本發(fā)明涉及多種測量儀器的時間同步方法，尤其涉及一種潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步方法。

背景技術(shù)：

潰壩通常指由自然災害或人為因素引起的蓄水庫圍堰突然坍塌進而在水庫下游形成潰決洪水造成人類生命、生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)經(jīng)濟巨大損失的災害性事件。然而潰壩問題的研究并不局限于內(nèi)陸區(qū)域，在海岸工程方面也存在十分重要的研究意義，例如：海嘯、涌潮等向岸的傳播過程與潰壩水流動力學在物理機理上是一致的。因此，對潰壩問題的探索具有顯著的科學研究意義和工程應用價值。由于實地監(jiān)測的困難，目前對潰壩問題的研究往往依賴于室內(nèi)實驗，即通過瞬間開啟閘門來模擬潰壩過程，采用波高儀、流速儀等測量設(shè)備來研究潰壩流的水動力特性。通常室內(nèi)實驗的整個潰壩過程歷時很短，往往在幾秒鐘內(nèi)就可以完成。在這個過程中，尤其在閘門開啟的瞬間，潰壩波的水動力特性急劇變化，這對實驗在時間精度方面的控制提出了非常高的要求。目前在多種測量儀器同時工作的情況下，進行潰壩實驗存在以下問題和困難：(1)測量儀器采樣頻率過低，不能捕捉到潰壩波水位或流速的瞬時變化；(2)不同儀器存在各自的時間延遲，即便可以通過計算機使得多種儀器同時啟動，但因為時間差的存在，各臺儀器真正開始工作的時間不盡相同，即各自的數(shù)據(jù)時間零點并不一致；(3)潰壩時間零點，即閘門開始向上移動的時間很難確定，需借助高速相機記錄開門過程。解決潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步問題，獲得更為精確時間控制下的水位和流速的變化，對研究潰壩波的水動力特性具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步方法。在潰壩實驗中應用本發(fā)明可以實現(xiàn)多種高采樣頻率儀器時間同步，且提高時間同步的精度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步方法，包括以下步驟：

(1)進行潰壩實驗；該步驟具體為：

(1.1)安裝波高儀、流速儀和采樣頻率大于100f/s的高速相機，其中，波高儀和流速儀在潰壩水槽同一橫斷面，之后將各儀器接入計算機；

(1.2)設(shè)置潰壩水槽中相應的上下游水深等實驗條件；

(1.3)移除潰壩水槽中的閘門，進行潰壩實驗；

(1.4)計算機控制波高儀、流速儀和高速相機同時開始運行并同時結(jié)束采集；

(2)進行數(shù)據(jù)處理；該步驟包括以下子步驟：

(2.1)在高速相機采集到的視頻信息中，找出潰壩波到達測量點的時刻，記為t₁；

(2.2)找出t₁時刻對應的波高儀采集的數(shù)據(jù)中水位開始增大的時刻，記為t₂，以及流速儀采集的數(shù)據(jù)中流速開始增大的時刻，記為t₃；即可認為t₁、t₂和t₃是同一時刻；

(2.3)在視頻中找出閘門開始向上運動的時刻，記為t₄，定義該閘門開始向上運動的時刻t₄為時間零點；

(2.4)對應水位數(shù)據(jù)的時間零點為時刻t₂-(t₁-t₄)，流速數(shù)據(jù)的時間零點為時刻t₃-(t₁-t₄)；從而實現(xiàn)潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步。

本發(fā)明的有益效果是：對于敏感性很強的潰壩模型實驗來說，解決實驗過程中多種測量儀器的時間同步問題，獲得更為精確時間控制下的水位和流速的變化數(shù)據(jù)，對研究潰壩波的水動力特性具有十分重要的意義。本發(fā)明采用的設(shè)備均為進行潰壩實驗研究必須的采樣設(shè)備，具有通用性，無需額外安裝設(shè)備即可實現(xiàn)時間同步性；本發(fā)明適用范圍廣，既可用于潰壩物理模型實驗中，也可用于類似的水利工程或海岸工程物理模型實驗中實現(xiàn)設(shè)備間的時間同步；相較于復雜的編程方法，本發(fā)明操作簡單，具有很強的重復性和轉(zhuǎn)移性；采用本發(fā)明的方法，測量儀器間的時間同步誤差小于0.05秒。

附圖說明

圖1是潰壩實驗水槽的側(cè)視圖；

圖2是潰壩實驗水槽的俯視圖；

圖3是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；

圖4是實施例中水位隨時間的變化圖；

圖5是實施例中流速隨時間的變化圖；

圖中，閘門1、波高儀2、流速儀3、高速相機4、計算機5。

具體實施方式

如圖3所示，本發(fā)明潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步方法，包括以下步驟：

1、配備采樣儀器

潰壩實驗中時間同步的實現(xiàn)首先應配備可進行高頻率采樣的儀器，包括分別實時記錄測量點水位變化和流速變化的波高儀和流速儀，以及可記錄潰壩水流波形變化的高速相機。其中，波高儀和流速儀的采樣頻率均為100Hz，高速相機的拍攝頻率為150f/s。波高儀和流速儀分別安裝在水槽閘門下游的相應位置，處于同一橫斷面。

2、進行潰壩實驗

首先在計算機上同時啟動各儀器，各種儀器存在各自的反應時間，即時間延遲，實際并沒有同時開始工作。然后實施潰壩實驗，即將水槽的閘門瞬間打開，則上游水在重力作用下形成潰壩波向下游運動，在水槽下游末端流出。之后同時結(jié)束儀器，保存采集到的各項數(shù)據(jù)，完成一次潰壩實驗的記錄。

3、實現(xiàn)時間同步

將波高儀和流速儀的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為excel存儲格式，可以發(fā)現(xiàn)即使是在計算機上“同時”開始并“同時”結(jié)束，波高儀和流速儀采集的數(shù)據(jù)量是不同的，這也說明它們內(nèi)部并沒有同時開始采集數(shù)據(jù)，即時間存在不同步性，并且各自記錄的時間零點也不是同一時刻。利用高速相機圖像觀察水流到達測量點的時間，即此時間也為波高儀和流速儀測量數(shù)據(jù)開始變大的時間，設(shè)定為同一時間。通過找出高速相機記錄的閘門開啟時間與此時間的差值，即可找出波高儀和流速儀各自對應的閘門開啟時間，實現(xiàn)儀器間的時間同步。在此基礎(chǔ)上才能處理實驗所得數(shù)據(jù)，進而分析潰壩波水動力特性。

4、處理實驗數(shù)據(jù)

為了消除儀器內(nèi)的時間差，實現(xiàn)高采樣頻率儀器間的時間同步，在后期數(shù)據(jù)處理中采取以下步驟：①在高速相機采集到的視頻信息中，找出潰壩波到達測量點的時刻，記為t₁；②找出對應的波高儀采集的數(shù)據(jù)中水位開始增大的時刻，記為t₂，以及流速儀采集的數(shù)據(jù)中流速開始增大的時刻，記為t₃；③即可認為t₁、t₂和t₃是同一時刻；④在視頻中找出閘門開始向上運動的時刻，記為t₄(定義閘門開始向上運動的時刻為時間零點)；⑤則對應水位數(shù)據(jù)的時間零點為時刻t₂-(t₁-t₄)，流速數(shù)據(jù)的時間零點為時刻t₃-(t₁-t₄)。

以下實例用于對本發(fā)明作進一步說明，但不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容和設(shè)計思想所做出的非本質(zhì)的改進和調(diào)整也應屬于本發(fā)明的保護范圍。

圖1和圖2顯示了一套可實現(xiàn)本發(fā)明所述同步方法的潰壩水槽和測量設(shè)備，其中潰壩水槽由閘門1分為上游和下游兩部分，測量設(shè)備由波高儀2、流速儀3、高速相機4和計算機5組成。

如圖3所示，本發(fā)明“潰壩實驗中多種測量儀器的時間同步方法”，主要包括兩大步驟，即前期進行潰壩實驗和后期進行數(shù)據(jù)處理，具體步驟如下：

(1)進行潰壩實驗：

(1.1)按照圖1和圖2所示位置，安裝波高儀2、流速儀3和高速相機4，其中，波高儀2和流速儀3在水槽同一橫斷面，之后將各儀器接入計算機5；

(1.2)設(shè)置水槽中相應的上下游水深等實驗條件，例如，本次實驗中，上游初始水深為20cm，下游初始水深為4cm。

(1.3)移除潰壩水槽中的閘門，進行潰壩實驗；

(1.4)計算機4控制波高儀2、流速儀3和高速相機4同時開始運行并同時結(jié)束采集；

(2)進行數(shù)據(jù)處理：

(2.1)在高速相機記錄的視頻中，找出潰壩波到達波高儀2和流速儀3安裝位置，即水位和流速測量點的時刻。在本次實驗中，第852幀照片顯示潰壩波到達相應位置，即對應為視頻序列中的5.68秒；

(2.2)在波高儀2采集的水位數(shù)據(jù)中，找出水位開始增大的時刻，即對應為水位序列中的5.07秒；

(2.3)同理，在流速儀3采集的流速數(shù)據(jù)中，找出流速開始增大的時刻，即對應為流速序列中的5.78秒；

(2.4)視頻序列中的5.68秒、水位序列中的5.07秒和流速序列中的5.78秒，實際為同一時刻；

(2.5)定義閘門1開始向上運動的時刻為時間零點。在高速相機記錄的視頻中，找出閘門開始向上運動的時刻，即為視頻序列中的5.55秒；

(2.6)則對應水位數(shù)據(jù)的時間零點為水位序列中的5.07-(5.68-5.55)＝4.94秒；

(2.7)同理，流速數(shù)據(jù)的時間零點為流速序列中的5.78-(5.68-5.55)＝5.65秒。

為了避免實驗的偶然性，增強實驗的可信度，進行五次重復性實驗，采取同樣的步驟處理得到各自的時間零點后，實驗結(jié)果中，水位隨時間的變化如圖4所示，流速隨時間的變化如圖5所示。由圖4和5可見，實驗數(shù)據(jù)具有很高的同步性和重復性。

本發(fā)明以水位和流速的同步為例，不局限于水位和流速數(shù)據(jù)的時間同步，對其他測量儀器和測量數(shù)據(jù)采用類似的同步方法都在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。