CN109883479A - 一种定点悬挂式冰厚、水位一体化连续监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冰厚、水位一体化连续监测装置，属于水文监测技术领域。本发明的监测装置由避雷器、风力发电装置、三角钢塔、太阳能发电装置、安装基座、储能电池、回旋臂、空气耦合雷达传感器（内含发射机、接收机等）和集成控制箱（内含风光互补控制器、远程遥测开关、GPS模块、4G数传模块）等构成。安装连接完成，远程计算机通过GSM开启各控制模块，通过4G模块向雷达传感器发送相关参数，同时基于4G模块接收带有GPS时间标注的雷达图谱，根据雷达图谱记录的雷达波在空气中双程时间和在冰盖中双程时间∆t，利用公式（三）（四）自动计算雷达至冰盖上表面距离h和冰盖厚度∆h，利用公式（五）（六）自动计算冰盖上表面或自由水面高程H1和冰盖下表面高程H2。
Description
技术领域
本发明属于水利行业中水文监测技术领域，尤其涉及一种冰厚、水位一体化远程连续监测装置。
背景技术
冰厚是指河道冬季结冰形成冰盖后，冰层上表面至冰层下表面的垂直距离。我国北方地区冬季河道、湖泊易结冰形成冰盖，如黑龙江河道、松花江河道、黄河宁蒙段河道等。
冰厚监测一般借助于冰钻和冰尺来完成，监测平均冰厚和最大冰厚(以厘米为单位)，特别是特殊地形处及位置处的冰厚，如水文测验断面处、河道弯道处、涉河建筑物处等。而利用该技术监测冰厚的最大缺点在于需要人工打冰孔测量，费时费力、自动化程度低，不能连续监测，威胁人员安全，特别是冰盖较薄处和冰塞形成的不稳定冰盖处的冰厚监测。
现有的热电阻法监测冰厚技术是一种利用温度传感器监测冰层温度梯度来推求冰层厚度的自动监测技术，该技术需要提前埋设温度传感器，劳动强度较大，仅能监测稳定冰盖期冰厚，不利于冰厚生消全周期和冰厚水位一体化连续监测，还不利于同一地点冰厚多年连续监测。
现有的水位监测技术多采用水尺或26GHz雷达水位计，该技术只能远程监测水位变化过程），在凌汛期只能监测到冰层上表面高程变化，不能监测冰盖生消变化过程，以及冰下水位变化过程，不利于北方河道、湖泊水文多要素全周期不间断连续监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种定点悬挂式冰厚、水位一体化连续监测装置，应用该装置不仅可以在冰期监测冰表面高程、冰下水位及冰层厚度变化过程，而且还可以在非冰期监测自由水面变化过程，解决了北方河道、湖泊、渠道的冰厚、水位一体化监测难的问题，实现定点位置冰厚、水位变化全周期实时监测，为冰期和非冰期水文监测提供新模式和新技术。
本发明的技术方案如下。
一种定点悬挂式冰厚及水位一体化连续监测装置，主要包含避雷器（1）、风力发电装置（2）、三角钢塔（3）、太阳能发电装置（4）、安装基座（5）、储能电池（6）、回旋臂（7）、空气耦合雷达传感器（8）（以下简称“雷达”）、集成控制箱（9）等，其中。
所述集成控制箱（9）内安装有风光互补控制器（10）、远程遥测开关控制器（11）、GPS模块（12）、4G数传模块（13）等。
所述各组件安装及连接方式可参考附图1及附图2。
所述避雷器（1）可选用BLZ-800型避雷器，避雷器中圆球安装高度应比风力发电装置（2）的扇叶最高位置高出0.2m以上。
所述风力发电装置（2）选用何种输出功率采用公式（一）计算所得：
公式（一）
式中：P为输出功率（w）；ti为安装地区i级风月平均天数（d）；wi为安装地区i级风所对应的功率（w）。
所述（4）太阳能发电装置中选用何种型号电池板功率，可采用如下公式（二）计算所得：
公式（二）
其中：W为电池板功率（w）；A为全套装置平均每天耗电量（w/h）；C为容量系数；h为当地每天平均日照时间（h）；η1为组装损失因子；η2为温度损失因子；η3为灰尘遮蔽损失因子；η4为充放电损失因子；η5为输配电损失因子。
所述安装基座（5）采用浆砌石结构，埋于地面以下部分不少于1m。
所述储能电池（6）采用耐低温的硅能电池，安置在集中控制箱内（9）或者埋于基座内地面1m以下。
所述空气耦合雷达传感器（8）主要包含雷达控制器（14）、发射机（15）、接收机（16）、发射天线、接收电线、供电接口、数据接口等。
所述空气耦合雷达传感器（8）的探测冰厚工作方式如附图3，远程计算机通过4G数传模块（13）向雷达控制器发送相关参数（雷达波空气传播速度、冰介电常数、采样点数、采样频率、累加次数、采集间隔时间等），远程计算机自动计算雷达（8）底部中心至冰期冰盖上表面或非冰期自由水面的距离，再计算冰盖厚度，基于河道周边水准高程，将其数据分别换算成相应高程。
自动计算后的雷达至冰盖上表面的距离、冰厚数据和相应的雷达图谱，通过4G数传模块（13）回传至远程计算机。
所述空气耦合雷达传感器中（8）雷达控制器（14）将实现数据接口通讯、产生发射机触发信号、产生接收机步进取样时钟、接收机输出信号模数转换等功能，其内部工作时序见附图4。
所述空气耦合雷达传感器（8）中发射机（15）将选用雪崩三极管和SRD（阶跃恢复二极管）器件来构成脉冲源电路，其脉冲宽度和脉冲重复周期易于控制，且体积不大，适合定点悬挂于河道附近。
所述空气耦合雷达传感器（8）中接收机（16）将采用等效采样技术对信号进行降频处理，降频后的回波信号为音频信号，从而提高A/D转换器的转换速率，降低成本。
所述空气耦合雷达传感器（8）中的发射天线和接收天线，将采用Bow-tie天线或其变形结构UWB天线，实现超宽带特性，该类天线结构简单、体积小，适合悬挂于河道附近。
所述空气耦合雷达传感器（8）采用3个U型螺栓固定在回旋臂（7）末端。
所述集成控制箱（9）内主要包含风光互补控制器（10）、远程遥测开关（11）、GPS模块（12）、4G数传模块（13），同时集成控制箱内部各个模块位置布置及连接方式见附图2。
所述风光互补控制器（10）选用MPPT（最大功率点跟踪）控制器，该控制器能够追踪最高电压电流值，能够有效地协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，充电效率能够达到95%。其工作方式是风力发电装置（2）和太阳能发电装置（4）的电能通过风光互补控制器（10）传输入远程遥测开关（11）或储存于储能电池（6）中，同时储能电池（6）存储的电能可以在无光无风时通过风光互补控制器（10）传输入远程遥测开关（11）中。
所述远程遥测开关（11）可选用ST248-TAS型号控制器，其工作方式是通过GSM天线接收手机或电脑远程发射控制信号，来控制雷达（8）、GPS模块（12）、4G数传模块（13）的开启。
所述GPS模块（12）可选用GPS15xL 型号，作用是为雷达（8）提供秒脉冲信号（PPS）和时间信息，根据PPS信号可以进行计时，还能控制雷达（8）数据的采集间隔时间。另外GPS提供的时间信息也将记录在雷达（8）的回传数据中，将雷达回波数据打上时间标签，使得雷达数据可以根据时间回溯。
所述4G模块（13）可选用MZ382型号，它的作用是实现雷达（8）与远程计算机之间的远程无线通信，建立数据链接，采集的雷达数据实时回传至远程计算机，同时该型号4G模块还有WIFI功能，可现场通过WIFI功能连接雷达，测试雷达数据采集质量。
该发明的技术优势在于安装便捷、使用周期长、全年自动连续监测、非接触式监测冰盖厚度、减少人员冰上监测风险，其主要研发的中心频率为400MHz的空气耦合探冰雷达不需要接触冰盖表面，就可以在距离冰盖上表面15m的范围内进行探测冰盖厚度，不仅能探测冰盖生消变化过程，而且还能探测冰盖上表面至雷达的距离，从而监测冰盖的上下浮动，为结冰河道开河预警提供数据，另外还能在非凌汛期监测冰下水位的变化过程，可实现凌汛期及非凌汛期的冰盖生消和水位的原位全周期动态监测，为水文远程监测、观测提供新的模式和技术。
附图说明
附图1为发明装置中各部件安装位置示意图。
附图2 集成控制箱内部部件布置及连接方式。
附图3 空气耦合雷达工作方式图。
附图4 雷达控制器内部工作时序框图。
附图5等效取样接收机框图。
附图6 回旋臂构成示意图。
图中（1）为避雷器，（2）为风力发电装置，（3）为三角钢塔，（4）为太阳能发电装置，（5）为基座，（6）为储能电池，（7）为回旋臂，（8）为空气耦合雷达传感器，（9）为集中控制箱，（10）为风光互补控制器，（11）远程遥测开关，（12）为GPS模块，（13）为4G数传模块，（14）为雷达控制器，（15）为发射机，（16）为接收机，（17）为冰孔，（18）为河道冰盖，（19）为上拉线螺母，（20）为小口径悬臂钢管，（21）为长螺丝，（22）为大口径悬臂钢管，（23）为套管，（24）为阻滞环，（25）为下拉线螺母，（26）顶部拉线螺母。
具体实施方式
下面结合附图1-5，对本发明实施做详细说明。
本发明的一种冰厚、水位一体化监测装置，在具体应用时，实施步骤包括：该装置各组件预制及设备选购、该装置各组件现场安装、应用测试及打孔校准三个步骤。
步骤一：该装置各组件预制或选型。
采用组件预制及选型方式制作本发明的冰厚及水位一体化远程监测装置，该装置包含：避雷器（1）、风力发电装置（2）、三角钢塔（3）、太阳能发电装置（4）、安装基座（5）、储能电池（6）、回旋臂（7）、空气耦合雷达传感器（8）（以下简称“雷达”） 、和集成控制箱（9）九个组件。
a) 预制或选购避雷器（1），所预制或选购的避雷器总长度在20cm-40cm，球形，直径10cm，有三短一长避雷杆，三角形底座，便于安装在三角钢塔（3）顶部，安装高度应高于风力发电装置（2）扇叶最高位置0.2m以上。
b）选购风力发电装置（2），需要哪种输出功率的风力轮机，可采用公式（一）计算所得。
c）预制三角钢塔（3），所述三角钢塔由三根钢管和支撑杆构成，钢管直径50mm，横向支撑杆采用螺纹钢筋，直径18mm-25mm，横向支撑杆间距不大于20cm，三角钢塔一端2m范围内不设置横向支撑杆，这一侧埋入基座内，三根钢管构成等边三角形，边长50cm-60cm，三角钢塔顶部靠下部位1m处，焊接一个顶部拉线螺母（26），预留好安装风力发电装置（2）、太阳能发电装置（4）和集成控制箱（9）的孔洞。
d）选购太阳能发电装置（4），可采用公式（二）计算所需功率，来选购太阳能电池板尺寸。
e)选购储能电池（6），选用耐低温的硅能电池，可埋于基座内地面下1m，也可安装于集成控制箱（9）内，做保温防护措施。
f)预制回旋臂（7），外形类似横T型，长臂分别有一根直径45mm圆钢管（20）与一根是直径50mm圆钢管（22）嵌套构成，长度分别15m，连接处两根钢管每隔5cm打一个8mm孔洞，根据现场需要可调节悬臂长度，采用6mm螺纹长螺丝（21）穿入洞内进行长度调节，回旋臂的一端焊接套管（23），直径55mm，长度15cm，主要用于将回旋臂套入三角钢塔上，起到180度旋转的作用，另外在钢管（20）和钢管（22）的一端上下两侧各焊接一个直径5mm上拉线螺母（19）和下拉线螺母（25）。
步骤二：该装置各组件现场安装。
a)集成控制箱（9）内各组件安装连接，按照附图2所示连接方式分别安装风光互补控制器（10）、远程遥测开关（11）、GPS模块（12）、4G数传模块（13），并留足与外部设备连接的接线。
b）将避雷器（1）、风力发电装置（2）、太阳能发电装置（4）、集成控制箱（9）及回旋臂（7）依附图1所示位置安装于三角钢塔（3）上，其中回旋臂有套管（23）的一端套入三角钢塔的一根钢管内，且套管下侧三角钢塔的钢管上焊接一个阻滞环（24），防止回旋臂下坠，各组件按照附图2所示连线至集中控制箱（9）。
c）制作浆砌石基座（5），长宽高1.5m×1.5m×2.5m，其中埋于地面以下部分1m，所选位置应保证回旋臂距离最低水位不大于15m，制作过程中直接将组装好的三角钢塔预先埋入浆砌石基座内，同时在浆砌石基座一侧留一个可放置储能电池（6）的孔洞，基座（5）左右两侧各2.5m内各埋设一根长宽高0.3m×0.3m×1.5m的预制桩，埋于地面1m以下，用于固定回旋臂拉线。
d)用钢丝拉线将螺母（19）与螺母（26）连接起来，螺母（25）每个螺母上再连接2根拉线。
e）三角钢塔固定好后，将回旋臂拉向地面一侧，然后将空气耦合雷达传感器（8）用3个U型螺丝固定到回旋臂远离地面那端，同时连线至集中控制箱（9）。
步骤三：应用测试及打孔校准。
a）检查各连接线连接是否正确，若正确，通电检查各组件是否正常运行。
b）在雷达（8）中心位置用系一小铅锤，长度能使该铅锤到达冰盖上表面，回旋臂旋转至河道内冰盖（18）上空，远程计算机通过4G数传模块（13）向雷达控制器发送相关参数（常规冰的相对介电常数ε1、采样点数、采样频率、累加次数、采集间隔时间等），雷达图谱回传至远程计算机内，根据雷达图谱记录的雷达波在空气中时间t 和在冰盖中时间∆t，计算机利用公式（三）和公式（四）计算雷达至冰盖上表面的距离h和冰盖厚度∆h，根据附近高程基准点确定雷达（8）底部高程H0，再利用公式（五）和（六）计算冰盖上表面或自由水面高程H1和冰盖下表面高程H2;
公式（三）：
公式（四）：
公式（五）：
公式（六）：
式中：h为雷达至冰盖上表面的距离（cm）；t1为雷达波在空气中传播双程时间（ns）；Δh为冰盖厚度（cm）；C为雷达波在空气中传播速度（cm/ns）；ε为冰的相对介电常数；Δ为雷达波在冰盖中双程时间（ns）；H0为雷达（8）顶部高程（m）；H1为冰盖上表面高程或自由水面高程（m）；H2为冰盖下表面高程（m）。
c）利用铅锤测量雷达至冰盖上表面距离h，与雷达数据对比，根据对比结果，及时修正雷达波在空气中传播速度C。
d）打孔校准，在空气耦合雷达（8）正下方及两侧，用钻冰机各打一个直径15cm的冰孔（17），用冰尺测量三个冰孔的冰盖厚度，取平均值，根据实测冰盖厚度利用公式（四）反推监测点处冰的相对介电常数ε2，替换ε1。
e）设备及数据一切正常后，将连接螺母（25）的拉线固定至基座（5）两侧埋设的预制桩上。
Claims (3)
1.一种定点悬挂式冰厚、水位一体化连续监测装置，其特征在于，包括避雷器（1）、风力发电装置（2）、三角钢塔（3）、太阳能发电装置（4）、安装基座（5）、储能电池（6）、回旋臂（7）、空气耦合雷达传感器（8）（以下简称“雷达”）和集成控制箱（9）：其中，
所述避雷器（1）可选用BLZ-800型避雷器，避雷器中圆球安装高度应比风力发电装置（2）的扇叶最高位置高出0.2m以上；
所述三角钢塔（3）由三根钢管和横向支撑杆构成，三根钢管构成等边三角形，钢管直径50mm，横向支撑杆采用螺纹钢筋，间距不大于20cm，三角钢塔埋于基座内；
所述安装基座（5）采用浆砌石结构，埋于地面以下部分不少于1m；
所述储能电池（6）采用耐低温的硅能电池，安置在集中控制箱内（9）或者埋于基座内地面1m以下；
所述回旋臂（7）由两根大小不同钢管构成，直径分别45mm、50mm，每根各15m，嵌套方式连接，连接部位处两根钢管每隔5cm打一个8mm直径孔，再采用6mm直径长螺丝（21）将两根钢管固定，回旋臂一端焊接一个与回旋臂横杆垂直的套管（23），直径55m，长度15cm，回旋臂套管（23）套入至三角钢塔的一个钢管后，在该套管（23）下部三角钢塔钢管焊接一个阻滞环（24）。
2.根据权利要求1所述空气耦合雷达传感器（8），其特征在于，主要包含雷达控制器（14）、发射机（15）、接收机（16）、发射天线、接收电线、供电接口、数据接口等；
所述空气耦合雷达传感器（8）的探测冰厚工作方式如附图3，远程计算机通过4G数传模块（13）向雷达控制器发送相关参数（雷达波空气传播速度、冰介电常数、采样点数、采样频率、累加次数、采集间隔时间等），远程计算机自动计算雷达（8）底部中心至冰期冰盖上表面或非冰期自由水面的距离，再计算冰盖厚度，基于河道周边水准高程，将其相应数据分别换算成相应高程；
所述空气耦合雷达传感器中（8）雷达控制器（14）将实现数据接口通讯、发射机触发信号、接收机步进取样时钟、接收机输出信号模数转换等功能，其内部工作时序见附图4；
所述空气耦合雷达传感器（8）中发射机（15）选用雪崩三极管和SRD器件来构成脉冲源电路，其脉冲宽度和脉冲重复周期易于控制，且体积不大，适合定点悬挂于河道附近；
所述空气耦合雷达传感器（8）中接收机（16）采用等效采样技术对信号进行降频处理技术，降频后回波信号为音频信号，从而提高A/D转换器的转换速率，降低成本；
所述空气耦合雷达传感器（8）中发射天线和接收天线，采用Bow-tie天线或其变形结构UWB天线，实现超宽带特性，该类天线结构简单、体积小，适合悬挂于河道附近；
所述空气耦合雷达传感器（8）采用3个U型螺栓固定在回旋臂（7）末端1m范围内。
3.根据权利要求1所述集成控制箱（9），其特征在于，主要包含风光互补控制器（10）、远程遥测开关（11）、GPS模块（12）、4G数传模块（13），同时集成控制箱内部各个模块位置布置及连接方式如附图2；
所述风光互补控制器（10）选用MPPT（最大功率点跟踪）控制器，该控制器能够追踪最高电压电流值，能够有效地协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，充电效率能够达到95%；
所述风光互补控制器（10）其工作方式是风力发电装置（2）和太阳能发电装置（4）的电能通过风光互补控制器（10）传输入远程遥测开关（11）或储存于储能电池（6）中，同时储能电池（6）存储的电能可以在无光无风时通过风光互补控制器（10）传输入远程遥测开关（11）中；
所述远程遥测开关（11）可选用ST248-TAS型号控制器，其工作方式是通过GSM天线接收手机或电脑远程发射控制信号，来控制雷达（8）、GPS模块（12）、4G数传模块（13）的开启；
所述GPS模块（12）可选用GPS15xL 型号，作用是为雷达（8）提供秒脉冲信号（PPS）和时间信息，根据PPS信号可以进行计时，还能控制雷达（8）数据的采集间隔时间；
另外GPS提供的时间信息也将记录在雷达（8）的回传数据中，将雷达回波数据打上时间标签，使得雷达数据可以根据时间回溯；
所述4G数传模块（13）可选用MZ382型号，作用是实现雷达（8）与远程计算机之间的远程无线通信，建立数据链接，采集的雷达图谱数据实时回传至远程计算机，同时该型号4G模块还有WIFI功能，可现场通过WIFI功能连接雷达（8），测试雷达数据采集质量。
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