泥沙输移过程中,泥沙颗粒的起动运动、悬移质运移过程的空间分布、推移质沙波的运动过程以及床面地形冲淤变化情况的测量方法研究具有重要的理论和现实意义。目前,河工模型试验中泥沙起动流速的测量还没有可行可靠的有效方法,含沙量和沙波地形的测量基本上都属于点式测量,不能直接获得含沙量的实时空间分布情况,无法进行浑水地形(比如煤粉灰地形)及其床面附近运动泥沙颗粒的可视化测量与实时动态分析,也无法进行水下沙波运动的实时监测。这些都严重制约着泥沙运动理论的研究和河工模型试验的发展。由于B超仪发出的高频声束在含沙水流中具有很好的穿透能力,能实现含沙水流运动过程的实时成像,因此本文使用B超仪直接对含沙水流和水底沙波地形进行实时成像,获取悬移质、推移质以及沙波地形的B超图像信号。针对获得的B超图像,对水中悬浮运动沙粒成像光斑的统计分析,可以得到水中含沙量及其空间分布情况;对水下沙波地形成像亮带的提取分析,可以实现水下沙波地形的实时监测与浑水床面地形的可视化测量与三维重建;对床面附近区域悬浮沙粒浓度的变化情况进行分析,可以判定泥沙的起动运动情况,从而实现泥沙起动及其起动流速的测量分析。泥沙输移过程含沙量空间分布、床面推移质沙波运动特性和泥沙起动流速成像测量方法的实现有助于推动泥沙运动理论研究和河工模型试验测量技术的发展。本文针对河工模型泥沙输移过程中含沙量、沙波地形、起动流速的B超成像测量问题,提出了新的解决方案。论文的主要研究成果概括如下:(1)针对B超图像中沙粒成像光斑的统计问题,采用了一种基于形态学风险估计的像素标记方法。该方法在图像预处理的基础上,针对沙粒光斑和地形亮带进行贝叶斯风险估计,得出代价最小的图像二值化分割阈值,然后采用形态学滤波的方法和基于区域增长的像素标记法对沙粒成像光斑的个数进行计数,有效解决了 Speckle噪声干扰和沙粒成像光斑的叠影及其粘连问题。(2)针对B超图像中床面地形成像亮带的边界识别与提取问题,提出了一种基于B超成像亮带的床面边界自适应跟踪提取方法,并采用了基于小波域系数收缩的自适应阈值小波去噪方法进行信号滤波去噪。该方法针对床面沙波地形成像亮带的特征,从成像信号相对较强的中心区域开始,自上往下进行直线扫描,获取沙波地形线中的一点作为跟踪起点,然后向两边自动跟踪提取图像亮带,即床面的地形信号。该方法具有自适应性强,运算速度快的特点,一次性实现了床面边界线的单像素提取,解决了复杂水流情况下浑水沙波地形的实时监测与在线分析问题。(3)根据水流达到临界起动流速时,床面附近B超沙粒成像光斑出现明显起伏运动且伴随沙粒光斑浓度急剧增加的现象,提出了一种基于B超成像的泥沙起动流速测量方法。试验证实,不同沙质泥沙起动过程在B超图像上具有共同特征:即当水流速度小于临界起动流速时,床面边界邻近区域B超图像的悬浮沙粒光斑浓度较低,且随流速增大而缓慢增加;当流速接近临界起动流速时,悬浮沙粒光斑浓度显著增加,沙粒光斑浓度与流速的关系曲线在起动流速点发生显著的转折变化。根据上述特征,通过逐步增加试验流速,统计分析相应阶段悬浮沙粒光斑浓度(即颗粒浓度和面积浓度)及其变化情况,寻找悬浮沙粒光斑浓度与流速的关系曲线突变点,进而判定泥沙的起动状态和泥沙起动流速的测量。最后通过地形的变化和Prewitt角点检测方法进行了验证。(4)根据不同含沙量下沙粒成像光斑与悬浮运动颗粒的对应关系,提出了一种基于B超成像的含沙量及其垂线分布测量方法。该方法通过分析统计B超图像在不同含沙量下的面积浓度、灰度浓度、能量浓度,并建立了这些统计浓度与实际含沙量的对应关系(即率定曲线),从而实现了水中含沙量的成像测量。再根据B超图像中沙粒成像光斑的分布情况,得到含沙量的空间分布和沿水深的垂向分层浓度。率定试验表明目前该方法适用于体积浓度小于5%。(约10 kg/m3)的水流泥沙测量。该方法灵敏度高、实时性好、对水流无扰动,能够实时反映水中含沙量的动态变化过程及其空间分布情况。(5)针对浑水沙波地形和沙波运动的实时监测与可视化分析问题,提出了一种基于B超成像的沙波地形可视化测量与浑水模型三维重建方法。该方法根据图像中泥沙地形的相似性和渐变性,自动跟踪识别水下地形线,实时监测沙波地形的变化情况并进行三维模型重建。试验结果表明浑水沙波地形的可视化测量误差和重建后的三维模型地形误差均不大于1 mm,有效消除了泥沙运动颗粒的干扰,再现了浑浊水流下床面沙波地形的原貌,实现了浑水模型试验中水下沙波地形的实时动态测量与沙波波峰、波谷、波长及其移动速度的统计分析,为沙波运动规律的研究和浑水模型地形的测量与三维重建提供了一种有效手段。总之,本文所述的泥沙输移过程B超成像测量方法的应用研究,初步实现了泥沙输移过程主要运动特征的成像测量,包括泥沙起动流速、含沙量及空间分布和床面沙波运动过程的测量。这些测量对水流泥沙的相互作用机理、泥沙输移规律和河床演变规律的研究具有重要的意义。同时,该方法实现了水沙运动和河床变化过程的可视化测量,把传统繁琐复杂的点式测量带入了直观快捷的线、面、体式的图像测量,为解决浑水模型试验测量问题开辟了新的途径和方法。