本發(fā)明涉及水體三維速度檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種定位系統(tǒng)輔助的河海水體三維速度檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

河海水體的三維速度指的是河海中水下的水流三維速度，通過對河海水體三維速度的確定，可以更好地分析河流流量及入海河流水體的交換情況，從而有助于進一步了解河流入?？诘乃h(huán)境承載力、河海環(huán)境變化規(guī)律等狀況。同時，很多河流入海口(如珠江口)由多條支流匯集，水下的水文水體環(huán)境復(fù)雜，如果能夠獲得水下水流的三維情況和水動力生態(tài)模型，則可以準確推斷出河海中水流交換，對污染傳播定位、預(yù)警等方面都具有重要的現(xiàn)實意義。除此之外，近海水體流動會引起海洋鹽度、海水營養(yǎng)物等海洋物質(zhì)的運輸，獲知河海水下的水流三維情況對漁業(yè)生產(chǎn)也具有重要的指導(dǎo)意義。因此，河海水體三維速度的測量對河海中的水環(huán)境保護，安全防護和對一些河海周邊的產(chǎn)業(yè)發(fā)展都有著至關(guān)重要的作用。

目前，對水體的流動速度測量主要分為三類方法。

第一類方法是通過機械裝置來進行水體流動速度的測量，它是利用輪軸旋轉(zhuǎn)信息來進行水流速與方向的測量的。這類方法主要包括機械式速度測量、測速發(fā)電機型速度測量、霍爾數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量、磁感式車速測量、脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器速度測量等方法。此類方法需要在測量目標位置上安裝測量裝置，使用不便，并且測量效率不高。

第二類方法是利用圖像處理技術(shù)來進行水體流動速度的測量。此類方法在光線不好的環(huán)境下不能正常工作，同時它只能測量表面流速。

第三類方法是利用聲波的多普勒效應(yīng)進行速度測量，它向水下發(fā)射特定頻率的聲波，通過測定接收到的聲波頻率變化來計算水體流動的速度，其中最經(jīng)典的裝置就是聲學(xué)多普勒海流剖面儀(adcp)。四波束正交配置的adcp向水下4個不同方向發(fā)射聲波，根據(jù)接收回來的聲波頻率變化測得某一深度的水流速度。adcp假定在同一深度的水體流動速度都是相同的，而實際上許多水域中的水體流動速度是不均勻不穩(wěn)定的，同一深度的水體流速并不相同，因此adcp在一些水流速度不均勻的水域中測量的精度并不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種定位系統(tǒng)輔助的河海水體三維速度檢測方法，能夠精確地測量出某一小范圍內(nèi)的水流速度，并不受水下水流速度不均勻和環(huán)境的影響。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述方法的檢測裝置。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種定位系統(tǒng)輔助的河海水體三維速度檢測方法，包括以下步驟：

s1、確定探測區(qū)域并選取好起始測量點；

s2、確定測量點的具體地理位置信息和水深；

利用定位系統(tǒng)獲取測量點的具體地理位置信息；

在水面上的測量點放置一個超聲波發(fā)射器和一個超聲波接收器，兩者間的距離為d，使用超聲波發(fā)射器向水底正下方發(fā)射超聲波，并利用超聲波接收器接收反射回來的聲波信號，從超聲波接收器中得到聲波信號的能量圖；

能量圖中波峰值最高的波峰對應(yīng)的時間τ即為聲波在水底表面反射時的往返時間τmax；設(shè)測量點所處位置的最大深度為hmax，則hmax滿足：

整理上式可得最大深度hmax為：

其中c為超聲信號在水中的傳播速度；

s3、將測量點所處位置的最大深度hmax進行分層；

將最大水深hmax分層，由于每個測量點處的水深可能不同，因此為了讓每個測量點處的水深進行分層后每層的深度都一樣，令每一層的深度為l，設(shè)層數(shù)為p，則有：

其中，為向下取整符號，那么第p層的深度為：

hp＝pl(p＝1,2,…,p)；

s4、對測量點所處位置下的每一層水域的三維水流速度進行測量；

在水面測量點處放置一個超聲波發(fā)射器和m個超聲波接收器，m≥3，m個超聲波接收器與超聲波發(fā)射器的之間距離都為d；超聲波發(fā)射器將向水底正下方發(fā)射頻率為fs的單頻超聲波信號；

三維水流速度測量包含以下步驟：

s4-1、選取地面為參考系，并以超聲發(fā)射位置為坐標原點o，以垂直水平面向下為z方向，建立三維坐標系；超聲波發(fā)送器的位置坐標為(0,0,0)，第i個超聲波接收器的位置坐標為ri(xi,yi,zi)，并且有其中i＝1,2,3...；超聲波發(fā)射器向水底正下方發(fā)射的超聲波，在第p(p＝1,2,…,p)層發(fā)生反射時反射點的位置坐標為mp(0,0,hp)，反射點處的水體流動速度為vwp；

s4-2、計算聲波信號到第p層反射點mp時的頻率fp；

由多普勒效應(yīng)可知，當(dāng)信號發(fā)射點靜止時，接收點mp的接收頻率fp與發(fā)射頻率fs之間關(guān)系為：

其中，c為超聲信號在水中的傳播速度，vwp為發(fā)射點與第p層反射點mp之間的相對運動速度，由于發(fā)射點靜止，因此vwp即為反射點mp處的水流速度，方向為接收點至發(fā)射點的方向；

設(shè)第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的水流速度為：其中，vwpx,vwpy,vwpz分別代表反射點mp的水流速度在坐標軸x，y，z三個方向上的分量；

發(fā)射點o的坐標為(0,0,0)，第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的坐標為(0,0,hp)，αp,βp,γp分別為向量與坐標軸x,y,z的夾角，此時則o→mp方向上的單位向量可表示為：

其中，

那么，第p層反射點mp處的水流速度在mp→o方向上的速度為：

由于聲波信號在由發(fā)射點o到第p層反射點mp的過程中，超聲波發(fā)射器沒有運動，可以推導(dǎo)出第p層反射點mp接收到的頻率fp為：

s4-3、計算聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi；

第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的坐標為(0,0,hp)，接收點ri(xi,yi,zi)為m個超聲波接收器當(dāng)中的其中之一，αpi,βpi,γpi分別為向量與坐標軸x,y,z的夾角，則mp→ri方向上的單位向量可表示為：

其中，并且可由位置mp的坐標和接收器的坐標ri(xi,yi,zi)求出；

那么，第p層反射點mp處的水流速度在mp→ri方向上的速度為：

由于聲波信號在第p層反射點mp到超聲波接收器ri的過程中，超聲波接收器ri沒有運動，則由多普勒公式可推導(dǎo)出超聲波接收器ri接收到的頻率fpi為：

可得超聲波接收器ri接收到的頻率fpi為：

進一步有：

s4-4、獲得聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi；

因為第p層的深度為hp＝pl(p＝1,2,…,p)已知，設(shè)聲波信號在第p層反射點mp反射時的往返時間為τp，則有：

整理可得：

因為m個超聲波接收器與超聲波發(fā)射器的距離都為d，所以在反射點mp上反射波達到m個超聲波接收器的時間相同，即對于某一個時間τp，m個超聲波接收器接收到的聲波是同一個反射波點mp上反射的波，從而在τp時刻，利用頻率估計算法對m個超聲波接收器接收到的聲波信號進行頻率估計，即可獲得聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi，取其中的3個接收器，則i＝1,2,3，得到fp1,fp2,fp3；

s4-5、三維水流速度；

將fp1,fp2,fp3代入步驟s4-3中得到的公式，得到含有三個方程、三個未知數(shù)的方程組，如下所示：

求解此方程組可以得到vwpx,vwpy,vwpz的值，即可得到第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的水流速度vwp；

以此反射點mp的水流速度vwp來表示反射點mp附近一塊區(qū)域的三維水流速度；

s5、信息融合與三維顯示；

在探測區(qū)域中將測量點的具體地理位置信息標記出來，同時也將測量點處的水體三維流速信息標記出來，以此完成兩個信息的融合；

最后再利用三維顯示技術(shù)將這些信息在顯示屏上三維顯示出來，從而建立一個基于具體地理位置信息的水體三維速度可視化系統(tǒng)；

s6、更換測量位置；

將測量位置轉(zhuǎn)移至下一個測量點，并重復(fù)步驟s1至步驟s5的步驟，以此來豐富可視化系統(tǒng)的信息量，直至測量停止。

優(yōu)選的，步驟s2中的定位系統(tǒng)為全球定位系統(tǒng)或者局部定位系統(tǒng)。

優(yōu)選的，測量點的具體地理位置信息包括測量點所處位置的緯度、經(jīng)度和海拔高度。

一種基于上述檢測方法的檢測裝置，包括：操作模塊、處理模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、收發(fā)模塊、定位模塊、顯示模塊和電源模塊；電源模塊與其他模塊相連，為這些模塊供電；

操作模塊與處理模塊、定位模塊和顯示模塊相連，處理模塊與ad轉(zhuǎn)換模塊相連，ad轉(zhuǎn)換模塊與收發(fā)模塊相連；

收發(fā)模塊包括一個超聲波發(fā)射探頭和三個超聲波接收探頭，每個超聲波接收探頭與超聲波發(fā)射探頭的距離相等；

操作者確定好探測區(qū)域后，將裝置放在選定好的起始測量點處；先通過定位模塊獲取該測量點的地理位置，并將其具體地理位置信息傳送給操作模塊；然后通過操作模塊輸入指定的參數(shù)，使處理模塊產(chǎn)生所需要的數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成模擬信號后，傳送給收發(fā)模塊，超聲波發(fā)射探頭將對其進行發(fā)射；

發(fā)送模塊中的超聲波接收探頭接收到反射回來的聲波信號并將其傳送給ad轉(zhuǎn)換模塊，信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給處理模塊，處理模塊處理這些數(shù)字信號從而獲得每個超聲波接收器上的聲波信號頻率大小，聲波能量圖，并計算出測量點處每一層水域中的三維水流速度，同時，處理模塊將得到的這些信息傳回給操作模塊；

接著，操作模塊將定位模塊傳回的測量點的具體地理位置信息和處理模塊傳回的每個測量點的三維流速信息進行融合，同時顯示模塊利用三維顯示技術(shù)將該測量點的融合信息在顯示模塊中顯示出來，從而得到河海水體三維流速可視化系統(tǒng)；

最后將裝置依次轉(zhuǎn)移至下一個測量點處進行測量，并將測量點處的地理位置信息和三維水流速度信息在它們?nèi)诤现笸瑯釉谒w三維流速可視化系統(tǒng)中顯示出來，以豐富可視化系統(tǒng)信息，直至測量停止。

優(yōu)選的，操作模塊包括一個pc機，能夠用于人機交互、參數(shù)選擇以及信息融合。

優(yōu)選的，定位模塊包括一個定位單元，能夠通過該定位單位確定測量點的地理信息位置。

優(yōu)選的，顯示模塊包括一塊lcd顯示屏。

優(yōu)選的，處理模塊包括一個數(shù)字信號處理器。

具體的，數(shù)字信號處理器可用dsp芯片或者arm芯片實現(xiàn)。

優(yōu)選的，ad轉(zhuǎn)換模塊包括a/d轉(zhuǎn)換器和d/a轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)選的，收發(fā)模塊還包括發(fā)射阻抗匹配電路和接收阻抗匹配電路。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明相比于現(xiàn)有的通過機械裝置來進行水體流動速度測量的方法，不需要在測量目標位置上安裝測量裝置，克服了機械法使用不便的缺點；同時本發(fā)明方法測量效率較高，克服了機械法效率不高的不足。因此本發(fā)明方法在河海水體三維速度檢測中更具有實用性。

2、本發(fā)明相比于現(xiàn)有的利用圖像處理技術(shù)來進行水體流動速度測量的方法，對工作環(huán)境沒有太大的要求，克服了圖像處理法在光線不好的環(huán)境中不能正常工作的缺陷；同時本發(fā)明方法可以測得水體的三維速度，克服了圖像處理法只能測量表面流速的缺點。

3、本發(fā)明相比于現(xiàn)有的利用聲波的多普勒效應(yīng)進行水流速度測量的聲學(xué)多普勒海流剖面儀，本發(fā)明方法可在水流速度不均勻的水域中進行精準測量，克服了adcp在水流速度不均勻的水域中精確度不高的缺陷。

4、本發(fā)明不僅能夠精確地測量出水流三維速度，同時還利用了定位系統(tǒng)和三維顯示技術(shù)構(gòu)造了一個河海水體三維流速可視化系統(tǒng)，包含了緯度、經(jīng)度和海拔高度等地理位置信息，使得河海水體三維速度更加直觀。

5、本發(fā)明方法的運算量和復(fù)雜度都相對適中，不過于復(fù)雜，從而保證了方法的可行性。

6、本發(fā)明裝置可行性強，安裝簡單。除此之外，隨著現(xiàn)代處理器計算處理能力的不斷提高，這使得本發(fā)明所使用的處理器等芯片的集成度高，并且計算能力強，從而保證了本發(fā)明的可行性。

附圖說明

圖1為測量河海水底最大深度的場景圖。

圖2為超聲波接收器r接收到的聲波信號能量圖。

圖3為測量點處最大深度的分層圖。

圖4為測量每一層水域三維水流速度的場景圖。

圖5為超聲發(fā)射探頭和超聲接收探頭的擺放位置俯視圖。

圖6為測量水域三維水流速度場景圖的三維坐標系圖。

圖7為超聲發(fā)射探頭至第p層反射點方向上的單位向量在坐標軸x,y,z上的分解示意圖。

圖8為第p層反射點位置至超聲接收探頭方向上的單位向量在坐標軸x,y,z上的分解示意圖。

圖9為信息融合示意圖。

圖10為實施例1方法的流程圖。

圖11為實施例2中裝置的模塊連接組合示意圖。

圖12為實施例2中具體裝置連接組合示意圖。

圖13為實施例2中收發(fā)模塊具體實物連接圖。

圖14為實施例2中具體工作步驟流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

一種定位系統(tǒng)輔助的河海水體三維速度檢測方法，本方法在確定探測區(qū)域后，選取區(qū)域中某個點作為起始測量點開始進行測量，先利用定位系統(tǒng)獲取該測量點的具體地理位置信息，并測定該點的最大水深以及對其分層；然后利用河海中存在大量的散射體，聲波在水下遇到這些散射體會發(fā)生散射這一現(xiàn)象，并根據(jù)多普勒效應(yīng)，得到發(fā)射信號頻率、該測量點下某一深度反射的接收信號頻率以及該深度水流速度三者之間的關(guān)系式；根據(jù)三個超聲波接收器上聲波頻率，聯(lián)立求解三個關(guān)系式，從而獲得該測量點下各個深度的三維水流速度信息；接著利用信息融合技術(shù)和三維顯示技術(shù)建立一個基于測量點位置信息的水體三維速度可視化系統(tǒng)，該測量點的位置信息和水下各深度的三維水流速度信息將在可視化系統(tǒng)中被標出；最后重復(fù)上述步驟對下一個點進行測量，并在可視化系統(tǒng)中同樣將該點的位置信息和水下各深度的三維水流速度信息標出，直至將所有測量點測完。

本方法的具體步驟包括：

s1、確定探測區(qū)域并選取好起始測量點。

在地圖上選取好探測區(qū)域，并確定好探測區(qū)域的范圍大?。煌瑫r選擇探測區(qū)域內(nèi)的某一點作為起始測量點進行測量。

s2、確定測量點的具體地理位置信息和水深。

利用定位系統(tǒng)(全球定位系統(tǒng)或者局部定位系統(tǒng))獲取測量點的具體地理位置信息，其中地理信息包括測量點所處位置的緯度、經(jīng)度和海拔高度。

對于測量點所處位置的最大深度hmax的測量，利用一個超聲波發(fā)射器和一個超聲波接收器即可測得。如圖1所示，在水面上的測量點放置一個超聲波發(fā)射器和一個超聲波接收器，兩者間的距離為d，使用超聲波發(fā)射器向水底正下方發(fā)射超聲波，并利用超聲波接收器接收反射回來的聲波信號。從超聲波接收器中得到聲波信號的能量圖，它可能的圖案如圖2所示。

由于聲波在水底的表面會發(fā)生強反射，因此能量圖中波峰值最高的波峰對應(yīng)的時間τ即為聲波在水底表面反射時的往返時間τmax，因為河海水中會含有一些可以成為反射界面的雜物，這些雜物上反射回來的聲波會在能量圖上產(chǎn)生一些其它波峰值較小的波峰，但這些波峰不能作為從水底表明反射回來的聲波的能量值。因此，設(shè)測量點所處位置的最大深度為hmax，則hmax滿足：

整理上式可得最大深度hmax為：

其中c為超聲信號在水中的傳播速度。

s3、將測量點所處位置的最大深度hmax進行分層。

如圖3所示，為了使河海的水流速度三維信息更加具體和豐富，將最大水深hmax分層，由于每個測量點處的水深可能不同，因此為了讓每個測量點處的水深進行分層后每層的深度都一樣，令每一層的深度為l，設(shè)層數(shù)為p，則有：

其中，為向下取整符號，那么第p層的深度為：

hp＝pl(p＝1,2,…,p)(3)

s4、對測量點所處位置下的每一層水域的三維水流速度進行測量。

測量每一層水域中的三維水流速度的場景如圖4所示。在水面測量點處放置一個超聲波發(fā)射器和三個超聲波接收器，三個超聲波接收器分別處在一個正三角形的頂點位置，超聲波發(fā)射器處在正三角形的中心位置，并且三個超聲波接收器與超聲波發(fā)射器的之間距離都為d，它們的俯視圖如圖5所示。超聲波發(fā)射器將向水底正下方發(fā)射頻率為fs的單頻超聲波信號。

由于河海中存在大量的散射體，包括氣泡、懸浮泥沙顆粒、浮游生物、魚蝦等，因此只要向河海水介質(zhì)中發(fā)射聲波，這些散射體就會對聲波產(chǎn)生散射，散射后的信號將會被超聲波接收器接收，圖4中第p(p＝1,2,…,p)層水域中反射的信號即是由于聲波遇到第p層水域中的散射體產(chǎn)生的，通過分析接收信號的多普勒效應(yīng)，即可測量出水流速度。

三維水流速度測量具體包含以下步驟：

s4-1、選取地面為參考系，并以超聲發(fā)射位置為坐標原點o，以垂直水平面向下為z方向，建立三維坐標系，如圖6所示。那么，超聲波發(fā)送器的位置坐標為(0,0,0)，第i個超聲波接收器的位置坐標為ri(xi,yi,zi)，并且有其中i＝1,2,3；超聲波發(fā)射器向水底正下方發(fā)射的超聲波在第p(p＝1,2,…,p)層發(fā)生反射時反射點的位置坐標為mp(0,0,hp)，反射點處的水體流動速度為vwp。

s4-2、由多普勒效應(yīng)可知，當(dāng)信號發(fā)射點靜止時，接收點mp的接收頻率fp與發(fā)射頻率fs之間關(guān)系為：

其中，c為超聲信號在水中的傳播速度，vwp為發(fā)射點與第p層反射點mp之間的相對運動速度，由于發(fā)射點靜止，因此vwp即為反射點mp處的水流速度，方向為接收點至發(fā)射點的方向。

設(shè)第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的水流速度為：其中，vwpx,vwpy,vwpz分別代表反射點mp的水流速度在坐標軸x，y，z三個方向上的分量。

s4-3、計算聲波信號到第p層反射點mp時的頻率fp。

如圖7所示，發(fā)射點o的坐標為(0,0,0)，第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的坐標為(0,0,hp)，αp,βp,γp分別為向量與坐標軸x,y,z的夾角，此時則o→mp方向上的單位向量可表示為：

其中，

那么，第p層反射點mp處的水流速度在mp→o方向上的速度為：

由于聲波信號在由發(fā)射點o到第p層反射點mp的過程中，超聲波發(fā)射器沒有運動，由公式(4)可以推導(dǎo)出第p層反射點mp接收到的頻率fp為：

s4-4、計算聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi。

如圖8所示，第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的坐標為(0,0,hp)，接收點ri(xi,yi,zi)為3個超聲波接收器當(dāng)中的其中之一，αpi,βpi,γpi分別為向量與坐標軸x,y,z的夾角，則mp→ri方向上的單位向量可表示為：

其中，并且可由位置mp的坐標和接收器的坐標ri(xi,yi,zi)求出。

那么，第p層反射點mp處的水流速度在mp→ri方向上的速度為：

由于聲波信號在第p層反射點mp到超聲波接收器ri的過程中，超聲波接收器ri沒有運動，則由多普勒公式可推導(dǎo)出超聲波接收器ri接收到的頻率fpi為：

s4-5、聯(lián)立公式(7)和公式(10)可得超聲波接收器ri接收到的頻率fpi為：

然后將公式(6)和公式(9)代入公式(11)，整理可得：

公式(12)中，有3個未知數(shù)，分別是vwpx,vwpy,vwpz。因此只需在每一層水域中，即對于每一個p(p＝1,2,…,p)值，對超聲波接收器ri接收到的信號進行頻率估計，獲得聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi就能求得vwpx,vwpy,vwpz的值。

s4-6、獲得聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi。

因為第p層的深度為hp＝pl(p＝1,2,…,p)已知，設(shè)聲波信號在第p層反射點mp反射時的往返時間為τp，則有：

整理可得：

因為三個超聲波接收器與超聲波發(fā)射器的距離都為d，所以在反射點mp上反射波達到三個超聲波接收器的時間相同，即對于某一個時間τp，三個超聲波接收器接收到的聲波是同一個反射波點mp上反射的波，從而在τp時刻，利用現(xiàn)有數(shù)字信號處理技術(shù)中的頻率估計算法對三個超聲波接收器接收到的聲波信號進行頻率估計，即可獲得聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi，取i＝1,2,3，得到fp1,fp2,fp3，將fp1,fp2,fp3代入公式(12)中得到含有三個方程，三個未知數(shù)的方程組，如下所示：

求解此方程組可以得到vwpx,vwpy,vwpz的值，即可得到第p(p＝1,2,…,p)層反射點mp的水流速度vwp。

以此反射點mp的水流速度vwp來表示反射點mp附近一塊區(qū)域的三維水流速度。

s5、信息融合與三維顯示。

如圖9所示，在探測區(qū)域中將測量點的經(jīng)度，緯度和海拔高度等具體地理位置信息標記出來，同時也將測量點處的水體三維流速信息標記出來，以此完成兩個信息的融合，其中，圖中的虛線箭頭表示測量位置的轉(zhuǎn)移路線；最后再利用三維顯示技術(shù)將這些信息在顯示屏上三維顯示出來，從而建立一個基于具體地理位置信息的水體三維速度可視化系統(tǒng)。

s6、更換測量位置。

將測量位置轉(zhuǎn)移至下一個測量點，并重復(fù)步驟s1至步驟s5的步驟，從而確定該測量點處的具體地理位置信息和水體三維流速信息，并將這些信息融合之后在水體三維速度可視化系統(tǒng)中將其顯示出來，以此來豐富可視化系統(tǒng)的信息量，直至測量停止。

以上的方法的流程圖可以由圖10表示。

實施例2

一種基于實施例1中的方法的檢測裝置，圖11為本裝置的模塊連接框圖，具體的裝置連接如圖12所示。

該基于定位系統(tǒng)輔助的河海水體三維速度檢測裝置包括：操作模塊101、處理模塊102、ad轉(zhuǎn)換模塊103、收發(fā)模塊104、定位模塊105、顯示模塊106、電源模塊107。

操作模塊與處理模塊、定位模塊和顯示模塊相連。操作模塊101用一個pc機001實現(xiàn)，主要用于人機交互，根據(jù)應(yīng)用場景的不同而選擇不同的發(fā)送信號中心頻率、脈沖長度等參數(shù)，并將這些參數(shù)傳送給處理模塊；同時利用現(xiàn)有的三維顯示技術(shù)對定位模塊傳送回來的地理位置信息和處理模塊傳送回來的三維水流速度信息在pc機上進行融合，建立一個水體三維流速可視化系統(tǒng)，并在顯示模塊中顯示出來。

定位模塊105用一個定位單元501來實現(xiàn)。它能夠通過該定位單位確定測量點的地理信息位置，并將其發(fā)送給操作模塊。

顯示模塊106由一塊lcd顯示屏601組成。它能夠利用三維顯示技術(shù)將操作模塊中信息融合過后的信息在lcd上進行三維顯示，從而建立一個河海水體三維流速可視化系統(tǒng)。

處理模塊102與ad轉(zhuǎn)換模塊103相連。處理模塊由一個數(shù)字信號處理器201組成，數(shù)字信號處理器201可用dsp芯片(如：ti公司的tms320vc5509a型號的dsp芯片)或者arm芯片等實現(xiàn)。它能夠根據(jù)操作模塊輸入的指令生成特定的數(shù)字信號，該數(shù)字信號通過ad轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通過收發(fā)模塊發(fā)射出指定頻率的聲波信號；同時，它還能夠?qū)氖瞻l(fā)模塊傳送回來的，經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理，獲得其頻率大小，聲波能量圖，以及利用實施例1中的方法計算出測量點每一層水域中的三維水流速度信息，并且將這些信息回傳給操作模塊。

ad轉(zhuǎn)換模塊103由一個a/d轉(zhuǎn)換器302和d/a轉(zhuǎn)換器301組成，并且與收發(fā)模塊相連。由于處理模塊中的dsp芯片或者arm芯片中含有a/d和d/a轉(zhuǎn)換接口，能實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換和d/a轉(zhuǎn)換的功能，因此ad轉(zhuǎn)換模塊103中的d/a轉(zhuǎn)換器301和a/d轉(zhuǎn)換器302也可以利用處理模塊中的同一芯片實現(xiàn)，即這些芯片可以實現(xiàn)處理模塊102和ad轉(zhuǎn)換模塊103這兩個模塊的功能。a/d轉(zhuǎn)換器將收發(fā)模塊接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳遞給處理模塊進行處理；d/a轉(zhuǎn)換器將處理模塊發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并傳送收發(fā)模塊使其發(fā)射指定的聲波。

收發(fā)模塊104包括發(fā)射阻抗匹配電路401、一個超聲波發(fā)射探頭402、接收阻抗匹配電路403和三個超聲波接收探頭組成的超聲波接收陣列404，接收陣列中每個超聲波接收探頭擺放在一個正三角形的一個頂點上，而超聲波發(fā)送探頭擺放在正三角形的中心位置，收發(fā)模塊具體的實物連接圖如圖13所示，其中三個支架用3根硬質(zhì)棒來實現(xiàn)。收發(fā)模塊能夠根據(jù)處理模塊發(fā)出，并經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的模擬指令發(fā)射指定頻率的超聲波信號；也能夠接收反射回來的超聲波信號，并通過ad轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號然后傳送給處理模塊進行分析處理。

電源模塊107由一個電源701組成，與操作模塊、處理模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、收發(fā)模塊、定位模塊和顯示模塊相連。它能夠為這些模塊供電。

本裝置的主要工作步驟如圖14所示，具體如下：

步驟1：確定探測區(qū)域以及起始測量點的位置。

步驟2：按圖12和圖13連接好具體裝置，確定好超聲波發(fā)射探頭與超聲波接收探頭之間的距離d，d＝2m，并將裝置放在測量點處。

步驟3：利用定位模塊獲得測量點的具體地理信息位置，其中定位模塊利用到的定位系統(tǒng)是一個基于基站的局部定位系統(tǒng)。

步驟4：利用操作模塊給處理模塊發(fā)送指令，控制超聲發(fā)射探頭發(fā)射單頻超聲信號s(t)，信號的頻率為fs＝100khz，脈沖長度5ms；

步驟5：在處理模塊中處理三個超聲接收探頭接收返回的聲波信號，獲得任意一個超聲波接收探頭上的聲波能量圖，在聲波能量圖中確定最大波峰所對應(yīng)的時間τmax，從而獲得水底的最大深度hmax。

步驟:6：對測量點的最大深度hmax進行分層。

步驟7：在處理模塊中計算出測量點處每一層水域的三維水流速度。信號在處理模塊中的具體處理步驟如下：

1)在處理模塊中，對在τp時刻三個超聲波接收器接收到的聲波信號進行頻率估計，則可獲得聲波信號從第p層反射點mp到達超聲波接收器ri的頻率fpi，即ft1,ft2,ft3。

2)將ft1,ft2,ft3代入實施例1方程組(13)中，處理模塊經(jīng)過一系列計算求解此方程組，從而得到第p層水域中的三維水流速度vwp。

步驟8：在操作模塊中，利用信息融合技術(shù)將測量點處的具體地理位置信息和它每層水域中的三維水流速度信息進行融合，并在顯示模塊中，利用三維顯示技術(shù)將其在lcd顯示屏上三維顯示出來，從而建立一個河海水體三維速度可視化系統(tǒng)。

步驟9：將裝置轉(zhuǎn)移至下一個測量點處，重復(fù)步驟1到步驟8之間的步驟，獲得該測量點處的具體地理位置信息和水體三維流速信息，并在它們?nèi)诤现髮⑵湓谒w三維速度可視化系統(tǒng)中顯示出來，以豐富可視化系統(tǒng)的信息量，直至測量停止。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。