[发明专利]面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统

说明书

技术领域

    本发明涉及一种非接触式明渠水流监测系统，特别涉及一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统。

背景技术

随着经济社会快速发展，全球气候变化影响加大，台风、暴雨等极端天气事件频发，水安全状况日趋严峻。其中，山洪是山丘区小流域或汇水区域由降雨引起的突发性暴涨暴落的地表径流，它的汇流时间短、水量集中、破坏力大，多次造成严重经济损失和人员伤亡，对人民群众的生命和财产构成了极大的威胁。山洪所影响的范围不仅限于山区，还可能通过河道将灾害向山前平原和下游地区乡村和城市传播，形成灾害链。因此，对山洪的监测预报工作尤为重要。

准确的山洪预报建立在对洪水形成机理和传播过程具有深刻理解的基础之上。天然尺度下河流水情信息的采集，特别是高洪期流速、流场、总径流变化速率等参数的高分辨率测量是洪水预报，以及河流水文学、河流动力学等研究的科学基础。然而高洪期河流的流速快，含沙量高，漂浮物多，致使传统的测验方案无法开展布置，测流方法和仪器不能正常地施测。特别是水位暴涨暴落，可能引发的溃坝、泥石流、堰塞湖等地质灾害对工作人员的生命安全构成严重威胁。

上世纪90年代末，Fujita等人对实验室环境下的粒子图像测速技术进行改造用于天然河流的观测，并称之为大尺度粒子图像测速（LSPIV）。它以自然光代替激光源，以视频摄像机代替高帧频工业相机作为图像采集设备，简化系统配置以适应野外监测。然而，现有的LSPIV系统主要是将成像系统（如数码相机、摄像机）架设在河岸附近的制高点（如高杆、建筑物）上拍摄的河流水面图像。在这种情况下，大尺度成像区域和倾斜拍摄角度将不可避免地引起图像失真。尤其当视角较小时，即便采用图像正射校正算法也难以弥补图像远场分辨率的损失，在很大程度上影响了测量的精确性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统。

本发明通过以下技术方案实现：

面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，包括航拍气球、伺服自稳定光电平台、系留电缆和地面测控单元四部分。航拍气球由球体、连接网、连接环和吊装平台组成，用于搭载光电平台悬浮于低空；伺服自稳定光电平台由六波段光谱成像仪、LED补光灯、三轴云台和12VDC变换器组成，在机动平台下以近似垂直的视角对水面连续稳定成像，成像波段可根据水流示踪物的类型及光照条件在可见光至近红外的六组光谱波段中进行选取；系留电缆由系留绳、电源线和以太网线组成，用于固定航拍气球并下传光谱成像仪输出的图像数据；地面测控单元由48V自供电装置、19VDC变换器、PoE合路器和移动工作站组成，为系统提供电源并通过大尺度粒子图像测速在线流场分析软件获得河流的表面流速。所述的六波段光谱成像仪基于SOPC技术实现，它由以下模块组成：SOPC系统、三可变镜头、带通滤镜、图像传感器、镜头驱动模块、转轮控制模块、LED驱动模块、姿态测量模块、以太网模块、云台驱动模块、无线数传电台、DC-DC模块，PoE分路器。所述的大尺度粒子图像测速在线流场分析软件包括“图像数据采集”、“水面目标增强”、“运动矢量估计”、“时均流场重建”、“水面流场定标”五个程序模块。

    所述的航拍气球的球体采用PVC材料制成，底部的环形裙边上均匀镶嵌有八个吊装孔，球体内部填充氢气或氦气，直径为3m，可携带最大5kg的有效载荷，升空高度达到200m以上，续航时间为30～40小时，抗风能力大于五级。

所述的航拍气球的吊装平台为一金属圆盘，其直径比球体环形裙边的直径略小，圆盘边缘均匀固定八对上下对称的连接环，上方的连接环通过连接网和球体对应的八个吊装孔相连，下方的连接环用于固定系留电缆。

所述的SOPC系统以一片型号为EP4CGX150的FPGA芯片为核心器件。

所述的带通滤镜共有六组，以圆周等分的方式镶嵌于一个直流步进电机驱动的转轮上，转轮前端采用C型接口连接三可变镜头，后端窗口直接固定于图像传感器的正上方。

所述的六组光谱波段分别为：380-1050nm的全光谱波段、380-760nm的可见光波段，380-480nm的蓝紫光波段、550-650nm黄绿光波段、660-760nm红橙光波段及850-1050nm的近红外波段。

所述的图像传感器采用500万像素的单色CMOS图像传感器MT9P031I12STM，通过一路I²C串行总线和一路12bit并行总线和SOPC系统相连，分别用于图像传感器的参数设置和图像数据的传输。