在试验模型或天然河流中原位实时测量卵石运动的装置

摘要

本发明涉及一种在试验模型或天然河流中原位实时测量卵石运动的装置，属于水利量测的技术领域。该装置包括测架、安装在测架上的仪器仓、两个摄像机仓，安装在该仪器仓内的供电模块，以及分别与供电模块相连的陀螺仪、超声水深仪、LED灯和激光灯；安装在每个摄像机仓的一台摄像机；其中，测架为一个由横梁框和支撑柱体组成的门字形框架，仪器仓设置在测架的横梁框内，两个摄像机仓安装在测架横梁框的两端。本发明的装置可用于卵石推移质的原位实时测量，具有重要的生产应用和推广价值。

说明书

技术领域

本发明属于水利量测的技术领域，特别涉及一种在试验模型或天然河流中原位实时测 量卵石运动的装置。

背景技术

卵石运动规律是泥沙运动、河床演变研究中最重要的内容之一。

卵石运动参数的测量主要为量测卵石的级配和输沙率，最常用的方法是采用推移质采 样器直接在水流中取样测量，在河床上挖坑和在模型尾部设置集沙坑的坑测法亦有采用。

卵石运动与水流强度的高次方成正比，一般在强度较大的水流条件下发生，即卵石运 动对水流条件的变化极为敏感。图1为常用的卵石推移质采样器结构，由刚性框架01、软 网底02、口门03、吊环04、卵石网兜05和尾翼06等部件组成一个整体。在卵石推移质 的采样过程中，用缆绳将其沉放到河床床面，软网底02与床面相贴，随水流方向07运动 的卵石在水流的作用下进入采样器，收集在卵石网兜05中，水流则从网孔流出。当采样 器沉放到河底时，会影响局部的水流条件，软网底02也很难贴紧床面，使卵石不易进入 网兜05，即采样效率较低，早期的采样器效率一般在8％～25％之间，且级配代表性较差； 长江上游水文局研制的AYT型采样器口门宽300mm、高240mm，采样效率可达48.5％。 该类型的采样器随卵石网兜05中收集卵石的增加而堵塞部分网孔，逐渐降低口门03的流 速，使行进中的卵石颗粒减速而更难进入网兜05，即采样过程中卵石进入网兜05的比例 会逐渐减少，特别是采样时间较长时影响更为明显，严格说来采样效率只是在有限的时间 内的一个平均参数。

现阶段，还少有原位实时观测卵石推移质运动的仪器设备，特别是研制不影响水流和 卵石运动的装置更具技术难度，因而发明一种原位实时测量卵石运动速度、输沙率和卵石 级配的装置具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种在试验模型或天然河流中原位 实时测量卵石运动的装置。本发明提出的一种在试验模型或天然河流中原位实时测量卵石 运动的装置，其特征在于，该装置包括测架、安装在测架上的仪器仓、两个摄像机仓，安 装在该仪器仓内的供电模块，以及分别与供电模块相连的陀螺仪、超声水深仪、LED灯和 激光灯；安装在每个摄像机仓内的一台摄像机；其中，测架为一个由横梁框和支撑柱体组 成的门字形框架，仪器仓设置在测架横梁框内，两个摄像机仓安装在测架横梁框的两端。

本装置的特点及有益效果

本发明的在试验模型或天然河流中原位实时测量卵石运动的装置，采用两台摄像机同 步高频拍摄床面运动的卵石颗粒，经过图像解译得出卵石颗粒的运动速度、粒径分布和输 沙率。该装置包括测架、安装在测架上的仪器仓、两个摄像机仓，安装在该仪器仓内的供 电模块，以及分别与供电模块相连的陀螺仪、超声水深仪、LED灯和激光灯；安装在每个 摄像机仓的一台摄像机；其中，测架为一个由横梁框和支撑柱体组成的门字形框架，仪器 仓设置在测架的横梁框内，两个摄像机仓安装在测架横梁框的两端。测架的外形为门字形 框架，迎水面均为流线型，对水流的影响很小，运动卵石穿过上下游都开敞的门字形框架， 不受任何阻碍，可保持原有的运动特性，从而获得真实的卵石运动参数。本装置具有重要 的生产应用和推广价值，特别适用于水文站卵石推移质的实时原位测量。

附图说明

图1为已有的一种卵石推移质采样器示意图。

图2为本发明的装置整体结构及布置示意图。

具体实施方式

以下结合图2及实施例对本发明做详细说明。

本发明的一种在试验模型或天然河流中原位实时测量卵石运动的装置，该装置包括测 架、安装在测架上的仪器仓、两个摄像机仓，安装在该仪器仓内的供电模块，以及分别与 供电模块相连的陀螺仪、超声水深仪、LED灯和激光灯；安装在每个摄像机仓内的一台摄 像机；其中，测架为一个由横梁框和支撑柱体组成的门字形框架，仪器仓设置在测架横梁 框内，两个摄像机仓安装在测架横梁框的两端。

本发明的测量原理：

将本装置沉放到河床上调平，两台摄像机同步拍摄测架单元下方的图像。将两个序列 的同步图像按激光灯闪光的间隔分段，以存在激光标志点的图像为起点帧，精确匹配两帧 图像中标志点的图像坐标。在起点帧后面无标志点的图像中，以确定的标志点为中心，在 局部区域内搜寻两帧图像的匹配角点，根据已标定好的摄像机参数，可以计算每个角点的 三维坐标，内插得出床面的三维形态。对每段图像逐帧处理，即可得出床面卵石的形态， 计算卵石的特征参数，如长短轴、代表粒径、圆度、球度等。

将一台摄像机的连续图像进行PIV和PTV计算，得出卵石运动的速度。

摄像机长轴与水流方向垂直，设测量宽度400mm，则1280/400≈3Pixel/mm，水文测 验的卵石粒径大于2mm，即一颗卵石大约有30个像素，能较好地分析卵石的形态。统计 单位时间内运动卵石的数量，根据其直径可以计算卵石推移质的级配和输沙率。

本装置的实施例各部件结合图2进一步说明如下：

1、测架主要包括横梁框2、纵梁4和支撑柱体，整体外形为一个门字形框架。横梁2 的横截面为长条形，沿水流方向长、高度方向短，上、下游侧面最好为流线型，以减少对 水流的影响。支撑柱体包括三个中空支撑腿6-1、6-2、6-3，设置在每个腿内的调节杆7-1、 7-2、7-3和水下电机5-5、5-2、5-3(可选用采规产品组成)；支撑腿的横截面为顺水流方 向的长条形，上、下游面呈流线型；调节杆上部插入支撑腿内，水下电机设置在调节杆上 部与调节杆相连，以驱动调节支撑腿的高度，保证测架单元水平。其中，支撑腿6-1和6-2 垂直于水流方向布置，上部承载横梁2，三者形成一个门形框架；支撑腿6-2和6-3顺水流 方向布置，支撑纵梁4，纵梁尾部还可加尾翼10，以保持门形框架垂直于水流方向。3个 支撑腿的上部还设置安装与悬挂钢缆连接的吊环1-1、1-2、1-3，在测量船上用悬挂钢缆将 测架沉放至设定的观测位置，电源电缆和信号传输线沿悬挂钢缆引至仪器仓2和摄像机仓 3-1、3-2。本实施例的悬挂钢缆采用不锈钢航空钢丝绳，直径6mm，6股×19丝，破断拉 力20KN；电源电缆和信号传输线根据需要在市场购买。

测架的横梁框的内空间尺寸为宽600mm、高540mm，大于推移质采样器的内空尺寸， 推移质颗粒穿测架的门形框架而过，上下游开敞，采样不受空间的影响、不受时间的控制， 能真实地观测到推移质颗粒的运动状态；支撑腿和调节杆迎水流面的宽度可控制在30mm 以内，基本不会影响顺水流输移的卵石颗粒的运动特性且有足够的支撑力。整体测架的自 重能保证抗击水流的冲击力，保持整体装置稳定。纵梁4用不锈钢加工，其作用为顺流延 伸连接支撑腿7-3，与门形框架形成三角形支撑而保持整体装置的稳定。

2、仪器仓固定在横梁框2内，仪器仓体为具有良好的密封性的封闭壳体，在大水压 条件下保证各电子器件干燥。仪器仓内安装陀螺仪BE、超声水深仪AW、LED灯和激光 灯LA、供电模块DV，供电模块DV通过电源电缆与测量船上的电源相连，为各仪器供电。

本实施例的陀螺仪BE采用“IMU AHRS电子罗盘陀指南针九轴传感器陀螺仪”，附 带温度传感器，可自动测量测架的姿态，陀螺仪的USB口通过信号传输线与测量船上的计 算机通讯，如果测架沉放到床面后不水平，则用计算机控制水下电机驱动调节杆升降，保 证测架处于水平状态。

本实施例的超声水深仪AW选用安布雷拉自动化科技有限公司的DYA-15-50D产品， 通过信号传输线与测量船上的计算机通讯，用于测量测架至水面的深度，可以从水面水位 推求河床表面的高程。

本发明装置用电源电缆供电至仪器仓内的供电模块DV，本实施例的供电模块DV按 照需要采用常规电子元器件组装而成，输出直流电压6～48伏多路可调，根据各种仪器的 电压和功率由该模块分别供电。

本实施例的LED灯选用WPL200V5A型，功率1000W的大功率的LED灯，用于持续 照亮待测范围的床面，便于高速摄像机CA1、CA2拍摄清晰的图像；如果水流浑浊，应适 当降低框架平台的高度，增强床面的亮度，但框架不宜低于240mm(推移质采样器口门的 高度)，否则会影响卵石颗粒的运动特性。

本实施例的激光灯LA的功率为1W，闪光间隔时间由主控计算机控制，设为0.25秒。 选用北京镭志威光电技术有限公司生产的新520nm-OEM-1W激光器，波长520nm，功率 1W。在对两台摄像机CA1、CA2拍摄的同步图片进行坐标匹配时，需要确定各个相同位 置的角点，由于两台摄像机CA1、CA2的拍摄角度不同，会影响角点的准确搜寻，采用激 光灯LA间歇性地发射排列规则的打标点，在床面上LED灯照亮的区域叠加高亮度的标志 点。

LED灯和激光灯LA的正下方的仪器仓设有钢化玻璃密封窗，使光线向下照亮床面。

3、本实施例的摄像机仓3-1和3-2用铝合金加工，形状为椭球形封闭壳体，顺水流方 向的长轴300mm、垂直水流方向的短轴120mm，分别架设在横梁2的两端。两个摄像机 仓3-1、3-2内各安装一台摄像机CA1、CA2，两台摄像机倾斜相向安装，使两者拍摄的床 面范围基本相同，以观测床面推移质颗粒P的运动，摄像机镜头前的壳体设有钢化玻璃密 封窗。

本实施例的摄像机CA1、CA2采用IDT-NX3S3型摄像机CA1和CA2，CMOS芯片分 辨率1280×1024像素，全画幅采样频率2500Hz，感光度6000ISO，外形尺寸 63.5×63.5×68.6mm，该摄像机自带同步控制接口，将两台摄像机的同步接口连接，即可 实现同步采样。配佳能FEF-S 22mm f/2.0STM镜头，外形尺寸Φ60.9.2×23.7mm。摄像机 储存卡的容量32G，一帧图像占1.28M，一次采样可储存25000幅图像，设采样频率为200 Hz，一个样本能持续采集125S，在一个测点采集10个样本，有效采样历时约20分钟。

本装置可根据视场的大小和距离远近选配相应的大光圈镜头，同步高频连续拍摄床面 的图像，包括LED灯照亮的连续图像和间隔一定时间激光灯LA照亮的高亮度标志点的瞬 态图像。采集的图像暂存在摄像机CA1、CA2的储存卡中，在存满储存卡后停止拍摄，将 图像传输至测量船上主机大容量的储存设备、清空摄像机CA1、CA2的内存，再次采样。 根据检测条件和水文泥沙情况，采样的持续时间为10～30分钟。两台摄像机图像覆盖的床 面范围与测架离床面的高度、选配的镜头有关。对应本实施例的设置，图像覆盖的范围大 致为沿水流方向400mm、平行于横梁方向300mm。

本发明装置的使用过程说明如下：

主控计算机放在测量船上，通过数据传输线对各类仪器设备实现测量和控制。当测量 船到达选定测点停靠平稳后，用卷扬机将测架单元沉放到河床上，上游面的门形框架在尾 翼10的引导下与水流方向9垂直，保证运动卵石顺水流方向通过测量区域。

全系统构建完成后精确测定两台摄像机CA1、CA2的几何位置，如摄像机的焦距、倾 斜角度、中心距离等参数。将测架放在水中，在被测区域放置标定棋盘格，测定两台摄像 机的耦合参数，如相互间的夹角、像平面与CMOS芯片尺寸的比例关系等，建立两台摄像 机图像坐标与实测地形三维坐标的参数矩阵，即可用于河床上推移质运动颗粒的测量。

根据陀螺仪BE显示的偏斜程度分别开启水下电机5-1、5-2或5-3，升降调节杆7-1、 7-2或7-3的长度，使测架单元水平，关闭水下电机5，并由水下电机5的自锁功能稳定调 节杆7。打开水深仪，测量框架平台距水面的深度，根据测量位置的水位计算河床高程。 开启LED灯和激光灯LA，LED灯持续照明，激光灯LA间隔0.25秒瞬时照亮一次。两台 摄像机CA1、CA2同步连续拍摄图像，根据储存卡容量、图像大小和采样频率计算采样时 间长度，由测量船上的主控计算机控制采样时间，一次采集满储存卡后停止拍摄，将摄像 机内存的图像通过数据线传输到主控计算机，并储存在预先设定好的样本文件名中；清空 摄像机内存，继续采样。在一个测量点根据实际需求采集多个样本，完成采集后进行图像 处理，得出床面形态、运动速度、卵石级配和输沙率等数据。