基于高频声层析技术的河流通量实时监测研究

论文摘要

由于地理、生态环境以及经济价值等原因,浅海、河口区域的水文参数观监测具有重要的意义:一方面,淡水是人们日常生活必不可少的资源,河流、水库是淡水的主要来源,而且临海、临河地区又是人口密集区域,对该地区的水文监测尤为重要;另一方面,我国拥有丰富的水资源,水文参数的监测对渔业发展、生态建设、水下资源开发有着重要的作用。基于水文监测的重要意义,本文研究了河流通量的实时监控。声波是目前已知的能够在水下进行远距离传播的能量形式。声波具有发射、折射、散射等物理特性,正是由于这些性质使得声波在传输的过程中会携带介质的一些特征。研究声波在水下的传输时间、传输路径、传输损失、声能分布可以得到该水域的某些水文参数,如水温以及流速等,再结合水位、地形就可得到河流断面的通量。针对以上研究内容,本论文首先论述了现有的温度、流速、通量的测量方法,分析其优缺点,并提出了将大中尺度海洋声层析技术应用到浅海、河口区域的水温、流速和流量的实时监测。其次,在理论、模型、仿真的基础上,研发一套用于河口区域通量监测的高频声层析仪器(HFAT)。自主研发了滤波放大板、GPS电路板等硬件设备。设计了基于LabVIEW软件编写的人机交互界面,实现信号的调制、发射、接收、显示以及保存。对仪器的测量分辨率以及误差进行了理论分析,并在水池条件下进行温流校准;野外长期观察实验的地址选择在福建省九龙江北溪的江东库区。对河道进行三维地形测绘,根据地形进行了声线的模拟和仿真,并设立长期的声学观测站,实现了河流水温、流速以及通量的实时监测。所获数据与传统的测温、测流设备测量结果具有良好的相关性。结果表明,基于高频声层析技术的河流水文参数实时监测技术在河流温度、流速、通量的监测上具有很高的准确性、实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的背景和意义
•   1.2 河流通量监测的进展
•   1.3 声层析技术的发展
•   1.4 论文主要工作
• 第二章 基于高频声层析技术的河流通量监测模型
•   2.1 通量计算模型
•   2.2 声层析互易传输原理及温流反演
•     2.2.1 声层析互易传输理论
•     2.2.2 温度反演
•   2.3 基于BELLHOP的射线声学仿真
•   2.4 地形测绘与水位实时监测
•   2.5 本章小结
• 第三章 用于通量监测的高频层析仪的系统设计
•   3.1 系统的硬件组成
•     3.1.1 数据采集卡
•     3.1.2 放大电路设计
•     3.1.3 滤波电路设计
•     3.1.4 GPS定位及同步电路设计
•     3.1.5 其他硬件参数
•   3.2 系统的软件设计
•     3.2.1 软件界面的编写
•     3.2.2 伪随机信号编码
• 第四章 高频声层析温流测量
•   4.1 温流分辨率及其误差分析
•   4.2 声速公式误差补偿
•   4.3 水池误差校准实验
•     4.3.1 15kHz水池校准实验
•     4.3.2 60kHz水池校准实验
•   4.4 本章小结
• 第五章 九龙江北溪实时通量声层析实验
•   5.1 实验地点
•   5.2 地形、水位、声站距离测量
•   5.3 九龙江北溪水库声站搭建
•   5.4 现场温流校准
•     5.4.1 温度现场校准实验
•     5.4.2 流速现场校准实验
•   5.5 台风天气数据分析
•   5.6 非台风天气数据分析
•     5.6.1 数据总体分析
•     5.6.2 正声速梯度数据情况
•     5.6.3 负声速梯度数据情况
•   5.7 长期的实时温流、通量监测结果
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 庄小冰

导师: 张宇

关键词: 高频声层析,河流通量监测,射线声学仿真

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 厦门大学

分类号: P332.4

总页数: 90

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