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、運動等各種現象。是研究自然界不同的時空分布、變化規律的一門學科。據《人民日報》2020年1月23日報道：我國水文監測站已從新中國的353處發展到12.1萬處，站網總體密度達到了中等發達國家水平。在防汛抗旱減災、水資源管理和生態保護上發揮作用。

隨著科技的進步，物聯網技術已經悄悄滴走進我們，并已經應用在各個領域。如水文水利、工業監控、智慧城市、智慧水務等等，萬物聯網連接到云服務器，通過大數據資料分析處理提高的生產效率、靈活性能和響應能力。

生態環境部于2016年3月16日公布了《“十三五”國家地表水環境質量監測網設置方案》，該方案共設置國控斷面（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境監測網中的評價、考核、排名監測斷面（點位），以改善水環境質量為核心，滿足流域水污染防治目標任務考核和城市水環境質量排名等當前環境管理的需求。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運行階段的背景下，各流域管理局開始認真積極發揮流域統籌協調作用，如：河長制聯度會議、漂浮物監測、跨界河湖治理、生態流量調度等治水機制。各單位要對多面達到水利部生態流量達到水利部流量保障目標，特別在枯水期的調度上高度重視。各流域河長辦將充分發揮流域統籌協調作用，不斷提高流域河湖監管、統籌協調能力，進一步深化完善“流域+區域”協同治水工作機制 ，統籌推進上下游、左右岸、干支流協同治理，協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計一款專用產品。

二、方案簡介

2.1聲層析技術

聲學技術原來在海洋環境觀測中占有重要一席之地，隨著應用的拓展，在其他水體的測量中也成為了重要手段之一。聲學層析技術，特別是15-88K頻率聲層析的應用，也從河口海岸轉到地表水、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。

聲波在水中具有優越的傳播特性，在地表水中能量和信息遠距離傳遞的有效輻射形式。由于水體的層化、峰面、內波、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，通過對聲學信號的頻率、相位、時間、多途結構等特征分析，可以推算出很多水體信息。

層析技術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，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屬性。聲層析就是利用這一技術，利用測量出的傳播時間變化來反演溫度場和流場參數。反演中會考慮到溫、鹽、深的參數變化。

斷面流量的測量只需要關鍵的流速數據，所以并不需要得到準確各剖面的流場分布，所以無需通過多維監聽聲學數據來進行反演。依靠兩點的聲學直達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，實現快速測量，系統小測量周期：5秒。

超聲波信號從主機發出后，在65度夾角范圍內，聲學直達波與多途波混響，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斷面的流速場屬性，代表著過水斷面的平均聲學特性。來回的聲音信息通過層析反演出來時間變化數據，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

數據池管理：根據安裝實際案例的應用經驗，我們發現了很多實用算法

備胎算法：主機內置有：強大的自學習能力。在測量品質（聲波：特征匹配）達到所設定的閾值情況下，設備會不斷學習流速、流量與水位關系，并長期記錄適配下來。在測量品質低于所設定值的狀態下，且持續時間達到所設定時長，設備會按照自學習的數據進入自動修正模式。

2.3聲層析與時差法

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

河寬中等（20-200米）與較大時（200米以上）：水聲信號復雜多變的多途結構和較強的隨機衰落問題，對常規時差（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，在測量周期內出現流速變化較大時，閉合困難，且成本較高；

三、產品構成

3.1基本構成件

1：供電系統，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、從站系統

3：附件：超聲波水位計、水溫電導傳感器與安裝支架（主站側）

4：戶外儀表箱（主站、從站各一）

5：基座，可水泥基、可鋼構（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（無線數據鏈專用）

遠距離無線高速數據鏈：新型網橋的應用，讓通信距離拓展到5公里，5.8G的工作頻率，主、從機的數據無錯通信容量達到了每5秒（測量值刷新一次的周期）38K。這一技術不依賴公用通信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物聯網通信天線

內置物聯網模塊，支持4G/GPRS通信，內置全網通插槽,4G的LET UE-CAT.1模組的應用，極為方便地將數據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，按安裝點的高程設定安裝高度，直接獲取水位高程信號。水位高程數據的獲取，將與基底高程數據合并計算出過水面積，從而將流速值轉換流量值；

7：水溫/電導率計

外掛水溫與電導率傳感器，可準確換算水下聲速。

四、產品功能簡述

4.1基底高程

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

4.2通信終端

物聯網多功能顯示終端（以下簡稱終端）需與一次儀表或數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接口與數字傳感器通訊，可實現一終端，多數字傳感器的測量系統。

終端供電電源220AC、24VDC、12VDC可選，可以使用市電或工業電源供電，或者使用各型電池或太陽能供電系統供電。終端可以非常方便與各型無線平臺互聯互通，如：GPRS、WIFI，將數字傳感器傳輸的信號數據，上傳至云服務器端。

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。

主要技術參數

五、方案優勢

1：主、從機雙機數據鏈自主組網交互，不依賴公網與機站；

2：數據上傳通過公網，公網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：可以帶多臺物聯網多參數顯示終端，實時顯示數據；

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：按工業儀表設計標準，具有很強的搞干擾、防雷能力。

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