一种沿海水流量高频声学监测系统及其监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及沿海水流速监测技术领域，特别涉及一种沿海水流量高频声学监测系统监测方法。
【背景技术】
[0002]海水水体以及海洋中的各种组成物质，构成了对人类生存和发展有着重要意义的海洋环境。海水运动是海洋环境的核心内容，要对沿海区域的海水运动进行深入了解就要获得该区域的水流速及平均水流量数据。
[0003]目前，对沿海区域的水流速监测主要采用单点入侵式的观测，如声学多普勒流速剖面仪(ADCP)等手段，该移动式单点测量方法只能监测探头可探测范围的流速，不能准确反映出一定范围内的海域的平均流速，或该范围内海域不同区域的流速，而且这种采用间歇式走航观测的手段无法实时地对海水流速进行测量，所耗费的人力物力较多，成本高，对于一些环境复杂的河道、海湾等，其观测过程易受制于渔业及航运，实施起来极为困难。
[0004]现有技术中，还有一种采用声学测量装置对水流速进行监测的装置，其原理是通过低频声波(0.ΙΚΗζ-ΙΟΚΗζ),声波穿透水体获取该区域的平均水流速数据，其在几千米到几十千米的范围内可以达到所需精度，但对沿海海域(Ikm-1Okm)的水流速进行测量时，则分辨率不足，所测数据不能满足要求，另外，采用超声波测量水流速，其声波强度衰减严重，测量精度不足，且设备需要严格的定向安装(两台声波信号传感器需精确对准)，在沿海水流速监测的中应用受到限制。
[0005]有鉴于此，本发明人特别研制出一种沿海水流量高频声学监测系统及其监测方法，本案由此产生。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种沿海水流量高频声学监测系统及其监测方法，其采用高频声波可对小范围内的沿海海域的水流流速进行监测，获得该区域平均流量的精确数据，克服了低频声学设备在沿海区域水流速监测的不足，且安装简单，成本低。
[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
一种沿海水流量高频声学监测系统，包括至少两台高频声学流量仪，该高频声学流量仪包括:
计算机控制端，计算机控制端生成调制载波信号和控制信号并发送至测流装置，计算机控制端还接收和处理测流装置返回的调制载波信号，计算机控制端还向GPS定位模块发送控制信号；
GPS定位装置，与计算机控制端连接，GPS定位装置用于向计算机控制端发送时间信号和定位信号；
测流装置，与计算机控制端连接，测流装置用于接收计算机控制端的调制载波信号和控制信号，将调制载波信号转换为声波信号，并将该声波信号发送至本测流装置或其他测流装置；测流装置还用于接收其他测流装置的声波信号，将该声波信号转换为调制载波信号，并将该调制载波信号返回至计算机控制端。
[0008]进一步，所述测流装置包括:
数据采集卡，与计算机控制端连接，数据采集卡用于接收计算机控制端的调制载波信号和控制信号，然后将该调制载波信号转换为模拟信号，并将该模拟信号发送至发射端；数据采集卡还用于接收接收端的模拟信号，然后该模拟信号转换为调制载波信号，并将该调制载波信号返回至计算机控制端；
发射端，与数据采集卡连接，发射端接收数据采集模块的模拟信号，将该模拟信号转换为声波信号，并将该声波信号发送至本测流装置接收端或其他测流装置接收端；
接收端，与数据采集卡连接，接收端接收本测流装置或其他测流装置的声波信号，将该声波信号转换为模拟信号，并将模拟信号发送至数据采集卡。
[0009]进一步，所述接收端为高频接收换能器，发射端为高频发射换能器。
[0010]进一步，所述发射端与数据采集卡之间还接入输出功率放大电路，发射端与数据采集卡之间还依次接入输入功率放大电路和有源带通滤波器。
[0011]进一步，所述声波信号频率为20KHZ。
[0012]一种沿海水流量高频声学监测方法，包括以下步骤:
S1:在所要监测的沿海海岸设置两个监测站点，在每一个站点布设一台高频声学流量仪；
52:设定其中一台高频声学流量仪为发射站点，另一台高频声学流量仪为接收站点；
53:发射站点和接收站点的计算机控制端均向GPS定位装置发送控制信号，该控制信号激活GPS定位装置，然后GPS定位装置以一定的频率向计算机控制端发送时间信号和定位信号；
54:在发射站点的计算机控制端设定监测参数，该参数包括测站名称、系统开始监测时间、工作状态、混沌码长度和每码元载波数，然后计算机控制端向测流装置发送调制载波信号以及包含该监测参数信息的控制信号；
S5:发射站点的测流装置将调制载波信号转换为声波信号并发射该声波信号，发射计算机控制端记录发射声波信号的时间值；接收站点的测流装置接收声波信号，并将该声波信号转换为调制载波信号，最后将调制载波信号返回至计算机控制端，接收站点的计算机控制端记录接收该声波信号的时间值；
S6:设定步骤S2中的接收站点为发射站点，而发射站点为接收站点，然后重复步骤S3、S4 和 S5。
[0013]S7:计算机控制端根据其记录的两个监测站点之间相互发射和接收声波的时间值得出声波传输时间值，根据声波传输时间值得出两监测站点间的水流流速。
[0014]步骤SI与S2之间还包括以下步骤:
510:对各监测站点分别进行故障检测，首先进行声波信号的自发自收:各监测站点的计算机控制端将调制载波信号和控制信号发送至测流装置，测流装置将调制载波信号转换为声波信号并发射该声波信号，同时该测流装置接收其发射的声波信号，并将该声波信号转换为调制载波信号，最后将调制载波信号返回至计算机控制端；
511:当SlO的检测结果为正常时，两个监测站点之间进行声波信号的自发自收，即两个监测站的测流装置先后向另一个监测站点的测流装置发射声波信号。
[0015]本发明的有益效果为:本发明只需布设两台的高频声学流量仪，依次由其中一台高频声学流量仪的测流装置产生高频率的声波信号，该信号在沿海水域传输，由其他高频声学流量仪接收该声波信号，并由计算机控制端记录每个声波信号的传输时间，根据两台高频声学流量仪之间高频声波的传输时间就可得出精确的水流流速数据，进而可得出沿海水流量数据；本发明相对于传统单点入侵式观测，避免在海洋中大范围长时间的监测，安装简单，设备需求量和布设难度都更小，成本低，本发明相对于现有超声测量方法，高频的声波信号在小范围海域传播路径简单，衰减少，最终获取的数据快速、精确，无需各台高频声学流量仪精确对准。
[0016]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一台高频声学流量仪的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明测流装置的结构示意图；
图4是本发明部署在沿海区域的示意图。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示本发明揭示的一种沿海水流量高频声学监测系统，包括至少两台高频声学流量仪，该高频声学流量仪包括:
一种沿海水流量高频声学监测系统，包括至少两台高频声学流量仪，该高频声学流量仪包括:
计算机控制端，计算机控制端生成调制载波信号和控制信号并发送至测流装置，计算机控制端还接收和处理测流装置返回的调制载波信号，计算机控制端还向GPS定位模块发送控制信号；
GPS定位装置，与计算机控制端连接，GPS定位装置用于向计算机控制端发送时间信号和定位信号；
测流装置，与计算机控制端连接，测流装置用于接收计算机控制端的调制载波信号和控制信号，将调制载波信号转换为声波信号，并将该声波信号发送至本测流装置或其他测流装置；测流装置还用于接收其他测流装置的声波信号，将该声波信号转换为调制载波信号，并将该调制载波信号返回至计算机控制端。
[0019]本实施例中，测流装置包括:
数据采集卡，与计算机控制端连接，数据采集卡用于接收计算机控制端的调制载波信号和控制信号，然后将该调制载波信号转换为模拟信号，并将该模拟信号发送至发射端；数据采集卡还用于接收接收端的模拟信号，然后该模拟信号转换为调制载波信号，并将该调制载波信号返回至计算机控制端；
发射端，与数据采集卡连接，发射端接收数据采集模块的模拟信号，将该模拟信号转换为声波信号，并将该声波发送至本测流装置接收端或其他测流装置接收端；
接收端，与数据采集卡连接，接收端接收本测流装置或其他测流装置的声波信号，将该声波信号转换为模拟信号，并将模拟信号发送至数据采集卡。
[0020]接收端高频接收换能器，而发送端为高频发射换能器。
[0021]测流装置工作时:处于声波发射的工作状态下，数据采集卡接收到计算机控制端的调制载波信号和控制信号后，根据控制信号在设定的时间点将该调制载波信号转换为模拟信号，并将该模拟信号发送至发射端，发射端接收数据采集模块的模拟信号并将该模拟信号转换为声波信号，然后发射端将该声波信号发射出去；处于声波接收的工作状态下，接收端接收声波信号，然后将声波信号转换为模拟信号发送给数据采集卡，数据采集卡将模拟信号转为调制载波信号返回至计算机控制端。
[0022]发射端与数据采集卡之间还接