本发明涉及水流速测量技术领域，特别提供了一种基于相关法的冰下河水流速测量装置及测量方法。
背景技术：
随着我国经济社会的发展，河流综合利用逐渐成为重要的研究课题，水文信息与航运、水利、生态等部门息息相关，而流速作为一项重要的水文情报，其准确测量对水文信息的准确性至关重要。流速仪是测量流速的仪器，被广泛应用于专业水利水文研究流速测量的单位中。
测量河水流速的方法有很多，悬桨流速测量法和传播速度差法运用较广泛。其中，悬桨测量法是将测量装置探入水下，虽然可以测得各深度的流速，但受环境影响较大，我国东北气候寒冷，在结冰之后运用悬桨测量法需要破冰，耗费大量的成本和人力；传播速度差法是向冰面发射超声波，用换能器接收反射回的信号，通过超声波顺流和逆流的速度差求得河水流速，虽然结构简单，但超声波传播与水流速度差距极大，对超声传播速度测量精度要求很高。
因此，研制一种具有较高精度且不易受天气环境等因素影响的冰下河水流速测量装置，成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于相关法的冰下河水流速测量装置及测量方法，以解决现有河水流速测量装置难以在冰面上准确测量的问题。
本发明一方面提供了一种基于相关法的冰下河水流速测量装置，包括：信号接收装置和上位机，其中，所述信号接收装置包括依次连接的音频传感模块、带通滤波电路、信号保护电路、音频放大模块、模数转换器和单片机，所述音频传感模块为两个，沿河水流动方向间隔置于冰面上，用于采集冰下河水流动产生的随机噪声信号，所述随机噪声信号依次经带通滤波、信号保护、放大、模数转换后传送至单片机，所述上位机与单片机连接，用于接收两路处理后的随机噪声信号，并利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数与时延的关系及速度公式得到冰下河水流速。
优选，所述音频传感模块采用cma-4544pf-w麦克风作为音频采集探头，并设置基于max4466微功率运放的前级放大器，音频采集范围20hz-20khz，增益带宽为600khz。
进一步优选，沿河水流动方向布置的两路音频传感模块的距离小于40cm。
进一步优选，所述信号保护电路包括两个反接的齐纳二极管。
进一步优选，所述音频放大模块包括ad828运算放大器芯片。
进一步优选，所述模数转换器采用高精度16位数模转换芯片ad7606。
进一步优选，所述单片机为stm32f103c8t6单片机。
进一步优选，所述上位机通过串口通讯模块与单片机连接。
本发明还提供了一种基于相关法的冰下河水流速测量方法，包括：
沿河水流动方向在冰面上间隔放置两个音频传感模块，用于采集冰下河水流动产生的随机噪声信号；
对采集到的两路随机噪声信号进行处理，得到两路处理后的随机噪声信号，其中，所述处理包括带通滤波、信号保护、放大、模数转换；
利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数与时延的关系及速度公式得到冰下河水流速。
本发明提供的基于相关法的冰下河水流速测量装置的理论基础是互相关流速测量法，在距离足够小的情况下，布置在冰面上的两路音频传感模块采集到的随机流动噪声具有相同的特征，两者间仅存在一个时延，即河水流过两传感器间距离所用的时间，所述时延可通过两路信号的互相关函数与时延的关系得到，具体地：互相关函数的峰值所对应的横坐标即为两路信号的时延，之后，利用已知的两音频传感模块的间距及速度公式即可求得河水经过两传感模块间的流速，即：河水流速。
本发明提供的基于相关法的冰下河水流速测量装置，可以实现冰下河水流速的测量，具体地：在冰面上沿河水流动方向间隔布置两路音频传感模块，用于采集河水流动产生的随机噪声信号，经滤波、信号保护、放大、模数转换后传输至单片机，上位机与单片机通讯，用于对接收到的随机噪声信号进行处理，以得到河水流速。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的基于相关法的冰下河水流速测量装置的结构框图；
图2为音频传感模块在检测过程中的布设位置图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明专利进行进一步的解释，但不局限本发明专利。
如图1、图2所示，本发明提供了一种基于相关法的冰下河水流速测量装置，包括：信号接收装置1和上位机2，其中，所述信号接收装置1包括依次连接的音频传感模块11、带通滤波电路12、信号保护电路13、音频放大模块14、模数转换器15和单片机16，所述音频传感模块11为两个，沿河水流动方向间隔置于冰面上，用于采集冰下河水流动产生的随机噪声信号，所述随机噪声信号依次经带通滤波、信号保护、放大、模数转换后传送至单片机16，其中，所述带通滤波电路用于提取随机噪声信号中相关性强的频率部分，滤去其他频率部分，所述上位机2与单片机16连接，用于接收两路处理后的随机噪声信号，并利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数与时延的关系及速度公式得到冰下河水流速。
该基于相关法的冰下河水流速测量装置，可以实现冰下河水流速的测量，具体地：在冰面上沿河水流动方向间隔布置两路音频传感模块，用于采集河水流动产生的随机噪声信号，经滤波、信号保护、放大、模数转换后传输至单片机，上位机与单片机通讯，用于对接收到的随机噪声信号进行处理，以得到河水流速。
作为技术方案的改进，所述音频传感模块11采用cma-4544pf-w麦克风作为音频采集探头，并设置基于max4466微功率运放的前级放大器，音频采集范围20hz-20khz，增益带宽为600khz。
作为技术方案的改进，沿河水流动方向布置的两路音频传感模块11的距离小于40cm。
作为技术方案的改进，所述信号保护电路13包括两个反接的齐纳二极管，所述带通滤波电路12的两个输出端连接在所述两个反接的齐纳二极管上。
作为技术方案的改进，所述音频放大模块14包括ad828运算放大器芯片。
作为技术方案的改进，所述模数转换器15采用高精度16位数模转换芯片ad7606。
作为技术方案的改进，所述单片机16为stm32f103c8t6单片机。
作为技术方案的改进，如图1所示，所述上位机2通过串口通讯模块3与单片机16连接。
本发明还提供了基于相关法的冰下河水流速测量方法，包括：
s1：沿河水流动方向在冰面上间隔放置两个音频传感模块，用于采集冰下河水流动产生的随机噪声信号；
s2：对采集到的两路随机噪声信号进行处理，得到两路处理后的随机噪声信号，其中，所述处理包括带通滤波、信号保护、放大、模数转换；
s3：利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数与时延的关系及速度公式得到冰下河水流速。
其中，s3具体包括：
s31：利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数获得两路处理后的随机噪声信号的时延；
s32：利用速度公式计算冰下河水流速。
其中，利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数获得时延的方法如下：
对两路处理后的随机噪声信号x(t)、y(t)进行互相关运算，得到互相关函数；
找到互相关函数峰值所对应的横坐标并作为时延。
因为互相关函数峰值所对应的横坐标即为两路处理后的随机噪声信号的时延，即：河水流过两路音频传感模块11的时延。
其中，利用速度公式计算河水流速的方法如下：
通过如下公式计算河水流速：
式中，l表示两路音频传感模块在冰面上的距离，τ0为s31中获得的两路处理后的随机噪声信号的时延。
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
1.基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于，包括：信号接收装置(1)和上位机(2)，其中，所述信号接收装置(1)包括依次连接的音频传感模块(11)、带通滤波电路(12)、信号保护电路(13)、音频放大模块(14)、模数转换器(15)和单片机(16)，所述音频传感模块(11)为两个，沿河水流动方向间隔置于冰面上，用于采集冰下河水流动产生的随机噪声信号，所述随机噪声信号依次经带通滤波、信号保护、放大、模数转换后传送至单片机(16)，所述上位机(2)与单片机(16)连接，用于接收两路处理后的随机噪声信号，并利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数与时延的关系及速度公式得到冰下河水流速。
2.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：所述音频传感模块(11)采用cma-4544pf-w麦克风作为音频采集探头，并设置基于max4466微功率运放的前级放大器，音频采集范围20hz-20khz，增益带宽为600khz。
3.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：沿河水流动方向布置的两路音频传感模块(11)的距离小于40cm。
4.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：所述信号保护电路(13)包括两个反接的齐纳二极管。
5.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：所述音频放大模块(14)包括ad828运算放大器芯片。
6.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：所述模数转换器(15)采用高精度16位数模转换芯片ad7606。
7.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：所述单片机(16)为stm32f103c8t6单片机。
8.按照权利要求1所述的基于相关法的冰下河水流速测量装置，其特征在于：所述上位机(2)通过串口通讯模块(3)与单片机(16)连接。
9.基于相关法的冰下河水流速测量方法，其特征在于，包括：
沿河水流动方向在冰面上间隔放置两个音频传感模块，用于采集冰下河水流动产生的随机噪声信号；
对采集到的两路随机噪声信号进行处理，得到两路处理后的随机噪声信号，其中，所述处理包括带通滤波、信号保护、放大、模数转换；
利用两路处理后的随机噪声信号的互相关函数与时延的关系及速度公式得到冰下河水流速。
技术总结