水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法，所述装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正水面流速；流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小。本发明专利技术可以实时监测河道/渠道的水位和流速，并且可以实现实时的流量监测。

Water level, velocity and flow monitoring integrated device, monitoring system and monitoring method

The invention discloses a water flow monitoring device, integrated monitoring system and monitoring method, calculation module of the device comprises a radar level measurement module, radar velocity measurement module, speed measurement module and flow, the radar level measurement module, radar velocity measurement module and wind speed measuring module is respectively connected with the flow calculation module of radar; the water level measuring module for real-time data level non-contact measurement of river / channel; radar velocity measurement module for real-time non-contact measurement of surface velocity data of river / channel; wind speed measurement module, used to measure the real-time wind speed data to correct water flow; flow calculation module, according to the data of water level, flow velocity and wind speed data the input data, combined with the river / channel control section of the relevant parameters, the calculated current river / canal Flow size of control section. The invention can monitor the water level and flow speed of the river channel or the channel in real time, and can realize the real-time flow monitoring.

【技术实现步骤摘要】
水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法
本专利技术涉及一种监测一体化装置、监测系统及监测方法，尤其是一种水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法，属于水文监测

技术介绍
在水文监测中，流量监测是其中的核心内容，也是监测难度最大的一项，传统的监测手段一般需要依靠测量人员下水完成，流量测量工作量大，耗时长，测量效率低下，测量精度与测量人员的经验技术有很大关系，对于洪水时期的流量测量就更难实现了。随着水利信息化技术的进步，非接触式的测量技术凭借安全高效的测量方式、准确的测量结果等优势得到了长足的发展，雷达式的水位和流速测量装置在国内得到了推广应用，尤其是近年新建的站点。但是，国内基于非接触式的雷达流量测量设备的研究较少，尚未形成成熟的产品。一方面，雷达流速测量设备测量的是水体表面流速，风速可能影响表面流速，尤其是靠近入海口等沿海河道，从而影响雷达流速测量结果，因此有必要修正流速测量结果。另一方面，要想推算河道的流量数据，除要获取水位和流速这些水文数据外，还要结合控制断面的高程、糙率、坡降等相关参数，利用该河道河段的水文模型等基础数据，这样才能得到准确的流量大小。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种水位流速流量监测一体化装置，该监测一体化装置结构简单、使用方便，可以实时监测河道/渠道的水位和流速，并且可以根据输入的控制断面相关参数计算出当前时刻的河道/渠道控制断面流量大小，从而实现实时的流量监测。本专利技术的第二个目的在于提供一种水位流速流量监测系统，该系统可以遥测功能，方便实现远程流量监测，大大提高了流量测量的效率，提高了测量人员的安全性。本专利技术的第三个目的在于提供一种水位流速流量监测方法。本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种水位流速流量监测一体化装置，所述监测一体化装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；所述雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；所述雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；所述风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正表面流速；所述流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数。进一步的，所述雷达水位测量模块采用K波段的雷达收发器，调制方式为线性调频连续波调制方式；所述雷达流速测量模块采用K波段的雷达收发器，调制方式为连续波调制模式；所述风速测量模块采用风速风向测量仪；所述流量计算模块采用单片机。本专利技术的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种水位流速流量监测系统，所述系统包括远程上位机以及上述的水位流速流量监测一体化装置，所述远程上位机与流量计算模块进行无线通信连接。进一步的，所述远程上位机与一体化装置采用数据传输单元进行无线通信连接，所述数据传输单元上具有通信天线，所述通信天线与远程上位机进行无线通信连接。进一步的，所述水位流速流量监测一体化装置为一台或多台，所述水位流速流量监测一体化装置为一台时，固定安装在立杆支架上；所述水位流速流量监测一体化装置为多台时，组成阵列固定安装在桥梁下方。进一步的，所述水位流速流量监测一体化装置可便携式地固定在桥梁的栏杆上。本专利技术的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种水位流速流量监测方法，所述方法包括：获取河道/渠道的水位数据；获取风速数据及风向；获取河道/渠道的表面流速数据，并根据风速风向校正流速，根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若该分量与流向相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正；根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数；将计算得到的控制断面流量数据发送到远程上位机。进一步的，所述获取河道/渠道的水位数据，具体为：通过测得雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离，再用雷达平面的固定高程减去该距离，即得到河道/渠道水位的高程；所述雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离测量过程如下：雷达波的发射频率随着时间线性递增或递减，当发射的雷达波遇到河道/渠道水面后反射，并经过时间τ后被雷达接收，河道/渠道水面与雷达发射平面之间的距离R满足：其中，c为光速；根据三角形相似原理，有：其中，T为调制周期，ΔF为调制带宽，f0为发射波与回波之间的频率差；由式(1)和式(2)，得：进一步的，获取河道/渠道的表面流速数据，并根据风速风向校正流速，根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若该分量与流向相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正，具体为：基于多普勒频移测速原理，雷达的发射频率固定为f0，当雷达发射波打到流动的水面后，雷达波返回到雷达接收平面，在多普勒效应下，接收信号的频率会发生改变，发射信号与接收信号之间的频率差fd，即差频信号，满足以下等式：其中，c为光速，α为水流方向与目标点-雷达连线之间的夹角，雷达安装角度调整完毕后，α保持不变，当得到fd时，求得目标流速为：求出当前流速测量的平均表面流速，具体如下：设vsi＝Kv·fi，其中vsi为各个表面点流速，fi为对应的差频频率；表面平均流速如下式：其中wi为各个差频频率对应的权重；考虑风速的影响，加入风速校正以后的表面平均流速如下式所示：其中，vw为风速大小，kw为风速系数，θw为风向；风速系数kw的取值与风向θw有关，当风向与流向相同时，kw为正值；当风向与流向相反时，kw为负值。进一步的，所述根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小，具体为：假设当前控制断面的高程数据已知，将当前水位高程Z减去各个控制断面高程点CSi，得到控制断面各个代表点的高程差，即水深，如下：Hi＝Z-CSi(8)设控制断面各个代表点的水深为Hi，相邻代表点之间的横向距离为xi，那么控制断面当前的过水截面积为：控制断面的流量Q与过水面积S的关系为：其中，为断面平均流速；将断面平均流速v转化为表面平均流速断面平均流速与表面平均流速之间的关系满足：其中，K为平均流速系数，K的取值与断面形状CS、河床糙率n、坡降J、水位Z相关，即K＝f(CS,n,J,Z)(12)根据断面平均流速计算模型，得到断面流量Q、过水面积S和表面平均流速之间的关系为：本专利技术相对于现有技术具有如下的有益效果：1、本专利技术的水位流速流量监测一体化装置采用非接触式的雷达水位测量模块和雷达流速测量模块分别测量河道/渠道的实时水位数据和实时表面流速数据，以及采用风速测量模块测量实时风速数据，流量计算模块通过风速数据对表面流速数据进行校正，消除风速对表面流速数据的影响，根据水位数据和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水位流速流量监测一体化装置，其特征在于：所述监测一体化装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；所述雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；所述雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；所述风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正表面流速；所述流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数。

【技术特征摘要】
1.一种水位流速流量监测一体化装置，其特征在于：所述监测一体化装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；所述雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；所述雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；所述风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正表面流速；所述流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数。2.根据权利要求1所述的水位流速流量监测一体化装置，其特征在于：所述雷达水位测量模块采用K波段的雷达收发器，调制方式为线性调频连续波调制方式；所述雷达流速测量模块采用K波段的雷达收发器，调制方式为连续波调制模式；所述风速测量模块采用风速风向测量仪；所述流量计算模块采用单片机。3.一种水位流速流量监测系统，其特征在于：所述系统包括远程上位机以及权利要求1或2所述的水位流速流量监测一体化装置，所述远程上位机与流量计算模块进行无线通信连接。4.根据权利要求3所述的一种水位流速流量监测系统，其特征在于：所述远程上位机与一体化装置采用数据传输单元进行无线通信连接，所述数据传输单元上具有通信天线，所述通信天线与远程上位机进行无线通信连接。5.根据权利要求3所述的一种水位流速流量监测系统，其特征在于：所述水位流速流量监测一体化装置为一台或多台，所述水位流速流量监测一体化装置为一台时，固定安装在立杆支架上；所述水位流速流量监测一体化装置为多台时，组成阵列固定安装在桥梁下方。6.根据权利要求3所述的一种水位流速流量监测系统，其特征在于：所述水位流速流量监测一体化装置可便携式地固定在桥梁的栏杆上。7.一种水位流速流量监测方法，其特征在于：所述方法包括：获取河道/渠道的水位数据；获取风速数据及风向；获取河道/渠道的表面流速数据，并根据风速风向校正流速，根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若该分量与流向相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正；根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数；将计算得到的控制断面流量数据发送到远程上位机。8.根据权利要求7所述的一种水位流速流量监测方法，其特征在于：所述获取河道/渠道的水位数据，具体为：通过测得雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离，再用雷达平面的固定高程减去该距离，即得到河道/渠道水位的高程；所述雷达发射平面到河道/渠道水面之间的距离测量过程如下：雷达波的发射频率随着时间线性递增或递减，当发射的雷达波遇到河道/渠道水面后反射，并经过时间τ后被雷达接收，河道/渠道水面与雷达发射平面之间的距离R满足：其中，c为光速；根据三角形相似原理，有：其中，T为调制周期，ΔF为调制带宽，f0为发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨跃，陈伟昌，覃朝东，韦三刚，王珊琳，赵旭升，黄克坚，
申请(专利权)人：珠江水利委员会珠江水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44