[发明专利]基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：包括水上测深装置以及岸基控制装置，所述水上测深装置包括测深器船体，测深器船体通过支撑杆安装在防撞浮圈的上方，防撞浮圈的底部安装有推进器，推进器安装在防撞浮圈的前后左右四个方向以便于控制测深器船体的航向，在测深器船体的上方安装有用于与岸基控制装置通信的数据传输天线、用于对测深器船体航行线路四周环境进行拍摄的全景摄像头、用于测深器船体定位的GPS定位装置，在测深器船体的下方安装有用于进行水深探测的测深仪，在测深器船体内安装有用于驱动推进器的电机装置以及用于控制数据传输天线、全景摄像头、GPS定位装置、测深仪和电机装置的控制芯片，在测深器船体内还安装有电源装置用于给水上测深装置供电；所述岸基控制装置包括笔记本电脑，笔记本电脑包括与数据传输天线进行通讯连接的无线通讯单元、用于对水上测深装置进行控制的控制单元、用于对水上测深装置采集数据进行分析计算的地形数据分析单元和用于存储实地踏勘和遥感影像的地形资料数据库。

2.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述测深器船体为椭球状中空船体，在测深器船体内还安装有用于存储全景摄像头拍摄的图像信息以及测深仪测量的水深数据的存储器。

3.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述测深仪为单波束测深仪。

4.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述控制芯片为德州仪器的MSP430单片机。

5.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述测深器船体材料采用高强度玻璃钢材质。

6.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述推进器的底部与防撞浮圈的底部平齐。

7.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述电源装置为充电锂电池或者太阳能电池。

8.一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1.结合实地踏勘和遥感影像设计测量断面，设定水上测深装置测量航线；

S2.水上测深装置对预设河段进行两个不同时段的纵向水下地形连续测量；

S3.水下地形数据通过无线传输至岸基控制装置，岸基控制装置的地形数据分析单元得到沙波移动速度和平均沙波高度；

S4.将沙波移动速度和平均沙波高度代入下式，得到单宽推移质输沙率，

式中，q_b为单宽推移质输沙率，λ_p为床沙孔隙率，λ_p数值为0.3～0.4，U_b为沙波移动速度，Λ为沙波高度。

9.根据权利要求8所述的一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体分析过程如下，

S10.对两个时段的河床纵剖面地形进行光滑处理；

S11.基于互相关法得到两个时间段内沙波移动距离；

S12.通过沙波移动距离除以时间得到沙波移动速度；

S13.通过分析沙波形态得到河床平均基面；

S14.将各沙波高度与河床平均基面差值绝对值的平均值作为平均沙波高度。

10.根据权利要求9所述的一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，其特征在于所述步骤S11互相关法计算沙波移动距离基本原理如下，

设观测到的河床纵剖面地形数据为s(n)，两个时段的地形函数为

x₁(n)＝s(n)+v₁(n) (2)

x₂(n)＝s(n-D)+v₂(n) (3)

其中v₁(n)和v₂(n)为脉动值，D为沙波运动的滞后距离，计算x₁(n)和x₂(n)的相关函数：

式中，R_ss(·)为地形s的自相关函数，R_sv(·)为s和v的互相关函数，假定地形与脉动值两者互不相关，则有

式(4)变成

R₁₂(Γ)＝R_ss(Γ-D) (8)

由自相关函数的性质有

|R_ss(Γ-D)|≤R_ss(0) (9)

可知，当Γ-D＝0时，R_ss(·)达到最大值；因此，选择R_ss(Γ-D)取得最大值时的Γ值：

作为沙波移动距离的估值，式(10)中arg[·]表示取函数的自变量，max[·]表示求函数的最大值。