CN102954782B - 一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***及测量方法，该***包括地形测量探头、测量小车、测桥、导轨、定位装置和测量控制及数据处理装置；该方法包括将激光测距探头和超声波测距探头平行固定在测量小车上，探头均垂直固定于模型水面上方，由于模型试验中水深较浅，激光探头可发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形，超声波探头测量从探头至模型水面的距离，结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光探头至水下地形的距离，然后通过测量小车结合测桥和导轨，测量模型试验中浅水三维地形。本发明的***结构简单，易于搭建，有利于推广使用；本发明的方法可以通过非接触式的测量方法快速精确测量模型试验中的浅水地形。
Description
技术领域
本发明涉及一种模型试验中测量浅水地形***及测量方法，具体涉及一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***及测量方法，属于河流海岸泥沙工程技术领域。
背景技术
由于水流运动机理的复杂性及天然河道边界的复杂多变，许多问题很难得出数学解析解，有些问题的解决甚至无一定的规律可循，模型试验一直是开展河流海岸研究的重要研究方法。在模型试验中，地形测量对于研究水流结构和泥沙运动规律具有重要影响，要在研究过程中不断取得新发现和新成果，先进的三维地形测量技术显得至关重要。
模型试验是基于相似理论，对河流进行实体模拟，并据此揭示河流运动的内在规律，为理论研究和工程设计提供科学依据的一种研究方法。物理模型是根据实际地形资料，根据相似理论按照一定的比尺缩小而成的，模型试验中水深通常较浅（十几公分左右），此外，测量时要求对地形的扰动小。
目前模型试验中的地形测量技术大致可分为接触式测量和非接触式测量两类，接触式地形仪主要包括：测针、光电反射式地形仪、电阻式地形仪、跟踪式地形仪等。由于测量时探头需要接触床面，测量效率和精度较低，而且对水流和地形都有一定的干扰，接触式地形仪逐渐被非接触式地形仪取代。非接触式地形仪主要有超声波地形仪，但当测量水下地形时超声波探头需要置于水下，并且有一定的测量盲区，当水深较浅时无法测量。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***及测量方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***，包括激光测距探头、超声波测距探头、测量小车、测距仪、传动电机、钢丝轮、导轨、测桥、模型水面、模型水下地形和测量控制及数据处理装置，所述激光测距探头和超声波测距探头并排且相互平行固定在测量小车上，激光测距探头和超声波测距探头均垂直固定于模型水面上方；所述导轨和测桥均位于水平面方向上，测桥的方向与导轨的方向相互垂直，所述传动电机结合钢丝轮驱动测量小车在测桥上移动，所述测桥在导轨上自由移动，测距仪对测量小车进行定位；测量控制及数据处理装置控制测量小车（3）扫描水下地形并进行数据处理及显示。
作为优选，所述激光测距探头与超声波测距探头，采用高精度测距传感器，并保证垂直于水面放置，以消除水下激光折射的影响。
本发明还公开了一种基于上述测量***的测量方法，包括以下步骤：
开启测量控制及数据处理装置，测量控制及数据处理装置控制测量小车扫描测量区域：测量小车在测桥上移动，测桥在导轨上自由移动，测距仪对测量小车进行定位，设定沿测桥）的方向为x轴，沿导轨）方向为y轴，垂直于水平面的方向为z轴，获取测量小车的x轴坐标和y轴坐标；
激光测距探头发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形，超声波测距探头测量从探头至模型水面的距离，测量控制及数据处理装置结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光测距探头至水下地形的距离，获取z轴坐标；
测量控制及数据处理装置采集三维测量数据进行分析处理，实时测量并显示浅水地形的图像。
有益效果：本发明的一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***，结构简单，易于搭建，有利于推广使用；由于模型试验中水深较浅，激光测距探头发射激光可穿透空气、水两种介质到达水下地形，超声波测距探头测量从探头至模型水面的距离，结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光探头至水下地形的距离，测量控制及数据处理装置控制测量小车在测桥上移动，测桥在导轨上自由移动，并通过测距仪进行定位，采集三维测量数据进行分析处理，实现通过非接触式的方法扫描测量模型试验中浅水地形，这种方法可以通过非接触式的测量方法快速精确测量模型试验中的浅水地形。
附图说明
图1为本发明的模型试验中浅水地形的非接触式测量***示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种水流中流迹线的动态显示***，包括激光测距探头1、超声波测距探头2、测量小车3、测距仪4、传动电机5、钢丝轮6、导轨7、测桥8、模型水面9、模型水下地形10和测量控制及数据处理装置11，激光测距探头1和超声波测距探头2并排且平行固定在测量小车3上，激光测距探头1和超声波测距探头2均垂直固定于模型水面9上方；导轨7和测桥8均位于水平面方向上，测桥8的方向与导轨7的方向相互垂直，传动电机5结合钢丝轮6驱动测量小车3在测桥8上移动，测桥8在导轨7上自由移动，测距仪4对测量小车3进行定位；测量控制及数据处理装置11控制测量小车3扫描水下地形10并进行数据处理及显示。
本实施例中，测量控制及数据处理装置11包括测量控制模块、数据处理模块和三维显示模块，具体包括数据线、电源线、PLC控制器、电脑、测量控制及数据处理软件。
物理模型是根据天然河流按照一定比尺缩小而成的实体模型，是在河流海岸中航道整治、河流治理等关键问题中，用以模拟河道水流泥沙运动及河床演变情况的一种重要研究手段，而采用非接触的测量方法，测量模型水面9下的水下地形10至关重要。
本实施例中采用高精度激光测距探头1与超声波测距探头2，其中激光测距探头1精度≤0.1mm，超声波测距探头2精度≤0.5mm。
一种基于上述测量***的测量方法，包括以下步骤：
a）将激光测距探头、超声波测距探头、测距仪、传动电机等与PLC控制器、电脑等正确相连；
b）开启测量控制及数据处理装置11，测量控制及数据处理装置11控制测量小车3扫描测量区域：测量小车3在测桥8上移动，测桥8在导轨7上自由移动，测距仪4对测量小车3进行定位，设定沿测桥8的方向为x轴，沿导轨7方向为y轴，垂直于水平面的方向为z轴，获取测量小车3的x轴坐标和y轴坐标；
激光测距探头1发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形10，超声波测距探头2测量从探头至模型水面9的距离，测量控制及数据处理装置11结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光测距探头1至水下地形10的距离，获取z轴坐标；
c）测量控制及数据处理装置11采集三维测量数据进行分析处理，实现通过非接触式的方法扫描测量模型试验中浅水地形，主要包括以下步骤：
1)同步采集激光测距探头1的测量数据Hl和超声波测距探头2的测量数据Hu，Hu为探头离模型水面9的距离；
2)计算激光探头1至水下地形10的实际距离:H=Hu＋(Hl－Hu)／n，n为激光在水中的折射率；
3)结合水平方向的定位数据，输出每个扫描点的三维坐标（x,y,z），并结合计算机三维显示技术DirectX，显示三维浅水地形10的图像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种模型试验中浅水地形的非接触式测量***的测量方法，其特征在于：该测量***包括激光测距探头(1)、超声波测距探头(2)、测量小车(3)、测距仪(4)、传动电机(5)、钢丝轮(6)、导轨(7)、测桥(8)、模型水面(9)、模型水下地形(10)和测量控制及数据处理装置(11)，所述激光测距探头(1)和超声波测距探头(2)并排且相互平行固定在测量小车(3)上，激光测距探头(1)和超声波测距探头(2)均垂直固定于模型水面(9)上方；所述导轨(7)和测桥(8)均位于水平面方向上，测桥(8)的方向与导轨(7)的方向相互垂直，所述传动电机(5)结合钢丝轮(6)驱动测量小车(3)在测桥(8)上移动，所述测桥(8)在导轨(7)上自由移动，测距仪(4)对测量小车(3)进行定位；测量控制及数据处理装置(11)控制测量小车(3)扫描水下地形(10)并进行数据处理及显示；
该测量方法包括以下步骤：
开启测量控制及数据处理装置(11)，测量控制及数据处理装置(11)控制测量小车(3)扫描测量区域：测量小车(3)在测桥(8)上移动，测桥(8)在导轨(7)上自由移动，测距仪(4)对测量小车(3)进行定位，设定沿测桥(8)的方向为x轴，沿导轨(7)方向为y轴，垂直于水平面的方向为z轴，获取测量小车(3)的x轴坐标和y轴坐标；
激光测距探头(1)发射激光穿透空气、水两种介质到达水下地形(10)，超声波测距探头(2)测量从探头至模型水面(9)的距离，测量控制及数据处理装置(11)结合激光在空气和水中的速度之比，计算出激光测距探头(1)至水下地形(10)的距离，获取z轴坐标；
测量控制及数据处理装置(11)采集三维测量数据进行分析处理，实时测量并显示浅水地形(10)的图像，包括以下步骤：
1)同步采集激光测距探头(1)的测量数据Hl和超声波测距探头(2)的测量数据Hu，Hu为探头离模型水面(9)的距离；
2)计算激光探头(1)至水下地形(10)的实际距离:H＝Hu+(Hl－Hu)/n，n为激光在水中的折射率；
3)结合水平方向的定位数据，输出每个扫描点的三维坐标(x,y,z)，并结合计算机显示三维浅水地形(10)的图像。
2.根据权利要求1所述的模型试验中浅水地形的非接触式测量***的测量方法，其特征在于：所述激光测距探头(1)精度≤0.1mm，超声波测距探头(2)精度≤0.5mm。
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