[發(fā)明專利]一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及其方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410190678.0
• 申請(qǐng)日: 2014-05-07
• 公開（公告）號(hào): CN103969171A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘強(qiáng);楊文俊;李丹勛;陳啟剛;王興奎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N15/14
• 分類號(hào): G01N15/14
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括入水殼體、編碼器和計(jì)算機(jī)；入水殼體為封閉的水下測(cè)量設(shè)備，編碼器和計(jì)算機(jī)設(shè)置在被測(cè)水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設(shè)置一透明的平面觀測(cè)窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測(cè)窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機(jī)組成的測(cè)量設(shè)備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機(jī)上，工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源均對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)窗，環(huán)形LED光源透過觀測(cè)窗照亮的入水殼體之外的水體，使工業(yè)相機(jī)能夠拍攝到被環(huán)形LED光源照亮的入水殼體外的水體；入水殼體頂端通過纜繩與編碼器連接；入水殼體中的測(cè)量設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。

2.一種基于上述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定和對(duì)天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量兩部分；

所述對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定具體包括：

1)對(duì)景深區(qū)域的體積進(jìn)行標(biāo)定：制作標(biāo)定桶，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器將入水殼體放入標(biāo)定桶中，向標(biāo)定桶中充入清水直至淹沒入水殼體觀測(cè)窗；

2)將一鋼板尺固定在有刻度讀數(shù)的光具座上，將光具座放入標(biāo)定桶內(nèi)，并放置在觀測(cè)窗前，調(diào)整鋼板尺，并記錄鋼板尺面與觀測(cè)窗外壁距離；

3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭的對(duì)焦環(huán)使得工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像在鋼板尺的尺面對(duì)焦，記錄工業(yè)相機(jī)所拍攝圖像所覆蓋的實(shí)際面積；

4)再將鋼板尺以設(shè)定的步長向觀測(cè)窗靠近，每靠近一次工業(yè)相機(jī)拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)鋼板尺，并記錄鋼板尺位置在光具座上的讀數(shù)；

5)再將鋼板尺22以步驟4)的一倍步長遠(yuǎn)離觀測(cè)窗，每遠(yuǎn)離一次工業(yè)相機(jī)均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)鋼板尺，并記錄鋼板尺位置在光具座上的讀數(shù)；

6)根據(jù)步驟4)、5)記錄的鋼板尺位置，即標(biāo)定出景深區(qū)域的體積；固定微距鏡頭的對(duì)焦環(huán),取出入水殼體，將標(biāo)定筒水倒出；

7)配制已知泥沙濃度、泥沙粒徑的渾水，攪拌均勻后注入標(biāo)定桶中，再將入水殼體放入標(biāo)定桶中，直至淹沒觀測(cè)窗；

8)使用計(jì)算機(jī)打開環(huán)形LED光源，并控制工業(yè)相機(jī)拍攝多張圖像，保存在計(jì)算機(jī)中；在計(jì)算機(jī)中利用顆粒圖像識(shí)別算法提取圖像中的泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，將對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的泥沙顆粒光斑識(shí)別出并計(jì)算其以圖像像素為單位的直徑，記錄所有張圖像中的對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的所有泥沙顆粒光斑直徑的平均值；

9)放空標(biāo)定桶中的渾水，洗凈標(biāo)定桶；配制不同泥沙濃度、不同泥沙粒徑的渾水進(jìn)行標(biāo)定，記錄圖像中相應(yīng)的泥沙光斑直徑的平均值，標(biāo)定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關(guān)系式；將標(biāo)定好的關(guān)系式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；

所述將標(biāo)定好的天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置用于實(shí)際測(cè)量，具體包括以下步驟：

10)將所述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在待測(cè)天然河流上的載體中，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，放下入水殼體，使觀測(cè)窗剛好與水面齊平，記錄編碼器讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，放下入水殼體，到達(dá)待測(cè)位置，記錄編碼器讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測(cè)量位置到水面的垂直距離；

11)使用計(jì)算機(jī)發(fā)出指令打開工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源，工業(yè)相機(jī)開始拍攝圖像；拍攝設(shè)定的張數(shù)后停止，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令關(guān)閉工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源；

12)使用計(jì)算機(jī)處理所拍攝的圖像；對(duì)每張圖像，首先使用顆粒圖像識(shí)別算法識(shí)別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的泥沙顆粒光斑即位于景深區(qū)域內(nèi)，計(jì)算景深區(qū)域內(nèi)每個(gè)泥沙顆粒光斑的直徑，按照泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關(guān)系式得到景深區(qū)域內(nèi)每個(gè)泥沙光斑對(duì)應(yīng)泥沙顆粒的粒徑，統(tǒng)計(jì)所有張圖像中景深區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒的粒徑分布即得到測(cè)量位置處河流中泥沙級(jí)配，按照球體計(jì)算所有張圖像中景深區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒的總體積，除以圖像張數(shù)倍景深區(qū)域的體積V即得測(cè)量位置處河流中泥沙濃度。