一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，包括控制器、激光發(fā)生器、光電探測器，所述激光發(fā)生器、光電探測器分別與所述控制器電連接；所述激光發(fā)生器到壩趾中心點(diǎn)的直線距離為大壩高度的1-1.5倍；所述激光發(fā)生器、壩趾中心點(diǎn)及光電探測器形成的夾角為15°-21°；所述激光發(fā)生器用于向水面發(fā)射近紅外光以及向大壩發(fā)射藍(lán)綠激光，所述光電探測器用于接收水面及大壩產(chǎn)生的反射光。本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，利用激光掃描探測技術(shù)，測量壩體潰決時(shí)間及發(fā)展過程，無需預(yù)埋再尋回傳感器，節(jié)約了大量的人力和物力；另外，在測量過程中，著重抑制了信號(hào)噪聲的影響，從而大幅提升了測量的精度，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀及測量方法，屬于漫頂潰壩試驗(yàn)技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國現(xiàn)擁有八萬余座大壩，它們在發(fā)電、供水、灌溉、防洪、航運(yùn)等方面發(fā)揮著巨大 的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。可如今極端水文事件顯著增加，一旦引發(fā)大壩潰決，后果將十分嚴(yán)重。因 此人們在充分利用天然水資源的同時(shí)，對于大壩的安全問題也越來越重視。
[0003] 大壩庫水漫頂是大壩潰決的主要原因，在我國，它占潰壩總數(shù)的比例超過了 51%。 而開展復(fù)雜水流條件下大壩漫頂潰決的機(jī)理研宄，成為了提升我國災(zāi)害防御能力，保障社 會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要需求。然而漫頂潰決過程十分復(fù)雜，涉及巖土力 學(xué)、水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)理論等多個(gè)學(xué)科的交叉，這些問題依靠理論分析求解會(huì)遇 到很大的困難，而潰壩模型試驗(yàn)在潰壩機(jī)理研宄方面具有其它手段無可比擬的優(yōu)越性。
[0004] 目前是通過一種專用傳感器來記錄潰口變化，這種專用傳感器由傾覆傳感器及微 處理器組成，用于記錄該傳感器被水流沖走的時(shí)間。大量的傳感器被事先預(yù)埋在壩體的特 定位置上，試驗(yàn)結(jié)束后，工作人員將其從下游河道內(nèi)撿回，再將其中記錄的信號(hào)讀取出來， 用以分析壩體潰決時(shí)間及發(fā)展過程。利用上述傳感器來測量壩體潰決時(shí)間及發(fā)展過程，需 要預(yù)先埋設(shè)大量傳感器，以及在試驗(yàn)結(jié)束后尋回傳感器，這一過程需要耗費(fèi)大量人力物力， 且效率低下。此外許多傳感器在試驗(yàn)結(jié)束以后，被埋在泥沙下，也很難尋回。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀及測量方 法，抑制后向散射信號(hào)，使得測量結(jié)果更精確。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案： 一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，包括控制器、激光發(fā)生器、光電探測器，所述激 光發(fā)生器、光電探測器分別與所述控制器電連接；所述激光發(fā)生器到壩趾中心點(diǎn)的直線 距離為大壩高度的1-1. 5倍；所述激光發(fā)生器、壩趾中心點(diǎn)及光電探測器形成的夾角為 15° -2Γ;所述激光發(fā)生器用于向水面發(fā)射近紅外光以及向大壩發(fā)射藍(lán)綠激光，所述光電 探測器用于接收水面及大壩產(chǎn)生的反射光。
[0007] 進(jìn)一步的，所述漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀還包括偏振片，所述偏振片的偏振 方向與激光發(fā)生器發(fā)射的入射光的偏振方向正交，且水面及大壩產(chǎn)生的反射光經(jīng)過偏振片 后到達(dá)光電探測器。
[0008] 進(jìn)一步的，所述漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀還包括時(shí)間門控電路，所述時(shí)間門 控電路與光電探測器連接，且水面及大壩產(chǎn)生的反射光經(jīng)過時(shí)間門控電路后到達(dá)光電探測 器。
[0009] 優(yōu)選的，所述控制器為AT89C52單片機(jī)。
[0010] -種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量方法，利用如上所述漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量 儀實(shí)現(xiàn)，利用所述激光發(fā)生器向水面發(fā)射近紅外光以及向大壩發(fā)射藍(lán)綠激光，兩束光經(jīng)水 面及大壩反射產(chǎn)生反射光后傳送給光電探測器，光電探測器接收兩束反射光，并將接收的 反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給控制器，控制器對電信號(hào)進(jìn)行處理，得到潰口形狀。
[0011] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果： 1、本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，利用激光掃描探測技術(shù)，測量壩體潰決時(shí)間 及發(fā)展過程，無需預(yù)埋再尋回，節(jié)約了大量的人力和物力。
[0012] 2、本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，在測量過程中，著重抑制了信號(hào)噪聲的 影響，從而大幅提升了測量的精度，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀的布置圖。
[0015] 圖3是本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀測量結(jié)果的處理流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0017] 本發(fā)明采用激光掃描探測技術(shù)，但由于潰口被潰壩水流覆蓋，潰壩水流中又存在 大量的泥沙懸浮微粒，當(dāng)發(fā)出的激光通過渾水介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的后向散射現(xiàn)象，當(dāng)目 標(biāo)反射信號(hào)和后向散射信號(hào)一起被光電探測器接收時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲電平，足以淹沒 目標(biāo)反射信號(hào)電平，因此抑制后向散射信號(hào)為本發(fā)明的重點(diǎn)內(nèi)容。
[0018] 如圖1所示，為本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖，包括控制器、 激光發(fā)生器、光電探測器，激光發(fā)生器、光電探測器分別與控制器電連接；激光發(fā)生器到壩 趾中心點(diǎn)的直線距離為大壩高度的1-1. 5倍；激光發(fā)生器、大壩中心點(diǎn)及光電探測器形成 的夾角為15° -2Γ;激光發(fā)生器用于向水面發(fā)射近紅外光以及向大壩發(fā)射藍(lán)綠激光，光電 探測器用于接收水面及大壩產(chǎn)生的反射光。
[0019] 作為進(jìn)一步的實(shí)施例，漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀還包括偏振片，偏振片的偏 振方向與激光發(fā)生器發(fā)射的入射光的偏振方向正交，且水面及大壩產(chǎn)生的反射光經(jīng)過偏振 片后到達(dá)光電探測器。
[0020] 作為進(jìn)一步的實(shí)施例，漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀還包括時(shí)間門控電路，時(shí)間 門控電路與光電探測器連接，且水面及大壩產(chǎn)生的反射光經(jīng)過時(shí)間門控電路后到達(dá)光電探 測器。
[0021] 漫頂潰壩試驗(yàn)中潰口測量儀的主要原理如下：（1)激光發(fā)生器向潰壩水流發(fā) 出兩束不同波長的光束。一束為近紅外光，這束光被水面反射，可以測量發(fā)射點(diǎn)與水面 的距離。另一束為藍(lán)綠激光，這束光透過水流介質(zhì)，在大壩面反射，可以探測出發(fā)射點(diǎn) 與水下大壩的距離。（2)由于潰壩水流中存在大量的泥沙懸浮微粒，激光通過渾水介 質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的后向散射現(xiàn)象，為了抑制后向散射信號(hào)，本發(fā)明采用了三種措施。 :;由于潰口測量儀所觀測的大壩位置固定，可以將光電探測器和激光發(fā)生器分離在較遠(yuǎn)的 地方，并讓接收視場具有一個(gè)合理的夾角，這樣可以減少大量散射的光子被接收，提高目標(biāo) 的對比度以及靈敏度。f由于散射光偏振方向與目標(biāo)反射光偏振方向基本呈現(xiàn)正交關(guān)系， 在光電探測器上加設(shè)偏振方向與光源偏振方向正交的偏振片，可以濾掉散射光，進(jìn)一步提 高目標(biāo)對比度。至由于散射光子與目標(biāo)反射光子的路徑不同，在光電探測器前增加時(shí)間門 控電路，可以起到抑制后向散射光子的作用。（3)將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中包 括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的合并、修剪、濾波。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過質(zhì)量評(píng)價(jià)之后，將其按照格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制 三維圖形。
[0022] 如圖2所示，為本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀的布置圖，大壩位于河流的 上游與下游之間，激光發(fā)生器、光電探測器分別固定于下游河床的適當(dāng)位置，大壩的壩趾中 心點(diǎn)（即圖中點(diǎn)A的位置），首先根據(jù)激光發(fā)生器到壩趾中心點(diǎn)的直線距離為大壩高度的 1-1. 5倍來確定激光發(fā)生器的位置，然后根據(jù)激光發(fā)生器、大壩中心點(diǎn)、光電探測器之間的 角度來確定光電探測器的位置。
[0023] 如圖3所示，為本發(fā)明漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀測量結(jié)果的處理流程圖，光 電探測器將反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給控制器后，控制器對電信號(hào)進(jìn)行如下處理，包 括原始數(shù)據(jù)掃描，數(shù)據(jù)合并，數(shù)據(jù)修剪以及濾波處理，判斷經(jīng)濾波處理后的數(shù)據(jù)質(zhì)量是否符 合要求，符合要求則將格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪制三維圖形，不符合要求則繼續(xù)修剪和濾波，并再 次判斷處理后的數(shù)據(jù)質(zhì)量是否符合要求，直至得到符合要求的數(shù)據(jù)。
[0024] 以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，其特征在于：包括控制器、激光發(fā)生器、光電探 測器，所述激光發(fā)生器、光電探測器分別與所述控制器電連接；所述激光發(fā)生器到壩趾中心 點(diǎn)的直線距離為大壩高度的1-1. 5倍；所述激光發(fā)生器、壩趾中心點(diǎn)及光電探測器形成的 夾角為15° -21° ;所述激光發(fā)生器用于向水面發(fā)射近紅外光以及向大壩發(fā)射藍(lán)綠激光，所 述光電探測器用于接收水面及大壩產(chǎn)生的反射光。
2. 如權(quán)利要求1所述漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，其特征在于：所述漫頂潰壩試驗(yàn) 中的潰口測量儀還包括偏振片，所述偏振片的偏振方向與激光發(fā)生器發(fā)射的入射光的偏振 方向正交，且水面及大壩產(chǎn)生的反射光經(jīng)過偏振片后到達(dá)光電探測器。
3. 如權(quán)利要求1所述漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，其特征在于：所述漫頂潰壩試驗(yàn) 中的潰口測量儀還包括時(shí)間門控電路，所述時(shí)間門控電路與光電探測器連接，且水面及大 壩產(chǎn)生的反射光經(jīng)過時(shí)間門控電路后到達(dá)光電探測器。
4. 如權(quán)利要求1所述漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量儀，其特征在于：所述控制器為 AT89C52單片機(jī)。
5. -種漫頂潰壩試驗(yàn)中的潰口測量方法，利用如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述漫頂潰壩試 驗(yàn)中的潰口測量儀實(shí)現(xiàn)，其特征在于：利用所述激光發(fā)生器向水面發(fā)射近紅外光以及向大 壩發(fā)射藍(lán)綠激光，兩束光經(jīng)水面及大壩反射產(chǎn)生反射光后傳送給光電探測器，光電探測器 接收兩束反射光，并將接收的反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給控制器，控制器對電信號(hào)進(jìn) 行處理，得到潰口形狀。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104482882SQ201410800278
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】王廷, 沈振中 申請人:河海大學(xué)