研究側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)功能與應(yīng)用
——以允景洪水文站為例

趙正軍

(云南省水文水資源局西雙版納分局，云南 景洪 666100)

1 側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)功能

側(cè)掃雷達(dá)對(duì)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)流速的監(jiān)測(cè)，是借助非接觸式雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)河流表面流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。側(cè)掃雷達(dá)在工作時(shí)每5 min完成1次自動(dòng)測(cè)量(時(shí)間依據(jù)需求設(shè)置)，河流流量數(shù)據(jù)的合成依據(jù)流速比的數(shù)據(jù)交互來(lái)完成。

側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)兩部分組成，采用天線共址、收發(fā)分開(kāi)的模式，并兼容調(diào)頻連續(xù)與脈沖多普勒體制[1]。

側(cè)掃雷達(dá)工作時(shí)，先發(fā)射電磁波信號(hào)，由于水的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生波浪，所以當(dāng)信號(hào)投射到水面時(shí)則與波浪相互作用，如果電磁波波長(zhǎng)達(dá)到波浪長(zhǎng)度的一倍，則形成最強(qiáng)的后向散射電磁波信號(hào)，而河水的回波信號(hào)以Bragg散射為主。水的波浪有前進(jìn)波與后退波兩種，后退波處理時(shí)可以獨(dú)立進(jìn)行，因?yàn)槟芰磕軌蚍蛛x[2]。當(dāng)水面流速不為零時(shí)需要再疊加一個(gè)頻率偏移量，頻偏大小與水面流速大小及方向有關(guān)，頻偏正、負(fù)數(shù)均可。

2 側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組成

2.1 雷達(dá)測(cè)流儀設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，由于測(cè)流儀的體積由波長(zhǎng)確定，波長(zhǎng)越短體積越小，所以盡可能選擇短波長(zhǎng)。河流表面所產(chǎn)生的波浪其波長(zhǎng)能滿足布拉格散射條件，要想使散射信號(hào)強(qiáng)則確定選擇較長(zhǎng)波長(zhǎng)，電磁波波長(zhǎng)選取0.72 m。其次，工作方式。采用天線共址，收發(fā)分開(kāi)，信號(hào)采用直接射頻采樣，運(yùn)用多重信號(hào)超分辨處理算法，提高測(cè)向分辨率，采用DDS技術(shù)間接頻率合成，運(yùn)用多普勒軟件處理，以太網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行傳輸。再次，設(shè)計(jì)信號(hào)波束。須充分考慮河流中過(guò)往船只，在上、下游和前方分別設(shè)置3個(gè)獨(dú)立且指向這三個(gè)方向的波束。處理原始數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)河剔除船只信號(hào)采用三取二的濾波法，設(shè)計(jì)2個(gè)對(duì)稱波束，基于內(nèi)河過(guò)往船只通常產(chǎn)生1個(gè)波束。雷達(dá)比測(cè)試驗(yàn)選用Ridar-200型測(cè)流儀，探測(cè)距離大于200 m。

2.2 其他設(shè)備設(shè)計(jì)

采用水文專用RTU設(shè)備，但該設(shè)備必須支持4G通信移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，同步兼容2G、3G、4G聯(lián)通與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電信網(wǎng)絡(luò)只兼容4G。測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。供電設(shè)備有200W光伏組件一塊，80A·h鋰電池，供電控制箱。

2.3 安裝位置設(shè)計(jì)

在充分考慮電磁環(huán)境、干擾防護(hù)的前提下，安裝時(shí)應(yīng)與干擾源如電站、工業(yè)等設(shè)施保持安全距離，允許接收機(jī)靈敏度損失在1 dB范圍內(nèi)。單臺(tái)雷達(dá)測(cè)流儀安裝的位置應(yīng)距離河水5 m以上，依據(jù)探測(cè)的距離確定安裝架高度。假設(shè)B為河道寬度，H為天線安裝高度，夾角α要在1.5°以上。α是波束與探測(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)間的夾角，H與B的比可求出α的正切。對(duì)于800型測(cè)流儀，需考慮與安裝架的最近距離，β角(近端視角)在45°以下，安裝架要高于26 m。雷達(dá)測(cè)流儀安裝位置固定后，對(duì)水平補(bǔ)償距離進(jìn)行設(shè)置，即設(shè)置測(cè)流儀與斷面起點(diǎn)之間的距離，使雷達(dá)測(cè)流儀測(cè)量斷面上水平位置、測(cè)量垂線位置相一致[3]。雷達(dá)測(cè)流儀應(yīng)安裝在平直的河道上，平直長(zhǎng)度在200 m以上(上下游)，要遠(yuǎn)離水壩、水庫(kù)。天線與河面間必須是開(kāi)闊的區(qū)域，以安裝點(diǎn)為基準(zhǔn)到河對(duì)岸區(qū)域保持左右60°視角，在此范圍內(nèi)不能有建筑物、植物、橋梁等。

3 側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

3.1 側(cè)掃雷達(dá)表面流速比測(cè)

因允景洪水文站自2012年后已將走航式ADCP作為常規(guī)測(cè)流方式，故僅采用M9型走航式ADCP與側(cè)掃雷達(dá)進(jìn)行表面流速同步比測(cè)。由于走航式M9具有輸出全剖面流速功能，則可以將M9 測(cè)流成果的第一層流速數(shù)據(jù)(換能器入水深度0.1 m)近似當(dāng)作該斷面不同位置的表面流速。受上游電站控制影響，比測(cè)期間允景洪水文站水位變幅較小，通過(guò)在比測(cè)斷面分別進(jìn)行低水位、中低水位流量測(cè)驗(yàn)，每次施測(cè)2個(gè)測(cè)回，分別提取4個(gè)測(cè)次的表層流速，分析側(cè)掃雷達(dá)表面流速數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]。

比測(cè)期間水文情勢(shì)：允景洪水文站水位級(jí)劃分為低水位(<535.04 m)、中低水位(535.04～536.60 m)、中水位(536.60～539.63 m)、高水位(≥539.63 m)。為了驗(yàn)證側(cè)掃雷達(dá)表面流速的準(zhǔn)確性，允景洪水文站按水位分布分別于8月14日、10月22日進(jìn)行了2次側(cè)掃雷達(dá)表面流速比測(cè)。其中，8月14日比測(cè)期間水位變化為535.00～535.03 m，屬于低水水位級(jí)；10月22日比測(cè)期間水位維持為536.09 m，屬中低水水位級(jí)。

3.2 側(cè)掃雷達(dá)表面流速與斷面平均流速關(guān)系率定

比測(cè)期間采用走航式ADCP 施測(cè)不少于30 份流量(因受上游景洪電站控制影響，允景洪水文站水位處于中低水期，無(wú)法控制高中低水，水位變幅僅為535.02～536.09 m)，利用實(shí)測(cè)流量計(jì)算側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流斷面的平均流速，與側(cè)掃雷達(dá)獲取的河流表面流速計(jì)算的指標(biāo)流速建立相關(guān)關(guān)系，通過(guò)符號(hào)檢驗(yàn)、偏離檢驗(yàn)和適線檢驗(yàn)對(duì)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

采用水文纜道牽引M9型走航式ADCP在測(cè)流斷面進(jìn)行1次流量測(cè)驗(yàn)，施測(cè)2個(gè)測(cè)回，分別提取4個(gè)半測(cè)回的表層流速平均，與側(cè)掃雷達(dá)流速(同步施測(cè)時(shí)段內(nèi)平均)疊加到橫斷面流速分布圖進(jìn)行對(duì)比。各測(cè)次比測(cè)分析情況如下：

(1)比測(cè)次數(shù)。自8月8日安裝完成后，開(kāi)始比測(cè)工作，至10月31日，一共完成43次比測(cè)。

(2)低水比測(cè)成果。2019年8月14日比測(cè)期間水位變化535.00～535.03 m，屬于低水水位級(jí)，水面寬238 m，側(cè)掃雷達(dá)水面測(cè)速單元26個(gè)(單元間距10 m)，有效流速單元24個(gè)(起點(diǎn)距71.1～301.1 m，有效流速單元指的是置信度高于80%的流速單元，置信度分布參見(jiàn)圖1)。比測(cè)分析圖見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，低水水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP表層流速分布右岸偏小，其余部分均以偏大為主，且從右向左偏大程度遞增，比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 側(cè)掃雷達(dá)各單元流速及置信度分布圖

圖2 低水水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速與走航式ADCP表層流速比測(cè)分析圖

表1 低水水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)與M9型走航式ADCP表層流速平均值對(duì)比

從表1可以看出，低水水位級(jí)ADCP表層流速與側(cè)掃雷達(dá)表面流速相比，相對(duì)系統(tǒng)誤差較大。

(3)中低水比測(cè)成果

2019年10月22日比測(cè)期間水位為536.09 m，屬于中低水水位級(jí)，水面寬250m，側(cè)掃雷達(dá)水面測(cè)速單元26個(gè)，有效流速單元24個(gè)(起點(diǎn)距71.1～301.1 m)。

從圖3可以看出，中低水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP表層流速分布右岸波動(dòng)幅度較大，中部一致，自中部向左岸側(cè)掃雷達(dá)表面流速較ADCP表層流速偏大程度遞增，比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 中低水水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)與M9型走航式ADCP表層流速平均值對(duì)比

圖3 中低水水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速與走航式ADCP表層流速比測(cè)分析圖

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合上述分析，借助雷達(dá)獲取水文站水域間的河流表面流速，有效開(kāi)展比測(cè)分析工作，對(duì)各水位級(jí)流量能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)雷達(dá)測(cè)量的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度、流量測(cè)驗(yàn)均達(dá)到規(guī)范要求，側(cè)掃雷達(dá)推算的流量基本上與整編值保持一致，達(dá)到推流定線的要求。研究結(jié)果表示，側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)可以用于大面積水域的流速測(cè)量，對(duì)河流、湖泊均可應(yīng)用。