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(1.長江科學(xué)院 河流研究所, 武漢 430010; 2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072)

在模型試驗與泥沙研究中，含沙量的測量與控制對泥沙運移等情況的研究具有十分重要的意義[1]。長期以來，模型試驗中泥沙濃度及其垂線分布的測量與在線同步分析一直在不斷地探索中[2-6]，但并沒有找到一種很好的解決方案。隨著B超成像技術(shù)的日益發(fā)展，B超對水中的微小沙粒已經(jīng)具有很好的實時成像能力，靈敏度也較高，特別是對被測量體無接觸無擾動的特點在一定范圍內(nèi)能夠反映水中沙粒濃度的變化情況[7-8]。因此，本文編寫了一套針對B超的含沙量分析軟件，在三維定位行走控制平臺的幫助下，構(gòu)建了一個基于B超的含沙量分析與測量系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了含沙量及其垂線分布的在線同步分析與測量，為模型試驗的泥沙測量與研究提供了一種新的途徑。

1 系統(tǒng)組成及其原理

本文構(gòu)建了一個基于B超的含沙量分析與測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Apogee1100型B超診斷儀、模型水槽、三維定位行走控制平臺、系統(tǒng)計算機(jī)和對應(yīng)的含沙量分析軟件組成，如圖1所示。圖中B超探頭置于水槽中并接觸水面，三維定位行走控制平臺搭載B超儀，并控制B超探頭對測量區(qū)域進(jìn)行定位與水中沙粒圖像信號的采集，含沙量分析軟件安裝在計算機(jī)上，對B超采集回來的圖像信號進(jìn)行相關(guān)處理分析。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

在泥沙濃度較低的模型試驗中，利用B超儀對含沙水流進(jìn)行成像，B超儀能夠?qū)崟r地反映水中沙粒顆粒的大小和運動情況。從采集到的B超圖像中，也可以看到沙粒亮斑隨著水中顆粒濃度的增加而增加，如圖2所示。圖2(a)和圖2(b)是B超采集到的體積濃度分別為0.5‰和3.0‰的圖像。因此，含沙量分析軟件的任務(wù)是分析提取B超圖像中的沙粒光斑信號，并尋找這種信號與實際含沙量的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而利用這種關(guān)系來測量未知濃度的含沙量。

圖2 B超對流動沙水混合物的成像

2 含沙量的分析計算方法

針對B超采集回來的圖像視頻信號，含沙量分析軟件首先將視頻信號轉(zhuǎn)化為BMP圖像信號，然后分析統(tǒng)計每幀BMP圖像中沙粒成像光斑面積的灰度濃度與實際含沙量的關(guān)系，并建立關(guān)系表格，最后通過查表和插值的方式進(jìn)行含沙量的實際測量。為了更好地分析提取這種關(guān)系，本文對圖像進(jìn)行統(tǒng)一的預(yù)處理[9]，即進(jìn)行統(tǒng)一的中值濾波和灰度補(bǔ)償，濾除背景噪聲之后，再進(jìn)行閾值分割，自動識別測量區(qū)域的沙粒光斑及其他有關(guān)信息。

2.1 統(tǒng)計分析灰度濃度

針對B超圖像編寫的含沙量分析軟件在進(jìn)行灰度濃度的提取和計算之前，首先進(jìn)行了測量區(qū)域和測量目標(biāo)的自動識別，對原始BMP圖像進(jìn)行閾值分割處理，其處理方法如式(1)所示：

(1)

式中，f(i,j)為原始圖像中像素點(i,j)的灰度值f(i,j)的集合，閾值T取T=f90(f90為清水試驗圖像中90%的像素點的灰度值都小于等于該灰度值)，同理g(i,j)為式(1)處理之后的目標(biāo)圖像。然后在目標(biāo)圖像g(i,j)中計算灰度濃度，即相對灰度的百分比，其定義如式(2)所示：

(2)

式中：C為灰度濃度；Nall為目標(biāo)圖像中測量區(qū)域所占像素點的總個數(shù)；n=1表示測量區(qū)域的第1個像素點；g(i,j)為像素點(i,j)的灰度值；g(i,j)/255為該點的相對灰度。在實際測量過程中，由于B超在很短時間內(nèi)可以獲得多幀圖像，故在這個較短時間里的多幀圖像可以拼湊出含沙水流通過B超探頭的一段體積。于是，式(2)就變?yōu)?/p>

(3)

式中：取總數(shù)M幀圖像分析；g(i,j)m為第m幀圖像中像素點(i,j)的灰度值。為了分析含沙量的垂線分布情況，本文將每一個采集剖面按從上到下分成若干層(如沿著水深方向分為k層)，分別計算每層的灰度濃度。則第k層的灰度濃度Ck的計算方法如式(4)所示：

(4)

式中：g(i,j)m,k為第m幀圖像中第k層中像素點(i,j)的灰度值；Nall,k為圖像中第k層的總像素點的個數(shù)。

2.2 率定對應(yīng)關(guān)系

為了率定灰度濃度與實際含沙量之間的對應(yīng)關(guān)系，本文以河工模型試驗常用的模型塑料沙(中值粒徑為0.35 mm)和漢口江灘天然沙(中值粒徑為0.25 mm)為例，進(jìn)行了率定試驗[10]。試驗中B超的頻率設(shè)為5 MHz，調(diào)整其他參數(shù)到合適位置并保持不變。B超探頭接觸水面，試驗容器體積10 L，用攪拌器均勻攪動。試驗過程中每次加入5 mL體積的沙，配成標(biāo)準(zhǔn)體積濃度0.0‰(自來水)到5.0‰的混合液，并保持?jǐn)嚢杵鲃蛩俎D(zhuǎn)動。每個測量點取50幀圖像計算灰度濃度并求平均值，直到B超圖像趨向飽和。率定試驗數(shù)據(jù)如表1所示，其中含沙量的單位為體積千分比(‰)，灰度濃度的單位為面積百分比(%)，由表1繪制的率定曲線如圖3所示。

表1 實際含沙量與灰度濃度的對應(yīng)關(guān)系

圖3 灰度濃度與實際含沙量的率定曲線

根據(jù)表1和圖3可知，塑料沙和江灘沙的體積濃度分別達(dá)到3.5‰和4.0‰時，率定曲線逐漸變平緩，灰度濃度增加緩慢，圖像接近飽和。這是因為含沙量的濃度較高時，沙粒光斑會相互重疊，從而限制了灰度濃度的進(jìn)一步增加，故本文所述方法比較適合低含沙量的測量。

另外，從表1和圖3中也可以看出沙的粒徑越大圖像越容易飽和，不同材質(zhì)塑料沙和江灘沙的率定曲線也存在一定的差異。因此，沙粒的材質(zhì)、粒徑及其級配等會對B超的圖像信號造成一定的影響[2,4,11]，從而造成了灰度濃度與含沙量的對應(yīng)關(guān)系曲線的不同，故需要對專門的測量對象進(jìn)行專門的率定試驗，簡化操作，以保證測量結(jié)果的可靠性。

含沙量分析軟件在處理灰度濃度與含沙量的對應(yīng)關(guān)系時，采用查表的方式，即建立灰度濃度與含沙量的對應(yīng)關(guān)系表格，通過查表或者根據(jù)表格采用拉格朗日插值法[12]來計算待測含沙量。

由上述可知，含沙量分析軟件的處理過程為：對B超采集到的圖像信號進(jìn)行統(tǒng)一的預(yù)處理，包括濾波和背景噪聲處理，并自動識別測量區(qū)域和沙粒光斑；根據(jù)式(3)計算灰度濃度C，根據(jù)式(4)計算垂線方向上各層的灰度濃度Ck；根據(jù)灰度濃度與實際含沙量的關(guān)系表格查找或計算當(dāng)前待測含沙量；最后進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的顯示與保存。

3 首次應(yīng)用的結(jié)果與分析

以河工模型水槽試驗為例，在上述試驗對象和率定關(guān)系的條件下，進(jìn)行了含沙量的實際測量和分析。借助B超儀、三維定位行走控制平臺，含沙量分析軟件完成對含沙量及其垂線分布的自動測量與顯示，測量對象為上述粒度約0.35 mm的模型塑料沙，其灰度濃度與實際含沙量的對應(yīng)關(guān)系如表1和圖3所示，采用查表和拉格朗日插值的方式來計算待測含沙量。含沙量分析軟件控制顯示界面及其一個測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 含沙量分析的結(jié)果及其顯示界面

圖4中的左邊為含沙量分析的控制部分及有關(guān)數(shù)據(jù)顯示；中間顯示了有關(guān)參數(shù)以及從水面往下第一層的起點深度和每層的水深寬度，B超圖像中灰點表示自動識別出來的沙粒目標(biāo)點；右邊顯示了含沙量濃度沿垂線方向的分布，即沿水深的分布情況，并在對應(yīng)位置顯示了對應(yīng)層的含沙量；底部的亮帶為河床地形的上表面，軟件自動識別地形并進(jìn)行劃分。含沙量分析軟件在進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時顯示的同時也進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的輸出與保存。

圖4中含沙量沿垂線分布的測量結(jié)果與真實值的關(guān)系如表2所示，繪制的對比關(guān)系如圖5所示。

表2 含沙量垂線分布的測量值與真實值

圖5 垂線分布測量值與真實值的對比

圖6為含沙量測量過程中的一個動態(tài)結(jié)果。由此可知，本文所述系統(tǒng)及其測量方法能很好地反映含沙量的垂線分布及其動態(tài)變化情況，并與真實值很接近，而且比其他方法來得更加直觀和更加快捷。

圖6 含沙量測量的動態(tài)分析

4 結(jié) 論

根據(jù)以上所述，本文所描述的一種基于B超成像的含沙量測量與在線同步分析軟件及其應(yīng)用系統(tǒng)是可行的。該系統(tǒng)比較適合河港工模型試驗中的較低濃度的含沙量及其垂線分布的測量分析，能夠直觀可視地反映含沙量的動態(tài)變化過程及其垂線分布情況，具有靈敏度高、實時性好、對水流無擾動的特點。在含沙量分析軟件的幫助下，操作簡單快捷且功能完善，能夠?qū)崟r連續(xù)地自動進(jìn)行含沙量的有關(guān)分析和測量。該軟件及其應(yīng)用系統(tǒng)不失為模型試驗中低含沙量測量及其垂線分布情況分析的一種新手段。

*本研究資金來源于2011年中央級科學(xué)事業(yè)單位修繕購置項目“河工模型多參數(shù)量測自動系統(tǒng)設(shè)備購置”。

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