基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法技术方案

一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及方法，观测系统包括透明水槽，与透明水槽匹配设置的试验控制装置及测量装置，以及中央处理器；试验控制装置包括控制流量的变频稳定器和控制水深的尾门，水槽上游进水端与水泵、变频稳定器连接，变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述测量装置包括超声波水位仪、多普勒流测速仪、粒子图像测速仪和防水摄像机，均与中央处理器连接。还公开了该颗粒运动观测方法及粒子图像采集过程，提出了基于水下摄像技术的颗粒运动观测新方法，以及对实验条件、图像采集频率与时长的技术要求；实现了对明槽水流颗粒床面运动的精细观测与数据采集，采样效率提高1倍以上，数据有效率满足对颗粒状态特征研究要求。

【技术实现步骤摘要】
基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法
本专利技术属于水力学及河流动力学研究
，具体地说涉及一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及方法。
技术介绍
河流近底泥沙运动的随机性强很强，状态特征很不稳定。近几十年来国内外众多学者相继对推移质随机运动特征展开了研究，但受到试验量测技术的限制，在观测精度与观测效率方面还存在诸多问题，亟待改进。Guney、Houssais等提出了一些试验研究方法，研究床面颗粒运动的不稳定性与统计学规律。由于现有技术难以对近床面颗粒运动进行观测、追踪，匮乏精准可靠的试验资料，使得对颗粒运动速度、单步时长、单步位移等运动参量概率分布规律的认识存在不少分歧。目前高速摄影技术已经在泥沙精准观测中得到一些应用，但一般多是在流场外拍摄颗粒图像，采用侧视和俯视两种观测类型。侧视观测方式的图像传感器平面与床面垂直，适于观测处于跃移态或悬浮态中颗粒运动；俯视观测方式的图像传感器平面与床面平行，主要用于颗粒平面运动特征参数的测量。虽然一些学者采用俯视观测方法，将高速摄影技术用于泥沙起动概率的测量，实现了起动概率的非接触测量；但为解决自由面波动干扰，这些俯视观测试验大多采用有压槽道或压波板，改变了明槽自然水流条件，其影响均未给予合理的修正；缺乏保持自由面无干扰流动状态的床面颗粒高质量精细观测技术。
技术实现思路
高速摄像和粒子图像追踪技术（PTV）提供了高效的图像采集及分析方法，但要获取准确、可靠的颗粒运动特征数据，还需在图像采集方式、颗粒图像处理、运动区域与样本尺度选取等不少方面予以改进和完善。观测时长、观测区面积和样本数量还需提高，这些都需要对明流床面泥沙状态试验观测技术设备与观测方法进行改进与创新，满足对试验数据的理论研究与工程应用需求。本专利技术的目的在于提供一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法，旨在解决不干扰自由面的明槽水流床面颗粒运动特征的精准测试分析方法。这套试验新方法的特点是融合了水下摄像技术，从而提高试验观测效率与采集精度。给出了这种精细研究颗粒运动的关键技术环节，如实验设备、水流强度控制、水下摄像技术要求、测量系统布置、辅助光源设置、相机帧率与图像采集技术要求；并利用水槽试验获得了满意的成果。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置；所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端由水泵与水循环系统连通，水泵与变频稳定器连接以控制试验进水流量，水槽下游设置有百叶窗尾门以控制试验水深，水泵、变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和防水摄像机，上述水流泥沙运动测量装置均与中央处理器连接；超声水位仪设置在透明水槽上方，在透明水槽相应位置还设置有多普勒测速仪和粒子图像测速仪，防水摄像机设置在透明水槽内的水流中。上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，所述透明水槽由上游向下游依次为静水栅、上游粗砾过渡段、动床铺沙段、动床近底流速采集段、近底泥沙信息采集段、下游过渡段和尾门；所述超声波水位仪设置在水槽动床铺沙段的正上方，多普勒流速仪通过支架设置在透明水槽动床近底流速采集段的床面上方不同位置；粒子图像测速仪包括激光器和高速相机，激光器设置在动床近底流速采集段的透明水槽侧壁上，高速相机设置在激光器对应的动床近底流速采集段的透明水槽正上方，激光器和高速相机均与中央处理器连接；防水摄像机通过支架设置在近底泥沙信息采集段的透明水槽床面上方设定的水下位置。上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，所述透明水槽的底坡可调，坡度变化范围为0-1%。上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，所述防水摄像机对应的观测支架为三维可调支架，防水摄像机通过卡夹固定在支架上，在透明水槽侧壁还设置有光漫射辅助装置。上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，防水摄像机的镜头距床面的高度hs为：hs/D50>90，其中D50为泥沙中值粒径，H为水深；相机频率不低于120帧/秒。上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽为透明玻璃水槽，所述尾门为百叶窗尾门。一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测方法，采用上述基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统进行明流床面颗粒运动试验观测方法，具体步骤如下：a.透明水槽试验系统：透明水槽底坡度调节范围0-10%；进水端通过多排稳流栅对来流进行平衡、均化，水槽末端采用百叶窗式尾门控制试验水深；透明水槽由变频稳定器与电磁流量计配合，控制试验进水流量，百叶窗式尾门、变频稳定器与电磁流量计均与中央处理器连接；明流床面为泥沙颗粒铺成可侵蚀动床，颗粒为级配均匀的天然沙；在水槽上方安装超声水位仪测试水位，在透明水槽上还设置有多普勒流速仪和粒子图像测速仪进行瞬时流速的实时动态采集，超声水位仪、多普勒流速仪和粒子图像测速仪均与中央处理器连接；防水摄像机设置在透明水槽的床面上方的水下位置，防水摄像机与中央处理器连接，进行床面颗粒运动图像的水下采集；b.试验水流及泥沙条件：水流强度适宜范围：弗汝德数Fr=0.27~0.30，雷诺数Re=38000~51000；床面泥沙Shields数：θ=0.021~0.042；c.通过试验水槽水下的防水摄像机对床面颗粒运动状态及过程进行高帧率图像信息采集并传输到中央处理器，精细追踪颗粒运动轨迹，实现对颗粒随机运动过程的准确图像记录；图像采集频率采用120fps，每个采集视频时长不低于20s，保证图像数量达到2400帧，每两帧图像间隔不低于0.0083s；保持上述采样频率与样本总量是精细研究颗粒单步运动特征的基本技术要求。采用上述技术方案，本专利技术有以下技术效果：（1）用于试验水槽的水下无干扰图像采集系统防水摄像机，提出了基于UP/PTV技术的颗粒状态试验观测新方法；相机帧频、位置及补偿光源是获取高质量颗粒图像信息的重要因素。借助多组次动床水槽试验实现了对明槽水流底沙运动的精细观测，采样效率提高1倍以上。（2）基于PTV原理，采用动态阈值法进行颗粒识别分割，通过摈弃颗粒震颤抖动效应、减小颗粒定位误差，用本方法采集的数据质量保证了对颗粒运动-等待-运动精细状态研究要求。（3）提出了视频采集的技术要求，可以获取具备完整状态转换的颗粒有效运动序列样本提高了采集数据的有效性和分析可靠度。利用采集数据获取的颗粒单步步长的PDF规律优于以往Roseberry、Furbish、朱振慧等人的研究结果（Furbish,D.J.,Schmeeckle,M.W.,Schumer,R.,etc.Probabilitydistributionsofbedloadparticlevelocities,accelerations,hopdistances,andtraveltimesinformedbyJaynes’s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置；所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端由水泵与水循环系统连通，水泵与变频稳定器连接以控制试验进水流量，水槽下游设置有尾门以控制试验水深，水泵、变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和用于水下摄像的防水摄像机，上述水流泥沙运动测量装置均与中央处理器连接；超声水位仪设置在透明水槽上方，在透明水槽上还设置有多普勒测速仪和粒子图像测速仪，防水摄像机设置在透明水槽内的水下。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置；所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端由水泵与水循环系统连通，水泵与变频稳定器连接以控制试验进水流量，水槽下游设置有尾门以控制试验水深，水泵、变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和用于水下摄像的防水摄像机，上述水流泥沙运动测量装置均与中央处理器连接；超声水位仪设置在透明水槽上方，在透明水槽上还设置有多普勒测速仪和粒子图像测速仪，防水摄像机设置在透明水槽内的水下。


2.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽由上游向下游依次为静水栅、上游粗砾过渡段、动床铺沙段、动床近底流速采集段、近底泥沙信息采集段、下游过渡段和尾门；所述超声波水位仪设置在水槽动床铺沙段的正上方，多普勒流速仪通过支架设置在透明水槽动床近底流速采集段的床面上方不同位置；粒子图像测速仪包括激光器和高速相机，激光器设置在动床近底流速采集段的透明水槽侧壁上，高速相机设置在激光器对应的动床近底流速采集段的透明水槽正上方，激光器和高速相机均与中央处理器连接；防水摄像机通过支架设置在近底泥沙信息采集段的透明水槽床面上方的水下位置。


3.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽的底坡可调，坡度变化范围为0-1%。


4.根据权利要求2所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述防水摄像机对应的观测支架为三维可调支架，防水摄...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明潇，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南;41