[发明专利]一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统及方法

说明书

本发明提供一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统及方法，该系统包括超声含沙量测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述超声含沙量测量探头承担信号接收和发射作用，包括4个不同发射频率的单频超声探头；所述单频超声探头包括超声整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，发射晶片和接收晶片均采用压电复合材料制成；所述信号采集传输系统包括采集盒、数据传输设备和电源，采集盒分别连接超声探头和数据传输设备；数据传输设备与用户端连接。本发明可解决现有颗粒测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性，同时多频结合的方式能够涵盖的粒径范围更广，具有更好的准确性。

技术领域

本发明涉及悬浮泥沙测量技术领域，具体是一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统及方法。

背景技术

天然河流中悬浮泥沙实时测量，是为水利工程前期设计、投入运行、后期维护等方面的研究提供可行条件的重要任务之一。河流水沙运动特性复杂，对其进行现场同步实时测量非常困难。现已有的悬移质泥沙浓度的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法等。

传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式尽管测量精度高，但方法较为落后，耗时耗力，无法立即得到所需数据；光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)。不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能差异较大，用光学浊度计和LISTT系列产品进行实时测量时依赖于经验关系，仪器的适用性和稳定性都不能满足水文测验规范的要求。图片类方法则是利用先进的高像素高精度的微相机设备拍摄照片，能清晰反映粒子的尺度特征，并且能通过计算得到浓度，但此类仪器设备存在结构方面的不足，难以得到理想的结果。

声学检测法则是利用超声波在介质中的散射和衰减等特性来测量悬浮泥沙信息，超声测量设备具有优点是能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。苏明旭(CN104833619A)提出一种改进超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法，利用声衰减法通过测量区域内颗粒的超声衰减谱、计算消声系数、计算超声子散射出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径和浓度，但在高频不同粒径颗粒的超声衰减差异才能体现出来。程恩(CN109738344A)提出一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，计算超声衰减，计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动，通过迭代计算悬浮泥沙浓度，但是需要在入海口布置水下声信号发送端和接收端，结构上不够灵活。基于背向散射原理的ADV和ADCP等设备，通过标定得到颗粒浓度与信号强度的反演关系，不具备实时测量的能力，且探头到探测体的距离较远，信号在传播路径上的衰减过大，故难以获取有用的信息。

发明内容

本发明提出一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量探头系统及测量方法，以解决现有颗粒测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性，同时多频结合的方式能够涵盖的粒径范围更广，具有更好的准确性。

一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统，其特征在于：包括超声含沙量测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述超声含沙量测量探头承担信号接收和发射作用，包括4个不同发射频率的单频超声探头，用内聚式组装，单个单频超声探头轴线与中轴线的夹角为30°；所述单频超声探头包括超声整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，发射晶片和接收晶片均采用压电复合材料制成；所述信号采集传输系统包括采集盒、数据传输设备和电源，采集盒分别连接超声探头和数据传输设备，电源为采集盒、数据传输设备提供工作电源；数据传输设备与用户端连接。

进一步的，所述单频超声探头中各个部件的位置从探头最前端开始，按照超声整流块、接收晶片和发射晶片的顺序依次布置，超声整流块位于探头最前端，利用自身声阻抗特性缩短回波到接收晶片的距离，接收晶片为环状，紧贴整流块设置，发射晶片与接收晶片不在同一平面，发射晶片位于超声含沙量测量探头最深处，与超声含沙量测量探头轴线垂直。

进一步的，所述数据传输设备为路由器。