CN104482882A - 一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，包括控制器、激光发生器、光电探测器，所述激光发生器、光电探测器分别与所述控制器电连接；所述激光发生器到坝趾中心点的直线距离为大坝高度的1-1.5倍；所述激光发生器、坝趾中心点及光电探测器形成的夹角为15°-21°；所述激光发生器用于向水面发射近红外光以及向大坝发射蓝绿激光，所述光电探测器用于接收水面及大坝产生的反射光。本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，利用激光扫描探测技术，测量坝体溃决时间及发展过程，无需预埋再寻回传感器，节约了大量的人力和物力；另外，在测量过程中，着重抑制了信号噪声的影响，从而大幅提升了测量的精度，保证了测量结果的准确性。

Description

一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪及测量方法，属于漫顶溃坝试验技术领域。

背景技术

我国现拥有八万余座大坝，它们在发电、供水、灌溉、防洪、航运等方面发挥着巨大的社会经济价值。可如今极端水文事件显著增加，一旦引发大坝溃决，后果将十分严重。因此人们在充分利用天然水资源的同时，对于大坝的安全问题也越来越重视。

大坝库水漫顶是大坝溃决的主要原因，在我国，它占溃坝总数的比例超过了51%。而开展复杂水流条件下大坝漫顶溃决的机理研究，成为了提升我国灾害防御能力，保障社会经济发展，保护人民生命财产安全的重要需求。然而漫顶溃决过程十分复杂，涉及岩土力学、水力学、结构力学、泥沙运动理论等多个学科的交叉，这些问题依靠理论分析求解会遇到很大的困难，而溃坝模型试验在溃坝机理研究方面具有其它手段无可比拟的优越性。

目前是通过一种专用传感器来记录溃口变化，这种专用传感器由倾覆传感器及微处理器组成，用于记录该传感器被水流冲走的时间。大量的传感器被事先预埋在坝体的特定位置上，试验结束后，工作人员将其从下游河道内捡回，再将其中记录的信号读取出来，用以分析坝体溃决时间及发展过程。利用上述传感器来测量坝体溃决时间及发展过程，需要预先埋设大量传感器，以及在试验结束后寻回传感器，这一过程需要耗费大量人力物力，且效率低下。此外许多传感器在试验结束以后，被埋在泥沙下，也很难寻回。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪及测量方法，抑制后向散射信号，使得测量结果更精确。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，包括控制器、激光发生器、光电探测器，所述激光发生器、光电探测器分别与所述控制器电连接；所述激光发生器到坝趾中心点的直线距离为大坝高度的1-1.5倍；所述激光发生器、坝趾中心点及光电探测器形成的夹角为15°-21°；所述激光发生器用于向水面发射近红外光以及向大坝发射蓝绿激光，所述光电探测器用于接收水面及大坝产生的反射光。

进一步的，所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪还包括偏振片，所述偏振片的偏振方向与激光发生器发射的入射光的偏振方向正交，且水面及大坝产生的反射光经过偏振片后到达光电探测器。

进一步的，所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪还包括时间门控电路，所述时间门控电路与光电探测器连接，且水面及大坝产生的反射光经过时间门控电路后到达光电探测器。

优选的，所述控制器为AT89C52单片机。

一种漫顶溃坝试验中的溃口测量方法，利用如上所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪实现，利用所述激光发生器向水面发射近红外光以及向大坝发射蓝绿激光，两束光经水面及大坝反射产生反射光后传送给光电探测器，光电探测器接收两束反射光，并将接收的反射光信号转换成电信号传送给控制器，控制器对电信号进行处理，得到溃口形状。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，利用激光扫描探测技术，测量坝体溃决时间及发展过程，无需预埋再寻回，节约了大量的人力和物力。

2、本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，在测量过程中，着重抑制了信号噪声的影响，从而大幅提升了测量的精度，保证了测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪的结构示意图。

图2是本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪的布置图。

图3是本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪测量结果的处理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明采用激光扫描探测技术，但由于溃口被溃坝水流覆盖，溃坝水流中又存在大量的泥沙悬浮微粒，当发出的激光通过浑水介质时就会发生强烈的后向散射现象，当目标反射信号和后向散射信号一起被光电探测器接收时就会产生较强的噪声电平，足以淹没目标反射信号电平，因此抑制后向散射信号为本发明的重点内容。

如图1所示，为本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪的结构示意图，包括控制器、激光发生器、光电探测器，激光发生器、光电探测器分别与控制器电连接；激光发生器到坝趾中心点的直线距离为大坝高度的1-1.5倍；激光发生器、大坝中心点及光电探测器形成的夹角为15°-21°；激光发生器用于向水面发射近红外光以及向大坝发射蓝绿激光，光电探测器用于接收水面及大坝产生的反射光。

作为进一步的实施例，漫顶溃坝试验中的溃口测量仪还包括偏振片，偏振片的偏振方向与激光发生器发射的入射光的偏振方向正交，且水面及大坝产生的反射光经过偏振片后到达光电探测器。

作为进一步的实施例，漫顶溃坝试验中的溃口测量仪还包括时间门控电路，时间门控电路与光电探测器连接，且水面及大坝产生的反射光经过时间门控电路后到达光电探测器。

漫顶溃坝试验中溃口测量仪的主要原理如下：(1)激光发生器向溃坝水流发出两束不同波长的光束。一束为近红外光，这束光被水面反射，可以测量发射点与水面的距离。另一束为蓝绿激光，这束光透过水流介质，在大坝面反射，可以探测出发射点与水下大坝的距离。(2)由于溃坝水流中存在大量的泥沙悬浮微粒，激光通过浑水介质时会发生强烈的后向散射现象，为了抑制后向散射信号，本发明采用了三种措施。                                               由于溃口测量仪所观测的大坝位置固定，可以将光电探测器和激光发生器分离在较远的地方，并让接收视场具有一个合理的夹角，这样可以减少大量散射的光子被接收，提高目标的对比度以及灵敏度。由于散射光偏振方向与目标反射光偏振方向基本呈现正交关系，在光电探测器上加设偏振方向与光源偏振方向正交的偏振片，可以滤掉散射光，进一步提高目标对比度。由于散射光子与目标反射光子的路径不同，在光电探测器前增加时间门控电路，可以起到抑制后向散射光子的作用。(3)将扫描得到的点云数据进行处理，其中包括点云数据的合并、修剪、滤波。点云数据通过质量评价之后，将其按照格式数据导出，绘制三维图形。

如图2所示，为本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪的布置图，大坝位于河流的上游与下游之间，激光发生器、光电探测器分别固定于下游河床的适当位置，大坝的坝趾中心点(即图中点A的位置)，首先根据激光发生器到坝趾中心点的直线距离为大坝高度的1-1.5倍来确定激光发生器的位置，然后根据激光发生器、大坝中心点、光电探测器之间的角度来确定光电探测器的位置。

如图3所示，为本发明漫顶溃坝试验中的溃口测量仪测量结果的处理流程图，光电探测器将反射光信号转换成电信号传送给控制器后，控制器对电信号进行如下处理，包括原始数据扫描，数据合并，数据修剪以及滤波处理，判断经滤波处理后的数据质量是否符合要求，符合要求则将格式数据导出并绘制三维图形，不符合要求则继续修剪和滤波，并再次判断处理后的数据质量是否符合要求，直至得到符合要求的数据。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，其特征在于：包括控制器、激光发生器、光电探测器，所述激光发生器、光电探测器分别与所述控制器电连接；所述激光发生器到坝趾中心点的直线距离为大坝高度的1-1.5倍；所述激光发生器、坝趾中心点及光电探测器形成的夹角为15°-21°；所述激光发生器用于向水面发射近红外光以及向大坝发射蓝绿激光，所述光电探测器用于接收水面及大坝产生的反射光。

2.如权利要求1所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，其特征在于：所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪还包括偏振片，所述偏振片的偏振方向与激光发生器发射的入射光的偏振方向正交，且水面及大坝产生的反射光经过偏振片后到达光电探测器。

3.如权利要求1所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，其特征在于：所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪还包括时间门控电路，所述时间门控电路与光电探测器连接，且水面及大坝产生的反射光经过时间门控电路后到达光电探测器。

4.如权利要求1所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪，其特征在于：所述控制器为AT89C52单片机。

5.一种漫顶溃坝试验中的溃口测量方法，利用如权利要求1-3任一项所述漫顶溃坝试验中的溃口测量仪实现，其特征在于：利用所述激光发生器向水面发射近红外光以及向大坝发射蓝绿激光，两束光经水面及大坝反射产生反射光后传送给光电探测器，光电探测器接收两束反射光，并将接收的反射光信号转换成电信号传送给控制器，控制器对电信号进行处理，得到溃口形状。