[发明专利]一种基于水下粒子测速的明渠流量测量系统和方法

说明书

本发明提供一种基于水下粒子测速的明渠流量测量系统，包括，水下PIV测量系统，包括布设在水下的气泡发生器，气泡发生器的下游设置有正对气泡发生器上方区域的激光器，在河床的一侧还设置有正对气泡发生器上方区域的照相机；水位测量系统，包括水位计，用于测量水位；数据处理系统，包括嵌入式单片机，用于完成视频处理与图像处理，并结合水位信息完成流量计算；供电系统，用于为整个系统供电，所述气泡发生器、激光器照相机、水位计以及数据处理系统均与供电系统连接；远程监测设备，用于接收数据处理系统的处理数据。本发明解决了现有明渠测量方法中测量精度不高以及PIV方法需要布撒大量示踪粒子的两个问题。

技术领域

本发明属于水文测报领域，尤其涉及一种基于水下粒子测速的明渠流量测量系统和方法。

背景技术

河道测流是对河流的实时流量、水位等进行动态测量，可为水文水利计算、山洪防治等提供数据支撑，是水文工作的重要内容。目前常用的流量测量方法包括浮标追踪法、声学多普勒流速剖面仪、手持雷达等。这些测量方法需要人工涉水、操作复杂且具有一定危险性，限制了流速测量的广泛展开。

近年来发展的粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，PIV)能够实现全流速场的实时测量，展现丰富的瞬时流速场信息，已被尝试用于明渠流速的测量。但现有的PIV方法集中于明渠表面流速的测量，仅获取一个平面的流速值，再将流速值乘以流速系数来获得明渠的流量，这种计算方式往往较为粗糙，精确度较低。同时PIV需要通过人工在河流布撒表面示踪粒子，粒子沿水流方向自然流动散开，对于大面积水域需要加入大量示踪粒子，成本高昂，并且粒子自然流动分布易不均匀，导致测量和计算结果误差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于水下粒子测速的明渠流量测量系统，可解决现有明渠测量方法中测量精度不高以及PIV方法需要布撒大量示踪粒子的两个问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于水下粒子测速的明渠流量测量系统，包括，

水下P IV测量系统，包括布设在水下的气泡发生器，气泡发生器的下游设置有正对气泡发生器上方区域的激光器，在河床的一侧还设置有正对气泡发生器上方区域的照相机；

水位测量系统，包括水位计，用于测量水位；

数据处理系统，包括嵌入式单片机，用于完成视频处理与图像处理，并结合水位信息完成流量计算；

供电系统，用于为整个系统供电，所述气泡发生器、激光器照相机、水位计以及数据处理系统均与供电系统连接；

远程监测设备，用于接收数据处理系统的处理数据。

进一步的，所述气泡发生器和激光器共同安装在一支架上，所述支架下滑动连接有垂直水流方向设置的导轨，所述电机能够驱动支架在导轨上滑动，所述电机与供电系统连接。

进一步的，所述河床内嵌设有透明的防水盒，所述照相机设置在防水盒内。

进一步的，所述水位计采用压力式水位计。

进一步的，所述供电系统包括光伏太阳能板、蓄电池与光伏控制装置。

一种利用明渠流量测量系统的测量方法，包括如下步骤：

S1：在实验室环境下确定水位h、气泡的上升速度v1与前进速度v2与水速v的函数关系v＝f(h，v1，v2)；

S2：读取光源坐标，确定测量截面位置；

S3：标定相机，进行畸变校正；

S4：开启气泡发生器，生产并播撒示踪粒子；

S5：相机拍摄视频并进行分帧处理；