[发明专利]水下河床形态实时跟踪仪及河床形态测量方法

说明书

本发明公开了一种水下河床形态实时跟踪仪及河床形态测量方法，该跟踪仪包括上位机，与上位机连接的下位机，以及与下位机连接的河床形态采集装置。河床形态采集装置包括固定在跟踪仪壳体内的横向运动机构、纵向运动机构以及设置在纵向机构上的传感器。本跟踪仪能够快速精准地对水下河床形态进行自动化测量，同时该跟踪仪还具有结构合理简单、使用方便快捷、成本低、体积小等优点。

技术领域

本发明涉及一种水下河床形态实时跟踪仪及河床形态测量方法。

背景技术

若在试验水槽的床面上铺上砂砾，则床面会在水流的作用下出现冲刷或淤积现象，这样的试验称为动床水槽试验。动床水槽试验主要用于模拟天然河流的河床演变过程，从而进行水沙运动理论的研究工作。因此，试验过程中的床面形态信息的提取显得尤为重要。实时地形的测量对设备要求较高，不但能够进行水下的作业，同时要测量迅速，达到较高精度，且不能够对床面造成明显的破坏。

传统的地形测量的设备是水准仪、测针、全站仪和RTK等，对室内光线有一定要求，需要消耗较多的人力进行逐点测量，标尺的刻度大小、光线和测绘人员的经验都会极大地影响测量精度，其误差可能达到数厘米。同时，测针或标尺需要接触河床，易对床面造成破坏。另外，全站仪和RTK等带有数据储存功能的半自动化设备，不能用于一定水深条件下的地形测量。因此，目前大多数的水槽试验无法实现地形的测量，只能进行试验结束后的地形测量。少数能够进行实时地形测量的设备，如声纳设备，主要用于海洋领域水下3维地形测绘，测量范围极大，但精度较低，误差无法控制在1cm以内；如精度较高的快速地形测量设备，通过图像进行解码和相位计算，其缺点在于无法进行一定水深条件下的地形测量；其他激光类设备，则体积庞大，需要特制轨道，且造价昂贵，维护费用高。

由于沙粒形态不规则，且沙粒之间存在孔隙，所以动床表面是粗糙的，故地形测量的精度达到沙粒大小的同量级即可满足科学研究的要求。在小型水槽试验条件下，例如水槽宽50cm，一般采用1cm左右粒径组成床沙，要求测量误差达到毫米级别。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下河床形态实时跟踪仪，其可以快速准确对水下河床进行自动化测量，且其在测量过程中不会对河床造成破坏。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水下河床形态实时跟踪仪，包括上位机，与上位机连接的下位机，以及与下位机连接的河床形态采集装置；河床形态采集装置包括固定在跟踪仪壳体内的横向运动机构和纵向运动机构；横向运动机构包括一水平设置在跟踪仪壳体内的横向丝杆，横向丝杆的一端连接有与下位机连接的第一步进电机；纵向运动机构包括一设置在横向丝杆上的固定架，以及纵向并排设置在固定架上的纵向导轨和纵向丝杆；纵向丝杆的顶部设有与下位机连接的第二步进电机；纵向丝杆通过连接件与纵向导轨连接；纵向丝杆上设有一个传感器支架，传感器支架的底部设有一个传感器；固定架上设有一个水平设置的横向导轨；横向丝杆通过第一联轴器与第一步进电机的电机轴连接，横向丝杆的两端分别通过一个第一轴承固定在所述跟踪仪壳体内；纵向丝杆的顶部通过第二联轴器与第二步进电机的电机轴连接，纵向丝杆的两端分别通过一个第二轴承固定在所述固定架上；传感器支架呈L形，其水平部活动连接在所述纵向丝杆上，其垂直部向下延伸，传感器固定在所述垂直部的底部；横向导轨的两端通过紧固件固定在所述跟踪仪壳体内；传感器为漫反射式激光对管传感器；所述传感器密封在一透明罩内。

一种采用上述水下河床形态实时跟踪仪对河床形态进行测量的方法，该方法包括以下步骤：

S1：下位机根据预设的步进控制命令控制横向运动机构和纵向运动机构带动传感器进行横向运动和纵向运动；传感器在运动过程中向河床发射激光信号，并接收返回的漫反射信号，同时将接收到的漫反射信号实时发送至下位机；