ATV水下超聲波聲層析斷面流量計的簡單介紹

ATV水下超聲波聲層析斷面流量計的詳細(xì)信息

ATV水下超聲波聲層析斷面流量計

一、方案背景

1.1水文國考斷面

水文：指自然界中水的變化、運動等各種現(xiàn)象。是研究自然界不同的時空分布、變化規(guī)律的一門學(xué)科。據(jù)《人民日報》2020年1月23日報道：我國水文監(jiān)測站已從新中國的353處發(fā)展到12.1萬處，站網(wǎng)總體密度達(dá)到了中等發(fā)達(dá)國家水平。在防汛抗旱減災(zāi)、水資源管理和生態(tài)保護上發(fā)揮作用。

隨著科技的進步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)悄悄滴走進我們，并已經(jīng)應(yīng)用在各個領(lǐng)域。如水文水利、工業(yè)監(jiān)控、智慧城市、智慧水務(wù)等等，萬物聯(lián)網(wǎng)連接到云服務(wù)器，通過大數(shù)據(jù)資料分析處理提高的生產(chǎn)效率、靈活性能和響應(yīng)能力。

生態(tài)環(huán)境部于2016年3月16日公布了《“十三五”國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)設(shè)置方案》，該方案共設(shè)置國控斷面（點位）2767個，其中趨勢科研斷面共717個不進行考核，其余2050個斷面即為國家地表水考核斷面（以下簡稱“國考斷面”）。

國考斷面從屬于國家地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)中的評價、考核、排名監(jiān)測斷面（點位），以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，滿足流域水污染防治目標(biāo)任務(wù)考核和城市水環(huán)境質(zhì)量排名等當(dāng)前環(huán)境管理的需求。國考斷面特點：寬斷面、常年存在低流量運行的工況下。

在各級流域河長制實質(zhì)運行階段的背景下，各流域管理局開始認(rèn)真積極發(fā)揮流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作用，如：河長制聯(lián)度會議、漂浮物監(jiān)測、跨界河湖治理、生態(tài)流量調(diào)度等治水機制。各單位要對多面達(dá)到水利部生態(tài)流量達(dá)到水利部流量保障目標(biāo)，特別在枯水期的調(diào)度上高度重視。各流域河長辦將充分發(fā)揮流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作用，不斷提高流域河湖監(jiān)管、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力，進一步深化完善“流域+區(qū)域”協(xié)同治水工作機制 ，統(tǒng)籌推進上下游、左右岸、干支流協(xié)同治理，協(xié)同流域各市解決流域河湖管護工作中的難點堵點問題，共同推動流域秀水常清。

1.2斷面流量常用測量方法

對于寬斷面、低流速的測量斷面來說，流量測量一直存在較大的問題，要即能滿足上述測量要求的情況下，還在注意安裝簡單、注重測量的實時性、不干擾河道正常使用。ATV聲層析斷面流量就是基于上述定義設(shè)計一款專用產(chǎn)品。

二、方案簡介

2.1聲層析技術(shù)

聲學(xué)技術(shù)原來在海洋環(huán)境觀測中占有重要一席之地，隨著應(yīng)用的拓展，在其他水體的測量中也成為了重要手段之一。聲學(xué)層析技術(shù)，特別是15-88K頻率聲層析的應(yīng)用，也從河口海岸轉(zhuǎn)到地表水、地下水等水體測量中。

ATV聲層析斷面流量計利用水下聲學(xué)互易傳輸（也稱雙向聲傳輸）進行聲層析（溫流）反演計算，利用傅里葉模型對聲速、溫場、流場進行二維重建。

聲波在水中具有優(yōu)越的傳播特性，在地表水中能量和信息遠(yuǎn)距離傳遞的有效輻射形式。由于水體的層化、峰面、內(nèi)波、反射、散射、吸收、水面與水底邊界都對傳播都有影響，因此聲波在水中傳播過程中就攜帶著大量傳播途徑信息，通過對聲學(xué)信號的頻率、相位、時間、多途結(jié)構(gòu)等特征分析，可以推算出很多水體信息。

層析技術(shù)是一種反演觀測方法，可以利用聲波輻射從不同角度穿透被測介質(zhì)，通過測量其吸收與傳播時間等特性的差異來反演被測介質(zhì)屬性。聲層析就是利用這一技術(shù)，利用測量出的傳播時間變化來反演溫度場和流場參數(shù)。反演中會考慮到溫、鹽、深的參數(shù)變化。

斷面流量的測量只需要關(guān)鍵的流速數(shù)據(jù)，所以并不需要得到準(zhǔn)確各剖面的流場分布，所以無需通過多維監(jiān)聽聲學(xué)數(shù)據(jù)來進行反演。依靠兩點的聲學(xué)直達(dá)波與多途波混響互易時間變化，就可以反演出二維的斷面平均流速。利用這種高頻度（1秒交叉互易一次）互易傳輸聲層析原理，可以在有限的投資下，實現(xiàn)快速測量，系統(tǒng)小測量周期：5秒。

超聲波信號從主機發(fā)出后，在65度夾角范圍內(nèi)，聲學(xué)直達(dá)波與多途波混響，被從機獲取到完整的信號；互易后，從機聲波經(jīng)由同樣通道聲波，被主機接收到的；聲信號基本可以完整反映出整個過水?dāng)嗝娴牧魉賵鰧傩裕碇^水?dāng)嗝娴钠骄晫W(xué)特性。來回的聲音信息通過層析反演出來時間變化數(shù)據(jù)，從而換算出斷面平均流速值。（如下圖所示：）

2.2其他特殊算法

數(shù)據(jù)池管理：根據(jù)安裝實際案例的應(yīng)用經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn)了很多實用算法

備胎算法：主機內(nèi)置有：強大的自學(xué)習(xí)能力。在測量品質(zhì)（聲波：特征匹配）達(dá)到所設(shè)定的閾值情況下，設(shè)備會不斷學(xué)習(xí)流速、流量與水位關(guān)系，并長期記錄適配下來。在測量品質(zhì)低于所設(shè)定值的狀態(tài)下，且持續(xù)時間達(dá)到所設(shè)定時長，設(shè)備會按照自學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進入自動修正模式。

2.3聲層析與時差法

河寬較小時（20米以內(nèi)）：聲波時間短，直達(dá)波強烈，常規(guī)時差法測量成為可能（雙機有線通聯(lián)較易實現(xiàn)）；

河寬中等（20-200米）與較大時（200米以上）：水聲信號復(fù)雜多變的多途結(jié)構(gòu)和較強的隨機衰落問題，對常規(guī)時差（單通道、多通道）法來說是致命影響，再加上雙機無線通聯(lián)問題。

2.4聲層析與其他測量方法

河道、航道的流量測量中，要做到長期且實時測量。

其他岸基測量：實時性較好、斷面代表性不足，很難建立關(guān)系；

走航測量：實時性差、斷面代表性較好，單次測量周期，在測量周期內(nèi)出現(xiàn)流速變化較大時，閉合困難，且成本較高；

三、產(chǎn)品構(gòu)成

3.1基本構(gòu)成件

1：供電系統(tǒng)，可市電，可太陽能（主站、從站各一）

注：太陽能電池板：200W，電池：150AH

2：主站系統(tǒng)、從站系統(tǒng)

3：附件：超聲波水位計、水溫電導(dǎo)傳感器與安裝支架（主站側(cè)）

4：戶外儀表箱（主站、從站各一）

5：基座，可水泥基、可鋼構(gòu)（主站、從站各一）

3.2核心組件

1：ATV主機、ATV從機

7寸大屏彩色液晶顯示器的應(yīng)用，讓波形圖、菜單具有更佳的人機交互體驗；

2：5G頻段的寬帶天線（無線數(shù)據(jù)鏈專用）

遠(yuǎn)距離無線高速數(shù)據(jù)鏈：新型網(wǎng)橋的應(yīng)用，讓通信距離拓展到5公里，5.8G的工作頻率，主、從機的數(shù)據(jù)無錯通信容量達(dá)到了每5秒（測量值刷新一次的周期）38K。這一技術(shù)不依賴公用通信4G5G機站，讓裝置獨立運行，無通信費用。

3：安裝支架（含聲吶換能器）

換能器

40KHZ:適用20-500米

25KHZ:適用500米以上

4：GPS北斗雙模定位與高精度授時天線

高精度授時與定位：通過北斗/GPRS/格洛納斯三模高精度授時，讓主、從機同步精度控制在20納秒以下，滿足時差法測量同步要求。

5：4G NB物聯(lián)網(wǎng)通信天線

內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)模塊，支持4G/GPRS通信，內(nèi)置全網(wǎng)通插槽,4G的LET UE-CAT.1模組的應(yīng)用，極為方便地將數(shù)據(jù)上傳到云平臺或者第三方云平臺；

6：超聲波水位計

一體式超聲波水位計12VDC供電、RS485通信到主機，按安裝點的高程設(shè)定安裝高度，直接獲取水位高程信號。水位高程數(shù)據(jù)的獲取，將與基底高程數(shù)據(jù)合并計算出過水面積，從而將流速值轉(zhuǎn)換流量值；

7：水溫/電導(dǎo)率計

外掛水溫與電導(dǎo)率傳感器，可準(zhǔn)確換算水下聲速。

四、產(chǎn)品功能簡述

4.1基底高程

ATV可以生成50點的縱斷面描述數(shù)據(jù)，分別輸入各點的離岸距離數(shù)據(jù)（通常是從左岸向右岸開始描述）和相應(yīng)的水下地形高程數(shù)據(jù)。河流斷面的基底高程是各類河道測量流量的需要參數(shù)，通過對高程水位的測量與斷面地形才能計算出過水面積，然后與儀器設(shè)備測量出的流速數(shù)據(jù)進行乘法運算，計算出流量數(shù)據(jù)。

4.2通信終端

物聯(lián)網(wǎng)多功能顯示終端（以下簡稱終端）需與一次儀表或數(shù)字式傳感器配合使用。終端提供24V/12V電源，可給傳感器供電，通過終端的傳感器485接口與數(shù)字傳感器通訊，可實現(xiàn)一終端，多數(shù)字傳感器的測量系統(tǒng)。

終端供電電源220AC、24VDC、12VDC可選，可以使用市電或工業(yè)電源供電，或者使用各型電池或太陽能供電系統(tǒng)供電。終端可以非常方便與各型無線平臺互聯(lián)互通，如：GPRS、WIFI，將數(shù)字傳感器傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)，上傳至云服務(wù)器端。

工作原理

通過通信接口或AD采集獲取輸入信號，信號解析獲取測量值，將測量值通過液晶屏顯示，同時將信號通過GPRS將信號上傳至云端。

主要技術(shù)參數(shù)

五、方案優(yōu)勢

1：主、從機雙機數(shù)據(jù)鏈自主組網(wǎng)交互，不依賴公網(wǎng)與機站；

2：數(shù)據(jù)上傳通過公網(wǎng)，公網(wǎng)故障時還可以選擇北斗短報文通訊（RDSS）；

3：可以實時在第三方大型顯示平臺顯示；

4：可以帶多臺物聯(lián)網(wǎng)多參數(shù)顯示終端，實時顯示數(shù)據(jù)；

5：可以帶電話語音示警、短信示警、電郵示警功能；

6：可適用在小流量、零流量、負(fù)流量的工況下使用；

7：很強的實時測量性，快測量周期：5秒；

8：按工業(yè)儀表設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，具有很強的搞干擾、防雷能力。

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