延时补发技术在流速仪信号无线传输中的应用

彭 娟

（湖南省水文仪器设备检测中心，湖南 长沙 410007）

引 言

利用水文缆道进行流速仪测流是水文测验最主要的流量测验手段之一。目前，流速仪信号的传输方式主要分为有线信号传输和无线信号传输两种方式，有线信号传输是利用水文缆道的起重索（钢丝绳）-水体-大地构成有线传输回路，以直流信号或音频信号进行传输；无线信号传输是水下信号源采集到流速信号后，将信号调制到一定的频率，通过无线电磁波的方式传输至岸上接收机。

无线信号传输为保证传输效率需通过单独的天线进行传输，由于无线电磁波在水中衰减极快的特性，所以要确保信号传输可靠则发射天线必须保证在水面以上，但在实际测流时，流速仪进行上升下降的运动过程中天线很难始终保持在水面以上，这就导致依靠水文缆道进行流速仪测流时无线信号传输技术应用的局限性。为此本文提出流速仪信号无线传输延时补发技术，在电台天线入水通讯中断后，通过启动水下信号源自主在水下工作，按照流速测验历时准确记录信号数并存储，等待电台天线出水后再将数据补发给岸上接收机。经实际应用证明，该技术能够有效解决流速仪信号无线传输中电台天线入水后无法测验的问题，取得了很好的效果。

1 流速仪信号无线传输特性

流速仪信号无线传输是指水文缆道流速仪测流过程中，将采集到的流速仪信号调制成一定频率的电磁波，通过空气介质将信号传输到岸上接收机的过程。无线传输因传输介质是空气，跟缆道、水体、大地并无关联，所以信号不受现场环境影响，故无线传输方式其适用性和稳定性大大超过有线信号，但是水文行业实际应用并不多，这是因为无线信号传输在水文缆道测流应用上的局限性所决定的。采用无线传输缆道测验信号的前提条件是通信电台的天线需利用大气作为介质进行传输，一旦发射端天线入水，发射的通信信号被水体吸收造成信号通信中断，但是发射端天线长度也不宜过长，天线的连接线过长会导致信号发射衰减程度增大，此外受水文缆道自身结构影响，理论上捆绑在缆道提放索上的天线长度不大于铅鱼停放平台至行车转向滑轮之间的长度（设为L）。对于大多数用缆道测验的水文站来说这个长度满足测深、测流的要求，但有些水文站在测河底流速时，最大入水深度h＞L（天线入水），河底流速信号不能在水下发射，无法满足大水深的流速测验，所以综合几个方面的原因，无线信号传输在水文缆道流速仪测流实际使用时，由于必须确保发射天线露出水面从而导致流速仪无法到达较深的水下测点位置。

2 流速仪信号延时补发技术原理

为了充分发挥无线信号传输良好的稳定性和广泛的适用性，解决无线信号传输在流速仪测流上存在的瓶颈问题，采用了一种流速仪信号延时补发技术。该技术用于当发射电台天线入水通讯中断后，通过水下信号源内部定时器自主测流功能在水下自动启动流速仪信号的采集计数，并在通讯恢复（电台天线露出水面）后将测流数据传回岸上接收机，从而解决无线信号传输在深水情况下流速仪的测流问题。

该技术的工作机制是当流速仪进行深水测流时，岸上接收机根据通信电台天线长度、流速测点水深度等工作参数，判断通信电台天线将淹没在水面以下。当通信电台天线位于水面以上位置时，岸上接收机先计算流速仪从当前位置下降到测点位置时的延时时间，然后发送延时测速指令给水下信号源，并及时操作缆道将流速仪下降到指定深度的测点位置，在通讯中断的情况下，水下信号源根据设定的延时时间判断，当延时时间达到后，开始采集流速仪的信号并记录存储。岸上接收机根据延时测速时间和测速历时，判断水下信号源完成测点流速测验后，提示操作人员将电台通信天线提升到水面以上。当水下信号源上升到水面以上后，水下信号源将存储的信号数、测速历时等测流数据发给岸上接收机，从而完成流速信号的采集及延时补发。

延时补发技术工作流程如图1所示。

图1 延时补发技术工作流程图

3 延时补发技术中难点问题的解决

3.1 水下信号源对流速仪抖动信号的智能处理

流速仪在接通或断开时，无论是接触丝式流速仪，还是干簧管式流速仪，拨片（簧片）有可能在机械动作时误触发从而产生抖动信号。一般情况下流速仪的抖动信号可通过人工识别剔除，但是采用延时补发技术后，整个流速信号采集过程完全由水下信号源自主完成，包括对流速仪抖动信号的智能识别处理。

流速仪在实际使用中，信号由标准信号、抖动信号、尖峰干扰信号以及其他干扰信号叠加组成。水下信号源电路采用单稳态触发器和施密特触发器对流速仪信号进行整形，使流速仪信号的波形干扰尽可能少。

流速仪的滤波电路不能完全剔除抖动信号的干扰，水下信号源在电路滤波的基础上再增加软件滤波，软件滤波采用信号周期脉宽识别法。信号周期脉宽识别法的原理是：流速仪周期信号的脉宽远远大于抖动信号的脉宽，且在测点测速时，流速仪的正常周期脉宽信号变化不大，水下信号源根据自动调整的信号周期脉宽对流速仪信号进行智能识别，从而达到完全剔除抖动信号的目标。信号周期脉宽识别法不需要软件的连续采样，资源占用少，效果显著。

3.2 水体导电率影响流速信号采集的处理

流速仪信号线的接线柱完全裸露在天然水体中，如果水体导电率良好，会使流速仪的正负极接线柱产生误导通，影响流速信号的采集。

在天然河道中，不同测点位置的水体导电离子会使导电率变化。为避免水电阻对流速仪信号采集的干扰，水下信号源设计了水电阻检测电路，水电阻检测电路由R1、R2、R3、R4、电压跟随器A组成。其中电阻R1、R2组成分压电路，为电压跟随器A1设定比较电压U1。电阻R3、R4组成分压电路，为电压跟随器A2设定比较电压U2。当流速仪未导通时，U1>U2，比较器A3输出低电压，三极管处于截止状态，光电耦合器输出为高阻状态。当流速仪导通后，流速仪接触点闭合发出一个开关信号，U1

4 延时补发技术的应用测试

湖南省娄底市冷水江水文站受下游闸坝回水顶托影响，流量测验断面水深较大，该站所采用的传统流速测验通信方式，在深水测点进行流速测验时信号经常丢失，为验证延时补发技术解决冷水江水文站在深水流速测验时的问题，选取冷水江水文站作为延时补发技术的实际测试场所。

2019年8月15日在冷水江水文站进行流速仪信号延时补发技术野外测试，测时水位为166.43 m（85黄海高程，下同），冷水江站测流断面起点距110 m的河底高程为154.10 m，则该处的垂线水深为12.33 m，相对水深0.8位置的测点水深为9.86 m，而电台天线的长度为8.0 m。如果将转子式流速仪布设在起点距110 m，相对水深0.8的测点位置，则天线入水深度为1.86 m,满足天线完全淹没条件下的流速仪信号延时补发测试条件。

先操控水文缆道将铅鱼布设到测速垂线起点距110 m位置，铅鱼到达110 m起点距位置并入水后停止等待下一步动作，选取相对水深为0.8测点位置进行流速采集，测速历时设为100 s。铅鱼的下降速度按0.3 m/s计算，则下降9.86 m需要32.9 s,为防止实际下降速度和操作有误差，将下降9.86 m的时间适当冗余放量到60 s。根据延时时间要大于测速历时时间和流速仪下降到所测水深位置的时间总和的原则,设置延时时间为160 s，点击启动延时倒计时后，操作铅鱼带着流速仪和水下信号源下降，使在60 s内匀速下降到相对水深0.8的测点位置停止，等待水下信号源自主完成流速信号的采集。倒计时到达160 s后，操作缆道将流速仪和水下信号源提出水面，岸上接收机接收到水下信号源发送到”出水”状态信号，等待1 s后，接收机显示收到水下信号源延时补发的流速数据，显示转子信号数为12，测流总历时为103 s，采用延时补发技术完成深水测点流速的测验。按此测试方法还分别在起点距80 m、100 m、120 m、145 m等多条垂线相对水深0.8测点位置进行了延时补发功能测试，均证明满足流速测验的需求。

5 结语

水文流量测验中转子流速仪应用十分普遍，转子流速仪信号通过无线电信号传输方式进行采集，具有有线信号传输方式难以比拟的稳定、准确、抗干扰的特点，但其瓶颈在于大水深时无线电信号在水面以下衰减极大的问题。运用延时补发测流技术用于大水深测流的方式是一种具有创新性的技术手段，经实际应用证明，具有精度高、传输稳定的特点，能够有效解决流速仪信号无线传输中天线入水后无法测验的问题，取得了很好的效果。