延時補發技術在流速儀信號無線傳輸中的應用

彭 娟

（湖南省水文儀器設備檢測中心，湖南 長沙 410007）

引 言

利用水文纜道進行流速儀測流是水文測驗最主要的流量測驗手段之一。目前，流速儀信號的傳輸方式主要分為有線信號傳輸和無線信號傳輸兩種方式，有線信號傳輸是利用水文纜道的起重索（鋼絲繩）-水體-大地構成有線傳輸回路，以直流信號或音頻信號進行傳輸；無線信號傳輸是水下信號源采集到流速信號后，將信號調制到一定的頻率，通過無線電磁波的方式傳輸至岸上接收機。

無線信號傳輸為保證傳輸效率需通過單獨的天線進行傳輸，由于無線電磁波在水中衰減極快的特性，所以要確保信號傳輸可靠則發射天線必須保證在水面以上，但在實際測流時，流速儀進行上升下降的運動過程中天線很難始終保持在水面以上，這就導致依靠水文纜道進行流速儀測流時無線信號傳輸技術應用的局限性。為此本文提出流速儀信號無線傳輸延時補發技術，在電臺天線入水通訊中斷后，通過啟動水下信號源自主在水下工作，按照流速測驗歷時準確記錄信號數并存儲，等待電臺天線出水后再將數據補發給岸上接收機。經實際應用證明，該技術能夠有效解決流速儀信號無線傳輸中電臺天線入水后無法測驗的問題，取得了很好的效果。

1 流速儀信號無線傳輸特性

流速儀信號無線傳輸是指水文纜道流速儀測流過程中，將采集到的流速儀信號調制成一定頻率的電磁波，通過空氣介質將信號傳輸到岸上接收機的過程。無線傳輸因傳輸介質是空氣，跟纜道、水體、大地并無關聯，所以信號不受現場環境影響，故無線傳輸方式其適用性和穩定性大大超過有線信號，但是水文行業實際應用并不多，這是因為無線信號傳輸在水文纜道測流應用上的局限性所決定的。采用無線傳輸纜道測驗信號的前提條件是通信電臺的天線需利用大氣作為介質進行傳輸，一旦發射端天線入水，發射的通信信號被水體吸收造成信號通信中斷，但是發射端天線長度也不宜過長，天線的連接線過長會導致信號發射衰減程度增大，此外受水文纜道自身結構影響，理論上捆綁在纜道提放索上的天線長度不大于鉛魚停放平臺至行車轉向滑輪之間的長度（設為L）。對于大多數用纜道測驗的水文站來說這個長度滿足測深、測流的要求，但有些水文站在測河底流速時，最大入水深度h＞L（天線入水），河底流速信號不能在水下發射，無法滿足大水深的流速測驗，所以綜合幾個方面的原因，無線信號傳輸在水文纜道流速儀測流實際使用時，由于必須確保發射天線露出水面從而導致流速儀無法到達較深的水下測點位置。

2 流速儀信號延時補發技術原理

為了充分發揮無線信號傳輸良好的穩定性和廣泛的適用性，解決無線信號傳輸在流速儀測流上存在的瓶頸問題，采用了一種流速儀信號延時補發技術。該技術用于當發射電臺天線入水通訊中斷后，通過水下信號源內部定時器自主測流功能在水下自動啟動流速儀信號的采集計數，并在通訊恢復（電臺天線露出水面）后將測流數據傳回岸上接收機，從而解決無線信號傳輸在深水情況下流速儀的測流問題。

該技術的工作機制是當流速儀進行深水測流時，岸上接收機根據通信電臺天線長度、流速測點水深度等工作參數，判斷通信電臺天線將淹沒在水面以下。當通信電臺天線位于水面以上位置時，岸上接收機先計算流速儀從當前位置下降到測點位置時的延時時間，然后發送延時測速指令給水下信號源，并及時操作纜道將流速儀下降到指定深度的測點位置，在通訊中斷的情況下，水下信號源根據設定的延時時間判斷，當延時時間達到后，開始采集流速儀的信號并記錄存儲。岸上接收機根據延時測速時間和測速歷時，判斷水下信號源完成測點流速測驗后，提示操作人員將電臺通信天線提升到水面以上。當水下信號源上升到水面以上后，水下信號源將存儲的信號數、測速歷時等測流數據發給岸上接收機，從而完成流速信號的采集及延時補發。

延時補發技術工作流程如圖1所示。

圖1 延時補發技術工作流程圖

3 延時補發技術中難點問題的解決

3.1 水下信號源對流速儀抖動信號的智能處理

流速儀在接通或斷開時，無論是接觸絲式流速儀，還是干簧管式流速儀，撥片（簧片）有可能在機械動作時誤觸發從而產生抖動信號。一般情況下流速儀的抖動信號可通過人工識別剔除，但是采用延時補發技術后，整個流速信號采集過程完全由水下信號源自主完成，包括對流速儀抖動信號的智能識別處理。

流速儀在實際使用中，信號由標準信號、抖動信號、尖峰干擾信號以及其他干擾信號疊加組成。水下信號源電路采用單穩態觸發器和施密特觸發器對流速儀信號進行整形，使流速儀信號的波形干擾盡可能少。

流速儀的濾波電路不能完全剔除抖動信號的干擾，水下信號源在電路濾波的基礎上再增加軟件濾波，軟件濾波采用信號周期脈寬識別法。信號周期脈寬識別法的原理是：流速儀周期信號的脈寬遠遠大于抖動信號的脈寬，且在測點測速時，流速儀的正常周期脈寬信號變化不大，水下信號源根據自動調整的信號周期脈寬對流速儀信號進行智能識別，從而達到完全剔除抖動信號的目標。信號周期脈寬識別法不需要軟件的連續采樣，資源占用少，效果顯著。

3.2 水體導電率影響流速信號采集的處理

流速儀信號線的接線柱完全裸露在天然水體中，如果水體導電率良好，會使流速儀的正負極接線柱產生誤導通，影響流速信號的采集。

在天然河道中，不同測點位置的水體導電離子會使導電率變化。為避免水電阻對流速儀信號采集的干擾，水下信號源設計了水電阻檢測電路，水電阻檢測電路由R1、R2、R3、R4、電壓跟隨器A組成。其中電阻R1、R2組成分壓電路，為電壓跟隨器A1設定比較電壓U1。電阻R3、R4組成分壓電路，為電壓跟隨器A2設定比較電壓U2。當流速儀未導通時，U1>U2，比較器A3輸出低電壓，三極管處于截止狀態，光電耦合器輸出為高阻狀態。當流速儀導通后，流速儀接觸點閉合發出一個開關信號，U1

4 延時補發技術的應用測試

湖南省婁底市冷水江水文站受下游閘壩回水頂托影響，流量測驗斷面水深較大，該站所采用的傳統流速測驗通信方式，在深水測點進行流速測驗時信號經常丟失，為驗證延時補發技術解決冷水江水文站在深水流速測驗時的問題，選取冷水江水文站作為延時補發技術的實際測試場所。

2019年8月15日在冷水江水文站進行流速儀信號延時補發技術野外測試，測時水位為166.43 m（85黃海高程，下同），冷水江站測流斷面起點距110 m的河底高程為154.10 m，則該處的垂線水深為12.33 m，相對水深0.8位置的測點水深為9.86 m，而電臺天線的長度為8.0 m。如果將轉子式流速儀布設在起點距110 m，相對水深0.8的測點位置，則天線入水深度為1.86 m,滿足天線完全淹沒條件下的流速儀信號延時補發測試條件。

先操控水文纜道將鉛魚布設到測速垂線起點距110 m位置，鉛魚到達110 m起點距位置并入水后停止等待下一步動作，選取相對水深為0.8測點位置進行流速采集，測速歷時設為100 s。鉛魚的下降速度按0.3 m/s計算，則下降9.86 m需要32.9 s,為防止實際下降速度和操作有誤差，將下降9.86 m的時間適當冗余放量到60 s。根據延時時間要大于測速歷時時間和流速儀下降到所測水深位置的時間總和的原則,設置延時時間為160 s，點擊啟動延時倒計時后，操作鉛魚帶著流速儀和水下信號源下降，使在60 s內勻速下降到相對水深0.8的測點位置停止，等待水下信號源自主完成流速信號的采集。倒計時到達160 s后，操作纜道將流速儀和水下信號源提出水面，岸上接收機接收到水下信號源發送到”出水”狀態信號，等待1 s后，接收機顯示收到水下信號源延時補發的流速數據，顯示轉子信號數為12，測流總歷時為103 s，采用延時補發技術完成深水測點流速的測驗。按此測試方法還分別在起點距80 m、100 m、120 m、145 m等多條垂線相對水深0.8測點位置進行了延時補發功能測試，均證明滿足流速測驗的需求。

5 結語

水文流量測驗中轉子流速儀應用十分普遍，轉子流速儀信號通過無線電信號傳輸方式進行采集，具有有線信號傳輸方式難以比擬的穩定、準確、抗干擾的特點，但其瓶頸在于大水深時無線電信號在水面以下衰減極大的問題。運用延時補發測流技術用于大水深測流的方式是一種具有創新性的技術手段，經實際應用證明，具有精度高、傳輸穩定的特點，能夠有效解決流速儀信號無線傳輸中天線入水后無法測驗的問題，取得了很好的效果。