本发明涉及环境原位监测技术领域，具体是一种新型多频超声含沙量级配测量系统和方法。
背景技术：
测量天然河流中泥沙参数变化对于了解泥沙输运过程有重要意义，这关系到各类水利工程的设计和维护。水利科学理论在很大程度上依赖于对天然资料的率定和验证，然而河流水沙的运动特性复杂，对其进行现场同步实时测量非常困难。现已有的悬移质泥沙浓度和颗粒组成的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法、图像观测法以及b超成像、遥感影像解译分析等。
传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式尽管测量精度高，但方法较为落后，耗时耗力；光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法(opticalbackscatter，obs)和激光衍射法(laserdiffraction)，不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能差异较大，用光学浊度计和listt系列产品进行实时测量时依赖于经验关系，而且室内实验和室外测似表明，lisst对于级配测量误差可以达到20～40％，仪器的适用性和稳定性都不能满足水文测验规范的要求，激光粒度仪测量级配只能在实验室里进行；图片类方法则是利用先进的高像素高精度的微相机设备拍摄照片，能清晰反映粒子的尺度特征，并且能通过计算得到浓度，但此类仪器设备存在结构方面的不足，例如含沙水体需进入测量盒内，才能被激光照射，难以得到理想的结果。
声学检测法则是利用超声波在介质中的散射和衰减等特性来测量悬浮泥沙信息，超声测量设备具有优点是能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。基于声衰减法，苏明旭等(cn104849183a)提出用声衰减谱测量液体中气泡或者颗粒的浓度和平均粒径的方法，可用于两种混合颗粒物的情况，可用于实验室和现场测量。随后又提出一种改进的基于超声衰减谱原理测量气体或液体介质中固体颗粒粒径和浓度的方法(cn104833619a)，通过测量区域内颗粒的超声衰减谱、计算消声系数、计算超声子散射出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径和浓度，该方法受频带宽度所限，检测的粒径范围为20～100μm，仅适用于细颗粒测量。基于背向散射原理的adv和adcp等设备，通过标定得到颗粒浓度与信号强度的反演关系，不具备实时测量的能力，且探头到探测体的距离较远，信号在传播路径上的衰减过大，故难以获取有用的信息。
上述设备对于颗粒运动参数的量测存在明显的局限性：一是只适应于非常低的浓度(稀疏颗粒)；二是大多局限于离线测量，而且设备的结构复杂，使用不方便，鲜有能应用于现场实时测量的设备；三是大部分设备都无法实现浓度和级配同时测量。相比于国外，国内对于悬移质泥沙含沙量和级配测量仪器的原创性研发的进展相对滞后，测量的量程也十分有限。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种新型多频超声含沙量级配测量系统和方法，以解决现有颗粒浓度和级配测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性。
一种新型多频超声含沙量级配测量系统，包括超声测量探头、采样盒、数据传输设备、用户端、电源、标定装置；超声测量探头作为水下测量设备，用于固定在相应的测量载体上放入待测水体中，所述超声测量探头采用压电复合晶片作为传感器，且采用自发自收的工作模式；所述采集盒分别连接超声测量探头和数据传输设备，采集盒和数据传输设备分别与电源连接，数据传输设备与和用户端进行通信连接；所述标定装置包括标定桶、排水管、自循环水泵，标定桶的上盖上预留一小孔用于加水加沙以及测量时放置超声测量探头，自循环水泵与两根排水管的一端连接，排水管的另一端伸入标定桶，自循环水泵启动时通过水流循环作用在标定桶的水体内形成均匀的浓度分布场。
进一步的，所述测量载体为室内观测的各种连接杆装置或原型观测的铅鱼。
进一步的，所述采集盒包括信号发送单元以及信号采集单元。信号发送单元为超声测量探头提供激发超声波的能量并控制发射晶片激发的频率；信号采集单元用于接收超声测量探头发出的超声波的回波，并对回波进行放大和转换成数字信号，并打包后传给以太网总线接口。
一种新型多频超声含沙量级配测量方法，其特征在于采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
1)在实验室内进行标定：选用有机玻璃制作标定桶，标定桶的体积已知，用自循环水泵连接两根排水管，通过水流循环作用在标定桶的水体内形成均匀的浓度分布场，在标定桶上盖上预留一小孔用于加水加沙以及测量时放置探头，向标定桶内注入纯净水至密封线处；
2)向标定桶内加入计算好质量的级配已知的天然沙，调配成浓度已知的含沙水体，打开自循环水泵并且调节流量，整个标定桶内的水体开始缓慢循环，直到形成相对均匀稳定的浓度场，用一移液管伸入预留用于放置探头的孔内，在标定桶约中心处的位置进行取样，经烘干称重之后计算测点的实际浓度，并和已知浓度进行对比，验证标定桶内浓度是否均匀；
3)将已知工作频率的超声测量探头从预留的小孔伸入标定桶8内并固定，在用户端上连接采集盒的局域网，设置各个参数使屏幕上出现清晰完整的波形，开始数据采集；
4)数据采集完毕保存后，向标定桶再次加入天然沙，增加标定桶内的含沙浓度，重复步骤3)，采集不同浓度下的数据；
5)将标定桶内的水排空，并清洗，更换另一粒径级的泥沙，按照步骤3)-步骤4)进行测量，直到完成所有粒径级不同浓度条件下数据的采集；
6)对所有数据进行时域和谱分析，得到多条关系曲线，将浓度值-颗粒粒径和回波信号的特征参数进行对应，利用背向散射法，基于瑞利散射原理，建立含沙量和级配的反演关系式，并存入测量系统中以备实后续测量；
7)进行天然河流含沙量测量时，用支架将超声测量探头固定在铅鱼上，放入待测河流中，通过局域网进行采集盒与用户端的连接，待水流稳定之后进行数据采集和浓度计算，数据计算以步骤6)中得到的反演关系为基础在系统内部自行计算得到最终的浓度和级配数据。
进一步的，步骤7)具体为：根据超声测量探头的尺寸定做支架将其固定在铅鱼上，在铅鱼内部预留空间用于放置采集盒、数据传输设备和电源，搭载有测量系统的铅鱼在待测河段放入水中，数据传输设备和用户端通过无线局域网连接，采集盒和数据传输设备由电源供电，在用户端上设置参数进行数据采集和浓度计算。
本发明特点及有益效果：与现有技术相比，由于本发明采用了压电复合材料作为探头的传感器，具有灵敏度高、带宽大、声阻抗低的特点，与周围介质的耦合条件更优，适用于高频工作环境，弥补了高浓度条件下声衰减过大而无法得到可靠数据的不足，可测的浓度范围大大增加；探头在计算上，从时域分析和频谱分析出发，对回波信号进行处理，可以同时测量泥沙浓度和粒径分布，提高了测量准确性，同时克服了级配现场测量的困难；标定系统采用水流自循环作用形成均匀的浓度场，水沙混合效果更好。
附图说明
图1为本发明新型多频超声含沙量级配测量系统其中一个实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中室内标定设备的结构示意图；
图3为本发明实施例中野外原位测量装置结构示意图。
图中附图标记分述如下：
1-超声测量探头，2-采集盒，3-数据传输设备，4-用户端，5-电源，6-待测水体，7-回波信号，8-标定桶，9-排水管，10-自循环水泵，11-铅鱼，12-支架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的-技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚-完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种新型多频超声含沙量级配测量系统，包括超声测量探头1、采样盒2、数据传输设备3(例如路由器)、用户端4(例如计算机)、电源5。
所述超声测量探头1作为水下测量设备，需固定在相应的载体上放入待测水体中，其采用压电复合晶片作为传感器，探头采用自发自收的工作模式；所述超声测量探头1结构轻巧，可以根据不同的测量环境设计相应的探头外部结构，适用于室内外水体含沙量级配测量，并可以固定于各类测量载体上，例如室内观测的各种连接杆装置(如图2所示)或者原型观测的铅鱼11(如图3所示)等。
所述采集盒2分别连接超声测量探头1和数据传输设备3，数据传输设备3与用户端4进行通信连接(例如通过无线局域网连接)；采集盒2和数据传输设备3分别与电源5连接，电源5用于给采集盒2和数据传输设备3提供工作电压。所述用户端4装有供用户使用的界面和计算程序。
采集盒2包括信号发送单元以及信号采集单元。信号发送单元为超声测量探头1提供激发超声波的能量并控制发射晶片激发的频率；信号采集单元用于接收超声测量探头1发出的超声波的回波，并对回波进行放大和转换成数字信号，并打包后传给以太网总线接口，然后通过数据传输设备3传送给用户端4。
如图2所示，本发明实施例还包括配合使用的标定装置，所述标定装置包括标定桶8、排水管9、自循环水泵10；标定桶8用于注入纯净水和天然沙，标定桶8的上盖上预留一小孔用于加水加沙以及测量时放置超声测量探头1；自循环水泵10与两根排水管9的一端连接，排水管9的另一端伸入标定桶8，自循环水泵10启动时通过水流循环作用在标定桶8的水体内形成均匀的浓度分布场。
本发明实施例还提供一种新型多频超声含沙量级配测量方法，其采用上述系统进行，所述方法具体包括如下步骤(结合参阅图2及图3)：
1)在实验室内进行标定：选用有机玻璃制作标定桶8，标定桶8的体积已知，用自循环水泵10连接两根排水管9，通过水流循环作用在标定桶8的水体内形成均匀的浓度分布场，在标定桶8上盖上预留一小孔用于加水加沙以及测量时放置探头，向标定桶8内注入纯净水至密封线处；
2)向标定桶8内加入计算好质量的级配已知的天然沙(天然沙采自待测河段，并且经过筛分划分成若干个粒径级)，调配成浓度已知的含沙水体，打开自循环水泵10并且调节流量，整个标定桶8内的水体开始缓慢循环，直到形成相对均匀稳定的浓度场，用一移液管(或者注射器)伸入预留用于放置探头的孔内，在标定桶8约中心处的位置进行取样，经烘干称重之后计算测点的实际浓度，并和已知浓度进行对比，验证标定桶内8浓度是否均匀；
3)将已知工作频率的超声测量探头1从预留的小孔伸入标定桶8内并固定，在用户端4上连接采集盒2的局域网，设置各个参数使屏幕上出现清晰完整的波形，开始数据采集；
4)数据采集完毕保存后，向标定桶8再次加入天然沙，增加标定桶内的含沙浓度，重复步骤3)，采集不同浓度下的数据；
5)将标定桶8内的水排空，并清洗，更换另一粒径级的泥沙，按照步骤3)-步骤4)进行测量，直到完成所有粒径级不同浓度条件下数据的采集；
7)进行天然河流含沙量测量时，如图3所示，用支架12将超声测量探头1固定在铅鱼11上，放入待测河流中，通过局域网进行采集盒2与用户端4的连接，待水流稳定之后进行数据采集和浓度计算，数据计算以步骤6)中得到的反演关系为基础在系统内部自行计算得到最终的浓度和级配数据。
具体的，如图3所示，野外作业时测量天然河流中的含沙浓度，选择铅鱼11作为测量系统的载体，根据超声测量探头1的尺寸定做支架12将其固定在铅鱼11上，在铅鱼11内部预留空间用于放置采集盒2、数据传输设备3和电源5。搭载有测量系统的铅鱼11在待测河段放入水中，数据传输设备3和用户端4通过无线局域网连接。采集盒2和数据传输设备3由电源5供电，电路接通之后，在用户端4上设置参数，进行数据采集和浓度计算。
8)为获取不同测量点的数据，改变铅鱼11在河流中的位置然后再次按照上述步骤进行测量，直到完成整个河段内的数据采集。
本发明主要基于瑞利散射原理，通过时域分析和谱分析对测量区域内颗粒的声信号进行处理，主要创新在于对超声测量探头装置的室内标定，以及在天然河流中泥沙浓度的原位实时测量。本发明的测量对象是液体中的悬浮分散的颗粒浓度，可以是河流中的泥沙，也可以是实验室中的颗粒和液体的混合液。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。