一种面向水利工程的水位测量方法、设备及系统与流程
本技术涉及水位测量，具体涉及一种面向水利工程的水位测量方法、设备及系统。
背景技术：
1、水利工程中的水位测量是监测水资源状况的关键技术之一，对于水利工程的设计和建设至关重要。通过监测水库、大坝等水利工程的水位变化，可以为水资源的合理利用和管理提供科学依据；同时水位资料是水文情报和水文预报的重要依据，通过对水位变化的监测，可以及时发布洪水预警，为防洪措施的实施提供科学指导。
2、在通过超声波水位计对水利工程的水位测量过程中，外界环境例如风浪、水流速度或恶劣环境下水面漂浮物可能会影响超声波在水中的传播行为，进而使得超声波在水中的传播时间发生改变，存在水利工程水位测量不精确的弊端。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本技术的目的在于提供一种面向水利工程的水位测量方法、设备及系统，所采用的技术方案具体如下：
2、第一方面，本技术实施例提供了一种面向水利工程的水位测量方法，该方法包括以下步骤：
3、采集水位测量过程中发射的超声波信号、液面回传的超声波信号及液底回传的超声波信号所对应的电流信号，分别记为初始电流信号、液面电流信号及液底电流信号；
4、根据各水位检测周期内液面电流信号与初始电流信号之间的振幅差异及液面电流信号振幅的数据分布特征得到各水位检测周期的液面受扰因子；
5、根据各水位检测周期的液底电流信号的频域特征得到各水位检测周期的频域受扰因子；
6、将相邻多个水位检测周期作为一个水位检测区间，基于液面受扰因子与频域受扰因子获取各水位检测区间的信号受扰系数，结合神经网络获取各水位检测区间的超声波信号的回传时间修正系数；
7、根据水位检测区间的所述回传时间修正系数进行回传时间修正，基于修正的回传时间计算水位测量结果。
8、在其中一种实施例中，所述各水位检测周期的液面受扰因子的获取过程为：
9、将各水位检测周期中液面电流信号的所有振幅值组成的序列作为各水位检测周期的液面电流振幅序列；通过峰值检测算法获取各液面电流振幅序列的每个振幅波峰与振幅波谷；
10、基于各液面电流振幅序列的振幅波峰与初始电流信号的振幅之间差异获取各水位检测周期的信号振幅衰减程度；基于各液面电流振幅序列中元素分布特征计算各水位检测周期的信号振幅波动程度；
11、基于所述信号振幅衰减程度及所述信号振幅波动程度得到各水位检测周期的液面受扰因子，其中，各水位检测周期的液面受扰因子分别与所述信号振幅衰减程度及所述信号振幅波动程度成正相关关系。
12、在其中一种实施例中，所述各水位检测周期的信号振幅衰减程度的获取过程为：
13、计算初始电流信号的振幅与每个振幅波峰之间的差异，记为第一振幅差异；将各水位检测周期的液面电流振幅序列中所有振幅波峰的所述第一振幅差异的融合值作为各水位检测周期的信号振幅衰减程度。
14、在其中一种实施例中，所述各水位检测周期的信号振幅波动程度的获取过程为：
15、计算各振幅波峰分别与左右相邻的振幅波谷之间的振幅差值，将各水位检测周期的液面电流振幅序列的所有所述振幅差值组成的序列作为各振幅差序列，获取所述振幅差序列的四分位距；
16、计算各水位检测周期的液面电流振幅序列中所有元素的离散程度；各水位检测周期的信号振幅波动程度与所述离散程度成正相关关系，与所述四分位距成负相关关系。
17、在其中一种实施例中，所述各水位检测周期的频域受扰因子的获取过程为：
18、获取各水位检测周期的液底电流信号频谱图，将频谱图中每个频率成分的各信号包络中的最大能量记为第一最大能量；将各频率成分的所有信号包络的第一最大能量组成的序列作为各频率成分的频谱能量序列；
19、计算任意两个频率成分的频谱能量序列之间的相似度，将所述频谱图中所有所述相似度的融合值作为各水位检测周期的频谱偏移强度；基于所述频谱图中所有信号包络的带宽得到各水位检测周期的频谱带宽扩展程度；
20、基于所述频谱偏移强度及所述频谱带宽扩展程度得到各水位检测周期的频域受扰因子，其中，各水位检测周期的频域受扰因子分别与所述频谱偏移强度及所述频谱带宽扩展程度成正相关关系。
21、在其中一种实施例中，所述各水位检测周期的频谱带宽扩展程度的获取过程为：
22、将各频率成分的所有信号包络的预设分贝的带宽组成的序列作为各频率成分的频谱带宽序列；获取各频率成分的频谱带宽序列中所有元素的均值，记为第一均值；将所述频谱图中所有频率成分的所述第一均值的最小值对应的频谱带宽序列记为特征带宽序列；
23、计算各频率成分的频谱带宽序列与所述特征带宽序列之间的距离，将所述频谱图中所有频率成分的所述距离的融合值作为各水位检测周期的频谱带宽扩展程度。
24、在其中一种实施例中，所述回传时间修正系数的获取过程为：
25、将各水位检测区间内所有水位检测周期的液面受扰因子及频域受扰因子的融合值作为各水位检测区间的信号受扰系数；
26、将各水位检测区间的液面电流信号、液底电流信号及信号受扰系数作为神经网络的输入，输出为超声波信号的回传时间修正系数。
27、在其中一种实施例中，所述根据水位检测区间的所述回传时间修正系数进行回传时间修正，基于修正的回传时间计算水位测量结果，具体为：
28、将第x个水位检测区间修正后的超声波信号回传时间记为，的表达式为：，式中为第x个水位检测区间的液底回传超声波信号的回传时间，为第x个水位检测区间超声波信号的回传时间修正系数；
29、将第x个水位检测区间的水位测量结果记为，的表达式为：，式中、分别为第x个水位检测区间修正后的超声波信号回传时间及超声波信号发射时间，v为声音传播速度。
30、第二方面，本技术实施例提供了一种面向水利工程的水位测量设备，包括：
31、水位测量信号采集模块：采集水位测量过程中发射的超声波信号、液面回传的超声波信号及液底回传的超声波信号所对应的电流信号，分别记为初始电流信号、液面电流信号及液底电流信号；
32、信号回传时间修正模块：根据各水位检测周期内液面电流信号与初始电流信号之间的振幅差异及液面电流信号振幅的数据分布特征得到各水位检测周期的液面受扰因子；
33、根据各水位检测周期的液底电流信号的频域特征得到各水位检测周期的频域受扰因子；
34、将相邻多个水位检测周期作为一个水位检测区间，基于液面受扰因子与频域受扰因子获取各水位检测区间的信号受扰系数，结合神经网络获取各水位检测区间的超声波信号的回传时间修正系数；
35、水位测量模块：根据水位检测区间的所述回传时间修正系数进行回传时间修正，基于修正的回传时间计算水位测量结果。
36、第三方面，本技术实施例还提供了一种面向水利工程的水位测量系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述方法的步骤。
37、本技术实施例至少具有如下有益效果：
38、本技术根据液面电流信号的时域振幅特征获得液面受扰因子，综合考虑了液面电流信号的信号振幅衰减特征与信号振幅波动特征，更精确的反映了水位测量结果受风浪、水面漂浮物的干扰状况；根据液面受扰因子与液底电流信号的频域特征获得信号受扰系数，并以此获取超声波信号回传时间修正系数，在分析风浪、水面漂浮物对超声波信号干扰程度的基础上进一步分析了水流速度对于水位测量结果的干扰程度；根据超声波回传时间修正系数对回传时间进行修正，获得精确的水位测量结果，避免因外界环境干扰程度较大影响超声波在水中的传播，进而导致超声波回传时间不精确，无法准确测量水利工程水位的问题，提高了水位测量结果的准确性。
技术特征：
1.一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述各水位检测周期的液面受扰因子的获取过程为：
3.如权利要求2所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述各水位检测周期的信号振幅衰减程度的获取过程为：
4.如权利要求2所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述各水位检测周期的信号振幅波动程度的获取过程为：
5.如权利要求1所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述各水位检测周期的频域受扰因子的获取过程为：
6.如权利要求5所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述各水位检测周期的频谱带宽扩展程度的获取过程为：
7.如权利要求1所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述回传时间修正系数的获取过程为：
8.如权利要求1所述的一种面向水利工程的水位测量方法，其特征在于，所述根据水位检测区间的所述回传时间修正系数进行回传时间修正，基于修正的回传时间计算水位测量结果，具体为：
9.一种面向水利工程的水位测量设备，包括：
10.一种面向水利工程的水位测量系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任意一项方法的步骤。
技术总结
本申请涉及水位测量技术领域，具体涉及一种面向水利工程的水位测量方法、设备及系统，具体包括：根据各水位检测周期内液面电流信号与初始电流信号之间的振幅差异及液面电流信号振幅的数据分布特征得到各水位检测周期的液面受扰因子；结合各水位检测周期的液底电流信号的频域特征获取各水位检测区间的信号受扰系数，结合神经网络获取各水位检测区间的超声波信号的回传时间修正系数；根据超声波回传时间修正系数对回传时间进行修正，获得精确的水位测量结果。避免因外界环境干扰程度较大影响超声波在水中的传播，进而导致超声波回传时间不精确，无法准确测量水利工程水位的问题，提高了水位测量结果的准确性。
技术研发人员：李建明,章俊,牟德康
受保护的技术使用者：山东智禹水利科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23