[发明专利]基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统

说明书

本发明提供了一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统，包括：S1通过安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号；S2根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，若否则返回至步骤S1，若是则执行步骤S3；S3识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；S4根据所述的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。本方法可以实现河床高程的准确、可靠探测，并可以同时测得浮泥层表面的高程。

技术领域

本发明涉及水利量测超声波技术领域，尤其涉及一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统。

背景技术

河床是承载河流水体的几何边界，通常由基岩、卵石及泥沙组成的沉积物构成，并在水流作用下处于不断的冲刷或淤积变化状态。河床的冲淤表现为河床高程的变化，这种变化可对堤坝、桥梁、取水口、航道和港口等涉水建筑物的安全以及可靠的产生运行产生严重的影响。因此，对河床高程的准确探测是水利工程中亟待实现的重要目标。

水下超声波测距是现阶段开展河床高程测量的主要技术，这种技术的工作原理为：浸入水体且安装位置已知的超声波换能器在t时刻向河床发射一定数量的超声波脉冲，这些脉冲在河床面反射形成反射波，并在t+Δt时刻被换能器接收，根据超声波在水体中的传播速度V，可以求得河床与探头的距离H＝0.5VΔt，再根据超声波换能器的安装高程Z，可得河床高程为Z-H。可见，超声波发射与接收间隔Δt是探测河床高程的关键，从而确定反射波被换能器接收时刻成为探测河床高程的主要技术难点。

目前，确定反射波被换能器接收时刻的主要方法为阈值触发法。该方法的基本原理为：换能器在发射超声波后随即处于接收状态，当接收到的超声波反射波强度大于给定阈值时，即认为该时刻为反射波抵达时刻。图1示意了河床表面为理想固、液分界面时反射波100的强度随时间变化规律，其主要特征是存在一个较窄的反射波尖峰110，尖峰位置对应反射波真实接收时刻；此时若按阈值触发法将强度大于阈值120的时刻指定为反射波接收时刻，误差将由于反射波分布较窄而可以忽略。图2示意了平原河流及水库库区典型的河床形态，从上往下依次为含沙量逐渐增加的水体210、密实度逐渐增大的浮泥220和密实度基本不变的沉积物230。上述特征使得换能器240发射的超声波250在密实度发生变化的多个界面依次反射形成的反射波200具有分布宽且多峰的特点。此时再使用阈值触发法确定反射波接收时刻，会存在以下不足：一是阈值法确定的反射波接收时刻与反射波真实接收时刻之间差异较大，使河床高程测量精度较低；二是阈值法只能初略测得沉积物230的表面高程，无法得到工程中更为关注的浮泥层220的表面高程；三是水体中的泥沙容易引起超声波在水中往返传播时快速衰减，导致反射波强度低于阈值而无法被探测。上述不足极大制约了超声波河床高程探测技术的精度、适用性及可靠性。

发明内容

本发明提供了一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法和系统，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一方面提供了一种基于超声波反射波形的河床高程探测方法，包括：

S1通过安装于水体中的超声波换能器接收每个采样周期经模数转换后的超声波数字信号；

S2根据所述的超声波数字信号判断超声波反射波形是否可用于河床高程及浮泥层表面高程分析，若否则返回至步骤S1，若是则执行步骤S3；

S3识别河床反射波抵达超声换能器的时刻，并识别浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻；

S4根据所述的河床反射波抵达超声换能器的时刻和浮泥层表面反射波抵达超声换能器的时刻计算河床及浮泥层表面高程。

优选地，经模数转换后的超声波数字信号的横坐标为时间，纵坐标为信号强度。