一种河流断面二维显示系统技术方案

一种河流断面二维显示系统，包括A/D采集模块、FPGA处理模块、液晶显示器；雷达数据通过A/D采集模块采集传输到FPGA处理模块，通过FPGA处理模块对采集来的数据进行滤波处理，滤除单元模块采集来的雷达信号中的杂波，再通过水动力学解码速度单元模块根据水动力学公式进行计算，解码出水流的速度，并且将河流断面结构类比成灰度图像，使得能够进行伪彩色变换；循环编码单元模块再对水流速度分布进行循环编码，使得编码后的数据能够通过RBG三种基色逐步扫描在液晶显示器上显示河流的速度图像。本实用新型专利技术的技术方案可使河流断面数据分析结果更加形象直观，掌握地形变化对水文观测、寻找适宜的航道、研究河流的水文特性十分重要。

Two dimensional display system of river section

A river section two-dimensional display system, including A/D acquisition module, FPGA processing module, liquid crystal display; radar data acquisition module is transmitted to the FPGA module through the A/D module to filter the data collected by the processing of FPGA radar signal filtering module to collect the clutter, then the water dynamic decoding the speed module is calculated according to the formula of water dynamics, the decoding of the speed of the water, and the river section structure analogy into a gray image, which enables the pseudo color transformation; cyclic encoding unit module of encoding cycle on flow velocity distribution, the data after encoding by RBG three primary colors gradually scanning image display speed River in the liquid crystal display. The technical scheme of the utility model can make the data analysis of the cross section of the river more visual and intuitive, and it is very important to master the topographic changes for hydrological observation, searching for suitable waterways and studying the hydrological characteristics of the river.

【技术实现步骤摘要】
一种河流断面二维显示系统
本技术涉及河流监测
，具体涉及一种河流断面二维显示系统，包括A/D采集模块、FPGA处理模块、液晶显示器。
技术介绍
雷达遥感方式非接触式测量的方法具有良好的机动性、灵活性、实时性,可以胜任复杂地质条件和外部恶劣气候条件下的水文表面信息测量，这种方式保证了实测数据的可靠性。其次在平面二维数值模拟过程中，应用可视化技术能够较好地处理计算数据，实现数据的可视化，使分析结果更加形象直观了解河流的横断面，掌握地形变化情况对进行水文观测、寻找适宜的航道十分重要，了解和研究河流断面对剖析河流的水文特性和编制航运发展计划均有一定价值。在以往的研究中，对于河流断面的二维显示较为缺乏。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本技术解决的技术问题是提供一种河流断面二维显示系统。为了实现上述目的，本技术是通过以下技术方案实现：一种河流断面二维显示系统，包括A/D采集模块、FPGA处理模块、液晶显示器；A/D采集模块的输出端与FPGA处理器的GPIO口连接；液晶显示器的输入端与FPGA的VGA端口相连接。雷达数据通过A/D采集模块采集传输到FPGA处理模块，通过FPGA处理模块对采集来的数据进行滤波处理，滤除单元模块采集来的雷达信号中的杂波，再通过水动力学解码速度单元模块根据水动力学公式进行计算，解码出水流的速度，并且将河流断面结构类比成灰度图像，使得能够进行伪彩色变换；循环编码单元模块再对水流速度分布进行循环编码，使得编码后的数据能够通过RBG三种基色逐步扫描在液晶显示器上显示河流的速度图像。所述的A/D采集模块是ADI公司的AD9655，其采样速率为125Msps，采样精度为16bit。所述FPGA处理模块包括信号滤波单元模块、水动力学解码速度单元模块、循环编码单元模块、河流流速和断面构建单元模块；所述FPGA处理模块采用的是Altera公司的CycloneIV系列；所述的液晶显示器是飞利浦226V6QSB6。采用本技术的技术方案可以对河流断面数据进行可视化处理，使分析结果更加形象直观了解河流的横断面，掌握地形变化情况对进行水文观测、寻找适宜的航道十分重要，了解和研究河流断面对剖析河流的水文特性和编制航运发展计划均有一定价值。附图说明图1是一种河流断面二维显示系统框图；图2是伪彩色变换流程图；图3是河流流速和断面构建框图。具体实施方式下面结合附图对本
技术实现思路
作进一步的说明。参照图1，一种河流断面二维显示系统框图，包括A/D采集模块、FPGA处理模块、液晶显示器；A/D采集模块的输出端与FPGA处理器的GPIO口连接；液晶显示器的输入端与FPGA的VGA端口相连接。所述FPGA处理模块包括信号滤波单元模块、水动力学解码速度单元模块、循环编码单元模块、河流流速和断面构建单元模块；雷达数据通过A/D采集模块采集传输到FPGA处理模块，通过FPGA处理模块对采集来的数据进行滤波处理，滤除单元模块采集来的雷达信号中的杂波，再通过水动力学解码速度单元模块根据水动力学公式进行计算，解码出水流的速度，并且将河流断面结构类比成灰度图像，使得能够进行伪彩色变换；循环编码单元模块再对水流速度分布进行循环编码，使得编码后的数据能够通过RBG三种基色逐步扫描在液晶显示器上显示河流的速度图像。水动力学公式计算流速过程如下：对于表面流速的获取：本技术利用雷达非接触式探测技术采集数据，根据获取的距离多普勒频谱图的实际情况及水流朝向，分析左右两边一阶峰的显现程度,保证在显现明显的一侧一阶峰大致存在范围内不会与另一侧一阶峰在越过零频以后所处区域重叠的情况下,表面流速提取可只采用一侧的一阶峰所提供的流速信息。表面流速与断面流速分布关系:明渠流断面水流速分布由内区和外区构成。在内区范围内，流速的变化取决于边壁切应力、流体性质、河床的类型以及边壁的距离，经验公式如下：其中，为摩阻流速，积分常数C由实验数据确定。z0为床面粗糙特征长度，是床面粗糙度ks的函数，表示流速为零处离河床底部的距离，也就是虚拟床底z'的起始位置，一般取而床面粗糙度ks则为度量床面粗糙程度的参数。在外区，因为τzx≠τ0，对数规律不可能与实际复合，必须引入一个函数加以修正。该函数取决于函数h，同时也取决于无因次压力梯度这里引入Coles尾流函数对对数公式进行修正，得到外区经验公式：其中Uc为断面中的最大流速，为尾流函数，定义为：而Π为尾流参数，取决于纵向梯度力：对于平衡的水流来说，尾流参数必须保持常值，因而β是一个平衡参数。(2Π/k)代表(z'/δ)＝1处偏离对数规律的部分。水深δ≤h是水流断面中测得最大流速Uc处的深度。如果最大流速出现在水面，则δ≡h。将上述表面流速和断面流速的计算结果用二维坐标的形式来表示，不同的坐标点代表河流中不同点的流速值，其中的x表示河流的宽度值，y代表不同的河流截面的值，这样形成的点可以看成是二维灰度图像，表征着河流的速度分布，特点是整体灰度值低、分布集中且缺少彩色信息。人眼对图像灰度只能分辨出几十级，而对彩色的分辨可达几百甚至上千种。因此，对河流二维灰度图像进行伪彩色增强是提高河流流速图像二维显示的有效途径。图2所示的是伪彩色变换的流程，伪彩色变换是通过实现灰度图像到红(R)、绿(G)、蓝(B)3个基色分量的变换，建立灰度级f(x,y)分别到R、G、B分量变换，最终合成伪彩色图像。由于本技术显示的河流流速信息量较大，传统的彩虹编码和热金属编码无法满足要求，故本技术采用的是基于比特平面分层的循环编码。基于比特平面分层的循环编码实现过程如下：n位灰度图像可以看作是n个分层平面组成，其中的每一个像素值由n位二进制数据组成，因此可以利用比特平面分层原理，实现循环编码。循环编码的过程是：从最高位数据开始，间隔2位取一次组成三基色的R像素值；从第2高位开始，间隔2位取一次组成G像素值；其余数据组成B像素值，这样的编码方法能够突出图像暖色调的高速区，有利于人眼快速捕获兴趣区。设Fn表示第n个比特平面的二进制数据，其R、G、B分量的计算公式为：R＝27Fn+26Fn-3+25Fn-6+...G＝27Fn-1+26Fn-4+25Fn-7+...B＝27Fn-2+26Fn-5+25Fn-8+...图3所示为河流流速和断面的构建，其主要通过PLL锁相环的时钟来控制RGB的扫描频率以及通过控制模块来控制河流和断面的显示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种河流断面二维显示系统，包括A/D采集模块、FPGA处理模块、液晶显示器；A/D采集模块的输出端与FPGA处理器的GPIO口连接；液晶显示器的输入端与FPGA的VGA端口相连接，其特征在于:雷达数据通过A/D采集模块采集传输到FPGA处理模块，通过FPGA处理模块对采集来的数据进行滤波处理，滤除单元模块采集来的雷达信号中的杂波，再通过水动力学解码速度单元模块根据水动力学公式进行计算，解码出水流的速度，并且将河流断面结构类比成灰度图像，使得能够进行伪彩色变换；循环编码单元模块再对水流速度分布进行循环编码，使得编码后的数据能够通过RBG三种基色逐步扫描在液晶显示器上显示河流的速度图像。

【技术特征摘要】
1.一种河流断面二维显示系统，包括A/D采集模块、FPGA处理模块、液晶显示器；A/D采集模块的输出端与FPGA处理器的GPIO口连接；液晶显示器的输入端与FPGA的VGA端口相连接，其特征在于:雷达数据通过A/D采集模块采集传输到FPGA处理模块，通过FPGA处理模块对采集来的数据进行滤波处理，滤除单元模块采集来的雷达信号中的杂波，再通过水动力学解码速度单元模块根据水动力学公式进行计算，解码出水流的速度，并且将河流断面结构类比成灰度图像，使得能够进行伪彩色变换；循环编码单元模块再对水流速度分布进行循环编码，使得编码后的数据能够通过RBG三种基色逐步扫描在液晶显示器上显示河...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷安云，李自立，马骏，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：新型
国别省市：广西,45