确定由振动传感器测量的振动数据序列；
[0037]-从振动数据产生多个离散数据，该多个离散数据被表示为随时间变化的幅值；
[0038]-经由傅里叶变换将在时域中表示的振动数据的频谱变换到频域中以拟合第二高斯曲线；
[0039]-通过第二高斯曲线确定所测量的振动引起的速度(平均值μ)和振动引起的速度分布(标准差σ)；
[0040]-通过减去步骤(j)中获得的振动引起的测量速度和振动引起的速度分布，对步骤(e)中获得的全局测量速度和全局速度分布应用校正，以便在流体的速度测量值和速度分布的计算中消除无人机的振动。
[0041]
根据本发明的优选实施例，该方法进一步受到以下步骤中的一个步骤或其适当组合的限制：
[0042]-流体表面速度是根据所产生的微波信号和反射的微波信号多普勒频移来确定的，并且是通过考虑由至少一个角度传感器测量的数据而经对无人机的俯仰、滚转和偏航加以补偿的。
附图说明
[0043]
图01描述了完整的系统(01)，其包括无人机(02)，悬挂系统(04)，非侵入式速度测量装置(03)，以及可选配件(05)、(06)和(07)。
[0044]
图02描述了如何使用悬挂系统(04)将非侵入式速度测量装置(03)附接到无人机(02)。
[0045]
图03a详细描述了将非侵入式速度测量装置(03)附接到无人机(02)的悬挂系统(04)。
[0046]
图03b描述了将非侵入式速度测量装置(03)附接到无人机(02)的替代性悬架(04)。
[0047]
图04描述了来自附接到无人机(02)的非侵入式测量装置(03)的发射微波信号(14)和返回微波信号(15)。
[0048]
图05描述了由无人机(02)引起的振动信号(17)和来自反射微波信号的测量信号(18)。
[0049]
图06描述了无人机的俯仰、滚转和偏航。
[0050]
图07描述了俯仰对测量信号的影响。
[0051]
图08描述了偏航对测量信号的影响。
[0052]
图09描述了用于测量河流或开放沟渠的表面速度的方法。
[0053]
图10描述了恒定风速和风向对进行速度测量的位置的滚转效应。
[0054]
图11描述了变化的风速和风向对进行速度测量的位置的滚转效应。
[0055]
图12描述了用于测量河流或开放沟渠表面速度的第二种方法。
[0056]
图13描述了由装置(01)在地下管道或沟渠(22)中进行的测量。
[0057]
图14描述了获取地下管道或沟渠(22)中的表面速度的两种方法。
[0058]
图15描述了替代性方法，该方法包括使用俯仰马达(19)、滚转马达(20)和偏航马达(21)连续调整非侵入式测量装置(03)的3d移动。
具体实施方式
[0059]
本发明涉及一种非侵入式方法和装置，该方法和装置用于对操作员难以、有危险来或不可能触及的河流、开放沟渠或地下导管的表面速度进行剖面测定。装备(01)包括携载非侵入式速度测量装置的无人机(02)，该速度测量装置优选地为微波雷达装置(03)。此装置通过悬挂系统(4)悬挂到无人机，该悬挂系统极大地减少了由无人机(02)产生的任何振动。无人机由操作员从河岸或开放沟渠边或从桥上进行引航、或通过互联网或卫星控制下远程引航、或处于自动引航模式。无人机可以在离可能会引起水流扰动的桥墩足够远的地方飞行。为了测量地下导管(22)的流量，无人机可以被引航穿过检查井或其他入口来在待测量的流体表面上方飞行。
[0060]
无人机优选在流体表面上方特定的恒定距离上飞行，这样它就不会被流体所携带的漂浮碎屑击中。此距离可以是接近0.5m到几米，这取决于应用和漂浮的碎屑。
[0061]
无人机也可携载额外的距离测量装置(05)，但是通常无人机的gps和高度计的准确度就足以将无人机确切地定位在流体表面上方的位置上。gps坐标和高度可以是与非侵入式速度测量装置(03)相关联的测量装置(07)通过适当的通信链路来从无人机(02)获取的，或者可以是与非侵入式速度测量装置(03)相关联的测量装置(07)中所包括的可选gps接收器和高度计所产生的。现代无人机通常可以在一段时间上能重现地准确地在预先限定的位置飞行，而无需处理gps和高度计数据。通过适当的通信链路或任何适当的命令，装置(07)可以向无人机(02)指示对流体表面的限定点位的测量终止，并且指示无人机(02)可以飞到下一个限定的测量点。
[0062]
可选地，风速和风向装置(06)可以用于验证速度数据或在必要时校正它们。风速信息通常仅在水面速度较慢时才有意义。
[0063]
图02示出了具有速度测量装置(03)的无人机(02)，该速度测量装置使用特殊的悬挂装置(04)附接到无人机。悬挂腿部(08)的长度可以是如图02中所示的相同长度，或者可以是如图03a中所示的不同长度，其中前腿部比后腿部短，以便自动地使测量装置相对于水面和无人机水平面具有一定角度。
[0064]
图03a示出了悬挂系统的详细视图，该悬挂系统由轻质刚性且坚固的管和杆制成。通常碳纤维管和杆是优选的。可以使用三个或更多个管(08)。它们使用由道路(09)制成的机械结构牢固地附接。在管(08)内，使用弹性绳索(10)来悬挂测量装置(03)。弹性绳索在上端固定到悬挂系统，该悬挂系统附接到无人机(02)。在下端处，绳索(10)脱离管(08)并且比管稍长。测量装置会被附接到弹性绳索。绳索的弹性会被选择成使得吸收不期望的振动并且保持不显著竖直移动。
[0065]
图03b示出了替代性悬挂系统的详细视图，该悬挂系统使用附接到无人机的轻质刚性上板(11)和附接到非侵入式测量装置(03)的轻质刚性下板(12)，板(11)和(12)两者都与具有应用所需弹性和悬挂特性的静音块型阻尼器(13)相连接。
[0066]
重要的是，用于由无人机携载的测量装置具有允许进行精确测量的特定其他特征。在这些特征中，需要角度传感器和振动传感器。
[0067]
虽然有弹性悬挂系统，但无人机(02)的螺旋桨仍会引起机械振动。这些振动通常处于稳定的频率，该稳定的频率可以被测量系统解译为表示应被去除的速度测量值的多普勒频移，这将在下面更详细地解释。水速度频谱基于流动水返回的微波信号，其多普勒频移与水速度成比例。微波雷达系统可以使用喇叭天线或贴片或贴片阵列天线。
[0068]
图04示出了悬挂到无人机(02)的微波测量装置(03)向水面(16)发送微波信号(14)，所述水面反射返回信号(15)。
[0069]
在文献ep 3 011 278中描述了将速度频谱转换成流体表面速度的优选步骤。它们如下。每个反射脉冲都产生测量数据。测量序列中的这多个反射脉冲会产生多个离散数据，这些数据表示为随时间变化的幅值。经由离散傅里叶变换(dft)，并且优选地经由快速傅里叶变换(fft)，将时域中表示的数据的频谱变换到频域中。然后，在频域中表示的离散数据的频谱上拟合高斯曲线，并且高斯曲线的参数、即平均值μ和标准差σ相应地表示测量的速度和速度分布。
[0070]
在图05中，示出了具有拟合高斯曲线(18)的速度频谱，但是也示出了由螺旋桨(17)引起的振动产生的信号。多普勒频率分析不能区分由振动产生的信号和由流动流体产生的信号，这两个信号都作为速度信号被接收，并且微处理器不能决定采取哪个信号，并且将在两个信号之间跳跃。如果测量装置配备有如本发明中的一个或多个振动传感器，则可以对结果进行校正。事实上，振动传感器能够识别和消除由无人机(02)引起的下落速度读数(与螺旋桨引起的振动相关)。这种机械振动可以解译为比实际速度测量值(18)更有能量的(一个或多个)速度读数(17)，如图05中所示。该/那些传感器将只检测机械振动，并且只有点状的高斯曲线会出现在源自(一个或多个)振动传感器的分析上。采取相同的信号分析方法。每个样本都产生测量数据。测量序列中的这多个样本会产生多个离散数据，这些数据表示为随时间变化的幅值。经由离散傅里叶变换(dft)，并且优选地经由快速傅里叶变换(fft)，将时域中表示的数据的频谱变换到频域中。然后，在频域中表示的离散数据的频谱上拟合高斯曲线，并且高斯曲线的参数、即平均值μ和标准差σ表示测量的振动引起的速度
和振动引起的速度分布。具有了来自振动信号的唯一的μ和σ，就可以容易地将其从组合信号(在本发明中也称为“全局信号”)中数学地去除，从而留下唯一的流体速度信息(18)。
[0071]
无人机是无人驾驶飞行器，当在流体表面上方移动或停留时，它将具有俯仰、滚转和偏航，如图06中所示。
[0072]
如图07中所示，俯仰将改变悬挂的微波测量装置的仰角α，并且因为测量的速度需要除以该角度α的余弦，所以该角度α对水平流体速度的结果计算有直接影响。非常重要的是无人机携载的微波测量装置配备有对于这种俯仰角、在其随风速和风向而变化时足够的测量装置。滚转和偏航不太重要，因为滚转不直接影响流体速度的测量结果，而只是稍微改变了流体表面的被照射断面的位置。偏航直接影响测量的流体速度，但是偏航角通常保持小并且校正保持小。
[0073]
图08示出了偏航的影响。当微波束不平行于流体流动方向ffd箭头，而是具有角度β时，测量的速度需要除以偏航角度β的余弦。
[0074]
图09示出了需要测量的河流断面的示例。河床(17)的形状已经被测量并存储在测量装置中。水位与河床形状相结合就允许计算根据过水断面的表面的总宽度w，即从一个河岸到另一个河岸的横向距离。该总宽度w被分成n个具有相同宽度wa、wb、
……
wn的断面。针对每个断面a、b、c
……
n计算各自的面积。在图09中示出的示例中，断面a将被视为三角形，断面b、c、e和f将被视为梯形，断面d将被视为两个梯形的加和，并且断面g将被视为梯形和三角形的加和。
[0075]
装置(01)(无人机(02)和非侵入式微波测量装置(03))以微波束照射每个断面a、b、c
…
n的中心部分的方式被引导，将装置驱动到距离一个河岸的距离da、db、dc
…
dn处。
[0076]
一种替代性的方法是确定具有相同面积而不是相同宽度的断面a、b、c
…
n，并且将装置(01)引导到用微波束照射相同面积的每个断面的中心部分的位置。
[0077]
图10示出了恒定的滚转角对用微波束照射每个断面的中心部分的装置(01)位置(距离da，db，dc，
…
dn)的影响(由于恒定的风速和风向而恒定的滚转角)。
[0078]
图11示出了变化的滚转角对用微波束照射每个断面的中心部分的装置(01)位置(距离da，db，dc，
…
dn)的影响(由于变化的风速和风向而变化的滚转角)。
[0079]
每个断面n的流量可以按照连续性方程qn＝vavgn*an计算；其中，qn是断面n的流量，vavgn是断面n的平均速度，并且an是断面n的面积。
[0080]
断面n的平均速度vavgn可从断面n中的测量表面速度vmeas.n乘以断面n的校正系数，kn计算出来。
[0081]
使用断面n的宽度wn、断面n中的平均流体深度以及计算这些数据以计算校正系数kn的数学模型来确定断面n的校正系数kn。
[0082]
河流总流量是每个断面中所有单独流量的加和：q
tot
＝qa+qb+qc+
…qn
。
[0083]
图12中描述了一种替代性方法，该方法包括使装置(01)(具有非侵入式微波测量系统(03)的无人机(02))在河的洞宽w上以恒定速度从一个河岸向另一个河岸移动。以米每秒为单位的装置(01)速度除以完整测量序列所用的时间，得到以米为单位的距离d。知道河床的形状和水位，就可以计算出距离d(a，b，c，
…
n)以下的面积。
[0084]
每个断面n的流量可以按照连续性方程qn＝vavgn*an计算；其中，qn是断面n的流量，vavgn是断面n的平均速度，并且an是断面n的面积。
[0085]
断面n的平均速度vavgn可从断面n中的测量表面速度vmeas.n乘以断面n的校正系数，kn计算出来。
[0086]
使用断面n的宽度d、断面n中的平均流体深度以及计算这些数据以计算校正系数kn的数学模型来确定断面n的校正系数kn。
[0087]
河流总流量是每个断面中所有单独流量的加和：q
tot
＝qa+qb+qc+
…qn
。
[0088]
图13和图14示出了当装置(01)(无人机(02)和非侵入式微波测量装置(03))用于地下沟渠或管道(22)时的应用。根据水力条件，尤其是水位，该装置可以被引导在相等宽度d的单独断面(a、b、c、
…
n)上进行多次单独测量，或在导管中心在宽度d上进行一次测量。
[0089]
如果测量是在单独断面上进行的，则每个断面n的流量可以按照连续性方程qn＝vavgn*an计算；其中，qn是断面n的流量，vavgn是断面n的平均速度，并且an是断面n的面积。
[0090]
断面n的平均速度vavgn可从断面n中的测量表面速度vmeas.n乘以断面n的校正系数，kn计算出来。
[0091]
使用断面n的宽度d、断面n中的平均流体深度以及计算这些数据以计算校正系数kn的数学模型来确定断面n的校正系数kn。
[0092]
沟渠中的总流量是每个断面中所有单独流量的加和：q
tot
＝qa+qb+qc+
…qn
。
[0093]
如果仅在沟渠中心进行一次测量，则获得距离d上的vmeas，并乘以校正系数k，以确定vavg。
[0094]
使用沟渠的形状和尺寸、水深和由σ表示的速度分布来确定校正系数k。数学模型计算这些数据并计算校正系数k。
[0095]
q＝vavg.*a，其中q是流量，vavg.是过水区域的平均速度，a是过水区域的表面。
[0096]
在地下沟渠中，无人机(02)将配备相机和灯，以有助于进行引航。
[0097]
图15描述了避免对原始测量的表面速度进行许多校正的替代性方法，该替代性方法包括连续调整非侵入式测量装置(03)的3d移动，使用3个单独的马达，俯仰马达(19)、滚转马达(20)(20)和偏航马达(21)，以抵消无人机的俯仰、滚转和偏航的影响。