曲金秋，宗 澤，褚澤帆，朱健勇，王 猛

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

我國(guó)水安全保障體系和國(guó)家水資源監(jiān)控體系的推進(jìn)，對(duì)流速流量的測(cè)量方法和測(cè)量精度提出了更高的要求[1]。時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)在水利水文河渠流量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，是常用的高精度流量監(jiān)測(cè)儀器之一，為江河湖庫(kù)流量宏觀調(diào)控和生態(tài)流量管控提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

借助超聲波實(shí)現(xiàn)水位、流速和流量等水文要素的在線監(jiān)測(cè)是目前主流的研究方向[2-4]，水文要素的主要測(cè)量?jī)x器包含走航式或定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）、超聲波測(cè)深儀、時(shí)差法流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三種[5-7]。目前超聲波時(shí)差法流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，其對(duì)于國(guó)內(nèi)水文特征復(fù)雜的河流流量監(jiān)測(cè)存在缺陷，運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、信號(hào)中斷等問題[8]。因此，研發(fā)出自動(dòng)化、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)具有重要意義。

時(shí)差法測(cè)流常用的流速計(jì)算模型為均勻流假設(shè)計(jì)算模型[9-10]，對(duì)于管道和小型渠道應(yīng)用尚可，但對(duì)于較寬河渠，由于糙率、摩擦力和勢(shì)能等共同作用，在不同起點(diǎn)距的流速有較大差異，河道越寬，此現(xiàn)象越明顯[11-12]。因此，文中提出一種非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算模型，該模型在較寬河道中可解算出更準(zhǔn)確的流速。基于該模型的推導(dǎo)，采用任務(wù)管理能力強(qiáng)、性價(jià)比高的ARM 處理器和并行運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)行速率高的FPGA 處理器[13-15]，設(shè)計(jì)專用的硬件平臺(tái)，進(jìn)行模型算法的開發(fā)，并將其在時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)中做嵌入式應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

文中系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，分別安裝于河流兩岸，主機(jī)和從機(jī)通過射頻電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制安裝于水下的超聲波傳感器發(fā)射和接收聲信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)模型解算，實(shí)現(xiàn)流速、流量的監(jiān)測(cè)，可同時(shí)外接水位計(jì)、水溫傳感器等，用于獲取水位、定點(diǎn)水溫等水文數(shù)據(jù)。因此，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算模型算法、專用的硬件設(shè)備和可實(shí)現(xiàn)算法的軟件平臺(tái)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

主機(jī)和從機(jī)結(jié)構(gòu)近似，包含水上的機(jī)箱和水下的超聲波傳感器，機(jī)箱和傳感器通過電纜相連，機(jī)箱內(nèi)硬件設(shè)備為可拆分式層級(jí)結(jié)構(gòu)，由供電裝置、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)處理、遠(yuǎn)程通信、顯控等幾部分構(gòu)成。非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算模型算法需在軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，然后將此軟件平臺(tái)移植于硬件設(shè)備中。在系統(tǒng)開發(fā)階段，將超聲波傳感器置于30 m 寬的河道兩側(cè)的水下1 m 深處，并呈一定夾角，通過對(duì)比真實(shí)流速和該系統(tǒng)測(cè)得的流速驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，河流的流速為非均勻流態(tài)，因此為了提高該系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)了非均勻流場(chǎng)下的流速模型算法，并設(shè)計(jì)專用的硬件設(shè)備，而后搭建軟件平臺(tái)以供算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的解算。硬件設(shè)備包含數(shù)據(jù)處理板、信號(hào)處理板、電源轉(zhuǎn)換板和液晶顯示器，數(shù)據(jù)處理板采用ARM 核心模塊加底板的結(jié)構(gòu)，信號(hào)處理板采用ARM+FPGA核心模塊加底板的結(jié)構(gòu)。為了滿足該系統(tǒng)的功能要求，底板均劃分為多個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)可用于明渠和大江大河的流速、流量和水位等水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)于液晶顯示屏或Web界面顯示。

2 算法設(shè)計(jì)

對(duì)非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算模型的推導(dǎo)可建立在均勻流場(chǎng)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上。

2.1 均勻流場(chǎng)流速模型算法設(shè)計(jì)

在河流上、下游固定點(diǎn)之間，超聲波在順流和逆流傳播時(shí)產(chǎn)生時(shí)間差，測(cè)出時(shí)間差即可測(cè)得水流平均速度[16]，原理如圖2 所示。

圖2 超聲波時(shí)差法測(cè)流原理圖

將一對(duì)超聲波發(fā)射/接收傳感器分別安裝在兩岸上下游A 和B 處，兩個(gè)超聲波傳感器的安裝角度為θ，它們之間的直線距離為L(zhǎng)，河道寬度為D。流速不為0 時(shí)，到達(dá)超聲波接收傳感器的超聲波信號(hào)是超聲波波束中與軸線有一定夾角δ的信號(hào)。

用c表示超聲波聲速的大小，u表示河流的速度，假設(shè)水流沿著x方向，則流速，流速隨著河道位置變化，因而與y有關(guān)。假設(shè)u＜＜c，順流時(shí)超聲波到達(dá)對(duì)岸耗時(shí)t1，逆流時(shí)耗時(shí)t2，則根據(jù)兩者時(shí)間差可計(jì)算河流平均速度。

聲線滿足的動(dòng)力學(xué)方程為：

為慢度矢量，方向?yàn)槁暡ǖ膫鞑シ较颍笮樗俣鹊牡箶?shù)，滿足的方程為：

定義兩個(gè)無量綱的量：

超聲波收發(fā)傳感器位于同一水平面，此時(shí)聲速不隨位置變化，即?c=0，可得sx=const，sz=0，根據(jù)式（2）和（3）可得s的y分量：

代入式（1），可得：

l為聲線在水平方向所走過的距離，對(duì)安裝角度為45°角的情況，l=D，經(jīng)過積分，利用河道寬度和安裝角度等已知量可以確定常數(shù)ω的大小。由式（5）可得出：

超聲波收發(fā)傳感器安裝角度θ滿足tanθ=D/l。若已知0 ＜θ＜π/2 及β=β(y)的具體函數(shù)形式，則通過級(jí)數(shù)展開近似求解，可以得出一階近似解。

對(duì)均勻流速情況，ux=u0，利用式（6）消去ω可以得到：

由順流時(shí)(u0＞0) 超聲波傳輸時(shí)間t1和逆流時(shí)(u0＜0)超聲波傳輸時(shí)間t2可以解出河流速度：

式（8）為均勻流場(chǎng)下流速的嚴(yán)格解。

2.2 非均勻流場(chǎng)流速模型算法設(shè)計(jì)

在非均勻流場(chǎng)情況下，考慮水中聲速c為1 500 m/s，水流速度0～10 m/s，因此β＜＜1。所以下面僅需考慮β的一階項(xiàng)，忽略高階項(xiàng)。

根據(jù)式（6）可算出聲波的傳輸時(shí)間t為：

由此可見，由t、l、D和c就可以確定平均速度。但是，水中的聲速對(duì)溫度變化較敏感，比如當(dāng)水溫從0～40 ℃變化時(shí)，聲速在1 400～1 500 m/s 范圍內(nèi)變化。所以分別測(cè)量順?biāo)湍嫠某暡▊鞑r(shí)間，從而消除c的影響，直接計(jì)算得到平均流速的值。在式(9)中，由順流時(shí)(ux＞0)超聲波運(yùn)行時(shí)間t1和逆流時(shí)(ux＜0)超聲波運(yùn)行時(shí)間t2可以計(jì)算得到非均勻流場(chǎng)下流體的平均速度：

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)非均勻流場(chǎng)下的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且滿足其實(shí)用性要求，開發(fā)了專用的硬件電路平臺(tái)，并將非均勻流場(chǎng)流速算法代碼化和模塊化后移植于時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)中做嵌入式應(yīng)用。

3.1 硬件原理圖設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件包含分別置于河流兩岸的主機(jī)與從機(jī)，主、從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)一致，均為數(shù)據(jù)處理板、信號(hào)處理板加電源轉(zhuǎn)換板的可拆分式層級(jí)結(jié)構(gòu)，具體模塊劃分如圖3 所示。數(shù)據(jù)處理板主要用于實(shí)現(xiàn)主從機(jī)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、水位信息采集、與信號(hào)處理板通信、液晶顯示及模型計(jì)算等功能。信號(hào)處理板主要用于驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)送聲波、接收處理信號(hào)、測(cè)量時(shí)差、記錄波形數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理板通信等功能。電源轉(zhuǎn)換板主要用于提供各模塊所需的不同電壓和整機(jī)電源管理。數(shù)據(jù)處理板的ARM核心模塊型號(hào)為FETMX6UL，信號(hào)處理板的ARM+FPGA 核心模塊型號(hào)為MZ7020。

圖3 硬件模塊劃分圖

3.1.1 降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

電路中比較重要的降壓轉(zhuǎn)換電路為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V電路。該系統(tǒng)的SD 卡存儲(chǔ)電路、RTC 時(shí)鐘電路和以太網(wǎng)通信電路等均需要3.3 V 供電，因此需要將上級(jí)5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 用于模塊供電，電路設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 降壓轉(zhuǎn)換電路

U34 為電壓轉(zhuǎn)換芯片，5 V 輸入電源經(jīng)過自恢復(fù)保險(xiǎn)及防反接電路，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為三路3.3 V，這三路3.3 V 電壓分別給不同模塊供電。PMIC_ON_REQ 引腳和PERI_PWREN 引腳為ARM 核心板引腳，通過控制這兩個(gè)引腳的高低電平控制MOS 管的通斷，進(jìn)而控制三路3.3 V 的輸出與否，保證了核心板先上電，其他模塊后上電。

3.1.2 串口通信電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要接入水位計(jì)、超聲波傳感器等外接傳感器，這些傳感器的接口多為RS485，RS485 接口具有節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)和抗共模干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，因此該系統(tǒng)使用RS485 串口方式實(shí)現(xiàn)與水位計(jì)、超聲波傳感器等傳感器的通信。電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 RS485串口通信電路

U16 為RS485 芯片，實(shí)現(xiàn)TTL 信號(hào)與RS485 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，4、5 引腳分別控制芯片的接收和發(fā)送狀態(tài)，芯片的常態(tài)為接收狀態(tài)，只有當(dāng)4、5 引腳均為高電平時(shí)，芯片才處于發(fā)送狀態(tài)。黑色矩形框內(nèi)為零延遲狀態(tài)切換設(shè)計(jì)，可以保證芯片在發(fā)送完數(shù)據(jù)后及時(shí)切換回接收狀態(tài)。此RS485 串口電路具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速度快等特點(diǎn)，有助于與水位計(jì)、超聲波傳感器等傳感器的及時(shí)通信。

3.2 硬件調(diào)試

該系統(tǒng)的硬件調(diào)試分兩步，先將各模塊按功能進(jìn)行功能調(diào)試，然后將軟件平臺(tái)移植后進(jìn)行總體調(diào)試。將數(shù)據(jù)處理板、信號(hào)處理板和電源轉(zhuǎn)換板按順序組裝，先對(duì)SD 卡電路的存儲(chǔ)功能、以太網(wǎng)電路的傳輸功能、GPS 電路的校時(shí)功能、液晶電路的顯示功能和其他各電路的不同功能進(jìn)行模塊化功能調(diào)試；然后將實(shí)現(xiàn)了非均勻流場(chǎng)下流量計(jì)算的軟件平臺(tái)移植于硬件設(shè)備中，得到完整的非均勻流場(chǎng)下的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)。

4 軟件平臺(tái)的搭建

非均勻流場(chǎng)下的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)需要搭建可實(shí)現(xiàn)非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算模型算法的軟件平臺(tái)，并移植于自主設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備中，獲得當(dāng)前流場(chǎng)的流速，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，以實(shí)現(xiàn)完整的非均勻流場(chǎng)下的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)。軟件平臺(tái)的搭建主要分為非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算、傳感器信息采集、FPGA 信息交互和斷面流量計(jì)算四部分，軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.1 非均勻流場(chǎng)流速計(jì)算

根據(jù)非均勻流場(chǎng)下流速算法設(shè)計(jì)軟件流程并編寫代碼，流程如圖7 所示。主、從機(jī)系統(tǒng)初始化完成后，主機(jī)側(cè)執(zhí)行測(cè)量指令，向從機(jī)側(cè)發(fā)送超聲波信號(hào)，從機(jī)獲取超聲波信號(hào)后進(jìn)行解析，提取出傳輸時(shí)間t1并回傳給主機(jī)；從機(jī)側(cè)執(zhí)行測(cè)量指令向主機(jī)側(cè)發(fā)送超聲波信號(hào)，主機(jī)獲取超聲波信號(hào)后進(jìn)行解析，提取出傳輸時(shí)間t2，并讀取已知的河寬D和夾角θ，最后根據(jù)式（10）計(jì)算出層流速。

圖7 算法軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 傳感器信息采集

超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)的傳感器包含收發(fā)超聲波信號(hào)的超聲波傳感器、測(cè)溫的溫度傳感器和測(cè)量水位的水位計(jì)，其中溫度傳感器內(nèi)置于超聲波傳感器中。

水位計(jì)定期采集水位信息，超聲波傳感器受脈沖信號(hào)控制，當(dāng)信號(hào)處理板接收到脈沖信號(hào)后，控制超聲波傳感器發(fā)射并接收信號(hào)、標(biāo)記時(shí)間和采集溫度，然后將測(cè)量結(jié)果回傳給信號(hào)處理板，從而獲取流速、溫度和水位等水文數(shù)據(jù)。

4.3 FPGA信息交互

ARM 微處理器通過SPI 與FPGA 交互通信，控制FPGA 在發(fā)射超聲波信號(hào)后，利用收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)，將超聲波傳感器從發(fā)射狀態(tài)切換到接收狀態(tài)，并控制FPGA 處理時(shí)間序列，獲取處理后的時(shí)間信息。超聲波發(fā)射信號(hào)采用調(diào)制的方式，超聲波傳感器發(fā)送特定變化規(guī)律的調(diào)制信號(hào)調(diào)制載波，使得已調(diào)信號(hào)頻率接近超聲波發(fā)射傳感器固有頻率，并在其有效工作特性范圍內(nèi)。

4.4 斷面流量計(jì)算

斷面流量計(jì)算主要實(shí)現(xiàn)斷面面積以及平均流速的計(jì)算，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)流量擬合。

測(cè)量斷面上重要垂線的數(shù)據(jù)和斷面寬度數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)處理擬合關(guān)系方程計(jì)算出斷面面積。根據(jù)歷史資料、現(xiàn)場(chǎng)率定數(shù)據(jù)及儀器安裝位置，建立層流速與斷面平均流速的關(guān)系模型，計(jì)算出平均流速。根據(jù)斷面面積和平均流速求出斷面流量。

5 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

該系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于南京、重慶和攀枝花等多個(gè)水文站點(diǎn)，用于對(duì)流速、流量測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。以重慶泰安水文站為例說明該系統(tǒng)的運(yùn)行及測(cè)試情況，重慶泰安水文站的河流兩岸裝有主從機(jī)、太陽(yáng)能及裝有硬件設(shè)備的機(jī)箱。

太陽(yáng)能給機(jī)柜內(nèi)的電池充電，機(jī)柜內(nèi)的硬件設(shè)備控制安裝于河兩岸水下的超聲波傳感器收發(fā)信號(hào)，經(jīng)過解算后求解出流速和流量，通過設(shè)備自帶的液晶顯示屏顯示或通過網(wǎng)絡(luò)上傳至Web展示界面。

分別在清、渾、低、中、高水期間進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。通過ADCP 所測(cè)流量與該系統(tǒng)所測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比，圖8 所示為2020 年6 月份的比測(cè)結(jié)果圖，由圖8 可知，數(shù)據(jù)一致性較好。

圖8 該系統(tǒng)與ADCP所測(cè)流量對(duì)比圖

在檢測(cè)期間監(jiān)測(cè)到洪峰過程，通過和纜道流速儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)對(duì)比，流量誤差小于4%。經(jīng)過數(shù)月的數(shù)據(jù)比測(cè)發(fā)現(xiàn)，文中系統(tǒng)符合非均勻流場(chǎng)下的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性要求。

6 結(jié)論

文中針對(duì)非均勻流下流速、流量監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)和要求，進(jìn)行了非均勻流場(chǎng)下的超聲波時(shí)差法測(cè)流系統(tǒng)的流速算法設(shè)計(jì)、軟件平臺(tái)搭建和硬件設(shè)備設(shè)計(jì)。對(duì)完整的系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行后，通過比測(cè)結(jié)果證明該系統(tǒng)在明渠和大江大河中，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)用性高，在河流流速、流量監(jiān)測(cè)裝備中有很大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣泛。