水中泥沙浓度的超声成像测量研究.pdf

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1、泥沙研究2015年4月JournalofSedimentResearch第2期文章编号：0468—155X(2015)02-0024—05水中泥沙浓度的超声成像测量研究王仲明，王常明，王钢城，邹先坚(1．吉林大学建设工程学院，吉林长春130026；2．武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072)摘要：在利用B超仪对沙水混合物进行成像的试验中，发现图像中沙粒光斑的总面积和强度与水中含沙量呈现出一定的对应增长关系，根据这种关系提出了一种基于B超成像技术的含沙量测量分析方法。该方法利用B超仪获得水中悬浮沙粒的图像，通过统计分析图像中沙粒光斑的总面积强度与整个测量

2、区域的比值得到灰度比值，最后建立灰度比值与实际含沙量的对应关系，并利用这种关系来计算待测含沙量。该方法灵敏度较高，对水流无扰动，能够实时连续地反映水中含沙量的动态变化及其垂线分布，特别适合较低浓度的泥沙测量和分析研究。关键词：含沙量测量；B超成像技术；垂线分布；灰度比值；率定关系中图分类号：TV149．1文献标识码：ADOI：10．16239／j．cnki．0468—155x．2015．02．004水中含沙量的测量及其垂线分布对研究水土保持、河道疏通、堤坝建立和水文观测等有着重要的意义。实时、连续和全面地反映泥沙浓度的空间分布和动态运动过程是模型试验中含沙

3、量测量的难题之一也是泥沙理论研究与实践的重要内容之一¨。。多年来科技人员一直在积极探索含沙量的现代测，量方法，如电导法、电容法、振动法、光电法、超声波法、激光法、射线法和红外线法等。这些方法的测量精度一般比较低，容易受到传感器灵敏度的限制和现场客观条件的影响，使用也比较繁琐，基本上都属于点式测量，并且含沙量垂线分布大都是基于推导公式或者经验公式的方法，不能实时连续地反映含沙量的整体与局部的变化及其沿垂线方向的分布情况。基于此，本文提出了一种利用B超成像技术来实时动态地测量分析含沙量的方法。该方法利用现有医用B超来直接观测水中泥沙的悬浮沙粒，借助图像采集卡传

4、递沙粒光斑的实时图像到计算机，再利用图像处理技术来分析和提取图像中沙粒光斑的有关信号，通过率定试验建立沙粒光斑信号与实际含沙量的关系，进而利用这种关系来分析测量待定含沙量。1测量原理B超使用的高频超声波对含沙水流具有较好的穿透能力，并对水中微小沙粒的反射非常敏感，特别是现代医用B超广泛采用数字声束合成技术，显著提高了成像的精度和分辨能力，使得B超仪对水下细小沙粒的实时成像成为可能。图1(a)是静态下，医用B超仪采集到的水下沙粒的实时图像，其中沙粒的平均粒径为0．1mm，光斑是对应沙粒的B超成像结果。由图1(a)可知，B超仪可以识别小至0．1mm的沙粒，足以

5、满足工程上一般含沙量的测量要求。事实上，在水中含沙量较低时，沙粒间距比较大，B超对沙粒的成像具有可辨性。随着含沙量的增加，光斑数量也会增加，光斑的总面积及其强度也会增加。所以，利用B超成像技术可以获得水下悬浮收稿日期：2013—02—27基金项目：国家自然科学基金面上项目(41072191，40972171)；中央高校基本科研业务费专项资金(2014212020205)作者简介：王仲明(1989一)，男，湖北黄石人，硕士研究生，主要从事岩土工程与地质工程方面研究。E-mail：tianxiawusuan@sohu．corn243对应关系的率定为了验证计算灰

6、度比值与实际含沙量之间的对应关系，本文采用河港工模型常用的塑料沙(平均粒径为0．3mm)进行了率定试验。试验中B超的频率5MHz、用搅拌器均匀搅动，B超探头接触水面，试验容器体积IOL，水深20cm。试验过程中每次加入5mL体积的沙，配成标准体积浓度0．0‰到6．0％0的混合液，并保持搅拌器匀速转动。每个测量断面取50帧图像计算灰度比值并求平均值，直到B超图像趋向饱和。多次率定试验之后的数据见表l，由表1绘制的率定曲线如图2所示。表1实际含沙量与灰度比值的对应关系Table1Relationshipbetweengrayscaleratioandsuspe

7、ndedsedimentconcentration含沙量／‰灰度比值／％含沙量／％o灰度比值／％含沙量／‰灰度比值／％含沙量／‰灰度比值／％O．20．00441．0O．1O632．50．30824．50．39930．40．02251．20．14373．00．33865．O0．41520．60．04821．50．20213．50．35915．50．42870．80．07222．O0．27494．0O．38156．O0．4379根据表1和图2可知，塑料沙的体积浓度达到6．0％o时，率定曲线逐渐变缓，灰度比值增加缓慢，逞接近饱和。这是因为含沙量的浓度较高时，沙粒

8、光骚斑会相互重叠，进而阻碍了沙粒光斑面积的增加，世J蛊：同时超声波