無人機載雷達在冰厚及冰層結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用

劉輝，冀鴻蘭，羅紅春，郜國明，張寶森，牟獻友*

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2. 黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003)

黃河寧蒙河段防凌形勢嚴峻，是凌情災(zāi)害重點防控河段.黃河河道冬季結(jié)冰過程是黃河防凌研究的一個重點[1]，野外原型觀測是最直接的研究方法，可為數(shù)學(xué)模型預(yù)報、凌災(zāi)評估提供數(shù)據(jù)支撐，為物理模型研究提供參照原型.冰的厚度及其變化過程是冰凌監(jiān)測最直觀且重要的指標之一，對于冰塞冰壩的形成、冰對建筑物作用力具有重要指向作用[2]，其他指標如冰的強度[3]、溫度[4]等均得到相應(yīng)的研究，冰厚則是比較難監(jiān)測的物理指標.

目前在大范圍冰厚監(jiān)測中，衛(wèi)星遙感、雷達探測、艦載聲納等技術(shù)均較為成熟.在小范圍冰厚監(jiān)測中，最常用也最可靠的測量方式是人工打孔，其測量方式較為傳統(tǒng)，故存在作業(yè)強度大、工作效率低等弊端[5]，探地雷達已經(jīng)成功在冰川冰[6]、海冰[7]厚度測量中得到檢驗，效果較為理想.在淡水冰測量方面，張寶森等[8]利用探地雷達對黃河頭道拐水文站河道斷面的冰厚進行了測量；劉之平等[9]設(shè)計了冰水情一體化雙頻雷達測量系統(tǒng)；劉曉鳳[5]利用探地雷達測量了松花江的冰厚，測驗效果良好.探地雷達測量冰厚多是原位冰面測量，在冰層不穩(wěn)定的情況下不能使用，為提高測量效率，需要尋求一種不受時間、空間限制的測量方法.ARCONE[10]利用直升機攜帶探地雷達測量了育空河及阿拉斯加湖泊的冰厚，但由于測量誤差大，測量成本高，并不貼近科研實際.無人機作為一種新型的觀測平臺，具有機動性強、事故率低、效率高、操作靈活等優(yōu)點[11]，將探地雷達懸掛于無人機下，可將充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢.目前，中國利用無人機載雷達探測河道冰厚的研究較少，無人機載雷達的運用能填補初封期與開河期冰厚測量的不足，在未來河冰非接觸式探測方向上值得推廣.

文中以黃河什四份子彎道為研究對象，基于無人機載雷達技術(shù)，結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)，對易發(fā)生卡冰彎道冰厚進行分析，對冰層典型雷達圖譜進行描述，以期為非接觸式測冰技術(shù)提供參考和經(jīng)驗積累，也為認識冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征提供方法參考.

1 研究區(qū)域與測量方案

1.1 研究區(qū)概況

什四份子彎道位于呼和浩特市托克托縣河段頭道拐水文站上游4 km處(111°2.74′E，40°17.71′N)，河道走勢由上游西北轉(zhuǎn)為下游東南，由1個120°的彎道連接，最小河寬200 m左右，最大河寬500 m左右.歷年凌汛時間多出現(xiàn)在11月下旬至次年3月上旬，冰期可持續(xù)100 d，2019年12月6日，黃河寧蒙段在此地出現(xiàn)首封，封凍長度約1 km，至此黃河進入2019—2020年度封凍期.在封凍期，彎道兩側(cè)岸冰不斷生長，使得敞流水面寬度不斷減小，彎道水面束窄處水流輸冰能力小于上游來冰量[12]，浮冰及冰花極易在此堆積形成冰塞、冰壩，雍高上游水位，嚴重時引發(fā)冰凌洪水，因此，對于彎道卡冰區(qū)域的冰厚進行探測，對冰凌洪水及槽蓄水量的研究具有重要意義.

1.2 測量方案

在彎道中上游共布設(shè)7個斷面，如圖1所示，彎頂布設(shè)4個斷面，上游為堆冰區(qū)域，布設(shè)3個斷面，參照河流冰情觀測規(guī)范，7個斷面可以將彎道易卡冰區(qū)以及堆冰區(qū)覆蓋，測量的數(shù)據(jù)具有代表性.斷面1—6間隔10～20 m依次布設(shè)12，13，23，31，51，24個測點，斷面7僅進行機載雷達探測.探測設(shè)備主要是無人機跟探地雷達.圖2為作業(yè)中的無人機載雷達.本次試驗共進行4個測次的飛行，斷面2，3為1個測次；斷面4，5為1個測次；斷面6，7為1個測次，其中斷面2凹岸側(cè)為起飛點，到達凸岸側(cè)后飛行至斷面3凸岸側(cè)定位處，進一步完成斷面3的冰厚測量，斷面5跟斷面6凹岸側(cè)為起飛點，斷面1則進行手動飛行.

圖1 斷面分布

圖2 無人機載雷達

2 測冰原理與數(shù)據(jù)提取

2.1 測冰原理

探地雷達向下發(fā)射一定頻率的電磁波信號，當?shù)竭_空氣-冰界面和冰-水界面時，一部分電磁波會折射或透射過界面繼續(xù)向下傳播，而另外一部分電磁波會發(fā)生反射，根據(jù)波速及雙程歷時可以計算冰厚，圖3為機載雷達測冰原理.采用式(1)計算冰厚，由式(2)計算電磁波傳播速度.

圖3 雷達測冰厚工作原理

(1)

(2)

式中：D為冰層厚度，cm；v為電磁波在冰層中的傳播速度，cm/ns；t為雙程歷時，ns；c為電磁波在空氣中的傳播速度，30 cm/ns；ε為冰層的介電常數(shù).在實際中冰的介電常數(shù)是不確定的，要根據(jù)實際冰厚反演得到冰的等效介電常數(shù).

選取120個測點計算電磁波傳播速度，選取的測點冰厚誤差小于10%，具有代表性，如圖4所示.120個測點中超過90%的傳播速度為15～17 cm/ns.

圖4 雷達波傳播速度

眾所周知，黃河水水質(zhì)比較復(fù)雜，水體中泥沙顆粒可能與其中的鹽分離子、有機質(zhì)、微生物甚至水體污染物等多種物質(zhì)混雜在一起，最后凍結(jié)成冰[13].因此，黃河冰與純冰具有一定差異性，電磁波在冰層中傳播速度會受到冰體結(jié)構(gòu)、冰層含水含沙量等因素的影響，立封區(qū)空氣-冰界面參差不齊，而冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，會出現(xiàn)冰水混合物及層冰層水現(xiàn)象，冰-水界面也形態(tài)各異，諸多因素均會影響雷達波的傳播速度，使其在一定區(qū)域內(nèi)不是固定值，即使冰層厚度相同，受到水質(zhì)、界面平整度等因素影響程度也不同.如圖中實測冰厚為60 cm，而雷達波傳播速度為15.5～16.5 cm/ns，差別不大，說明介電常數(shù)差異不大，外部因素只是會影響雷達波傳播速度，范圍的大小以及范圍臨界值與水質(zhì)、界面平整度等因素的關(guān)系還需進一步研究.在2019年冬季試驗中，多次選取測點推求得到雷達電磁波在冰層中的傳播速度為16.0～17.2 cm/ns.LI等[14]研究表明，雷達波在粒狀冰中的傳播速度17.02 cm/ns，在柱狀冰中的傳播速度16.98 cm/ns.張寶森等[8]指出凍結(jié)期雷達波在黃河冰內(nèi)平均傳播速度為16.3 cm/ns，以上研究傳播速度并不固定卻相差不大.本次試驗雷達波傳播速度范圍擴大，是因為本次試驗測量區(qū)域擴大，測點數(shù)增加，雷達波受不良因素影響概率增大，故雷達波傳播速度范圍擴大是符合實際情況的.

2.2 數(shù)據(jù)提取

利用后處理軟件處理原始數(shù)據(jù)，首先對雷達圖像進行一定的增益調(diào)節(jié)以及FIR濾波處理，然后對界面進行追蹤，兩層間的距離即為冰厚.清溝只有空氣-水界面，通過無人機下方的攝像頭影像來觀察探測情況，并獲取實測打孔位置，讀取與之相對應(yīng)道號，即可獲得打孔處雷達測量的冰厚.圖5為清溝斷面與定點位置冰厚的提取過程.

圖5 雷達數(shù)據(jù)解譯過程

3 結(jié)果分析

3.1 冰厚測量結(jié)果

冰厚測量結(jié)果如圖6所示，圖中S為岸邊距，L為雷達測量結(jié)果，R為人工測量結(jié)果.斷面1雷達測量平均冰厚43.2 cm，人工測量平均冰厚44.3 cm，斷面2為51.7 cm與52.2 cm，兩斷面冰厚較小，彎頂位置河道窄，流速較大，水流的沖刷以及彎道回流導(dǎo)致冰層不能很好地生長，當上游來冰量少時，少量冰盤不能在此處堆積，冰花也不能在冰下更好聚集.觀察冰厚示意圖，斷面1距離起點50 m左右、斷面2距離起點25 m左右及斷面3距離起點200 m左右，冰厚為45～50 cm，較斷面其他地方小，即圖2中藍色線條所圈區(qū)域，因為此處冰為后自然凍結(jié)冰.2019年12月20日左右，該區(qū)域在其他區(qū)域凍結(jié)時并未凍結(jié)，凹岸側(cè)堆冰至斷面3處并未大量向下游推進，一方面隨著岸冰的增長，表層冰向下游的輸移有可能受沿河的表面冰蓋影響而停滯，或僅有少部分冰盤能向下游輸移，另一方面根據(jù)夏季觀測記錄，此處為彎道回流區(qū)，流速較大，在回流的作用下冰盤會被推到上游，至2020年1月11日左右水位下降，流量流速變小，氣溫逐漸下降，該區(qū)域才逐漸凍結(jié)，后打開冰蓋用ADCP測得流速為0.3～0.5 m/s，依然比斷面其他區(qū)域大，冰蓋下無冰花聚集.斷面3雷達測量平均冰厚58.4 cm，人工測量平均冰厚57.6 cm，斷面4為55.0，55.5 cm，其中立封區(qū)冰厚較大.

圖6 冰厚測量結(jié)果

圖1中紅色線條所圈區(qū)域為整個彎道的立封冰蓋區(qū)，凸岸側(cè)經(jīng)測量流速為0.7 m/s左右，凹岸側(cè)(斷面3以上，不包括圖1中藍色線條所圈區(qū)域)流速多為0.2 m/s左右，凹岸一側(cè)水流受護岸回推及下游回流影響，水流動能削弱[15]，凹岸側(cè)流速小，凸岸側(cè)流速大，當上游來冰量增加時，上游冰盤順勢向凹岸一側(cè)推進，河道在此處由寬變窄，冰塊在凹岸一側(cè)上爬下插發(fā)生堆積，形成立封冰蓋.斷面1-4為清溝斷面，其中斷面1-3冰厚走向類似，從凹岸到凸岸冰厚幾乎呈小-大-小趨勢，與后凍結(jié)區(qū)-立封區(qū)-清溝邊緣走向一致，清溝兩側(cè)位置冰厚最小，原因是清溝水內(nèi)冰生成時釋放熱量以及水流的沖刷[16].斷面5，6為過河全斷面，斷面5雷達測量平均冰厚60.5 cm，人工測量平均冰厚55.8 cm，斷面6為55.9，53.5 cm，斷面5是立封區(qū)域最多的斷面，雷達測量結(jié)果明顯大于人工測量結(jié)果.雷達測冰時，會將立封堆積層的冰厚也計算進去，而在數(shù)據(jù)處理時會默認空氣-冰界面為平界面，并將堆積冰折合到冰-水界面上，人工用冰尺測量則不會考慮冰層上部堆積的部分，則出現(xiàn)了冰水界面有明顯的鋸齒狀的現(xiàn)象.斷面7只進行雷達測量，平均冰厚為54.7 cm.縱觀整個研究區(qū)域，整體冰厚為40～80 cm，從斷面6至斷面1，冰厚幾乎呈逐漸減小趨勢，各斷面均有堆積冰，受堆積立封冰蓋影響，在立封區(qū)雷達測量結(jié)果較大，整個彎道多為立封，為此對6個斷面共154個測點進行誤差分析：誤差在5%以內(nèi)的測點有76個，占總測點數(shù)的49.4%，誤差在5%～10%的測點有50個，占總測點數(shù)的32.5%；誤差在10%～20%的測點有22個，占總測點數(shù)的14.3%；誤差在20%以上的測點有6個，82%的測點誤差在10%以下，平封區(qū)測點誤差多數(shù)在5%以下，立封區(qū)測點誤差多在10%左右，個別測點在15%以上，總體上測驗效果良好.產(chǎn)生誤差的原因有多種，雷達測冰時，將立封堆積層的冰厚也計算進去，導(dǎo)致雷達測量結(jié)果偏大，人工測量時的不規(guī)范操作，雷達自身測量噪聲等也會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，立封區(qū)雖有誤差卻是符合實際試驗情況.另外，觀察各斷面冰厚的整體走向，雷達測量與人工測量結(jié)果具有較強的一致性，這無疑提高了人們對于河道不同位置冰厚大小的認知.

3.2 典型雷達圖譜特征分析

圖7為冰下不同結(jié)構(gòu)雷達圖譜，圖7a右側(cè)為平封區(qū)，左側(cè)為立封區(qū)，空氣-冰界面以上為空氣.平整的畫面說明電磁波在進入冰層之前沒有遭受其他電磁信號的干擾，兩層之間為冰，反射層位變化不明顯，說明介質(zhì)成分較為單一，冰-水界面以下波形特征差別較大，在平封區(qū)，雷達圖像的波形特征表現(xiàn)為電磁波能量衰減緩慢，波形均勻平整，無雜亂反射波，能量團分布均勻，自動增益梯度小，這與平封區(qū)多為自然凍結(jié)及兩界面較為平整有關(guān).在立封區(qū)，雷達圖像的波形特征表現(xiàn)較為復(fù)雜，電磁波能量衰減快，波形雜亂，能量團分布不均勻，自動增益梯度大，立封區(qū)冰盤堆積而成，冰盤上插下爬使得兩界面極不平整，界面凹凸不平，電磁波到達界面，接觸面較多，電磁波會發(fā)生繞射現(xiàn)象，因此雷達圖譜中的冰水界面會出現(xiàn)雙曲線交疊現(xiàn)象.冰水界面以下區(qū)域表現(xiàn)出電磁波能量的強烈衰減和弱化現(xiàn)象，一方面冰水界面不平整使得電磁波被反射繞射的多，另一方面界面以下冰花對電磁波的吸收以及散射，根據(jù)現(xiàn)場打孔得知，在立封冰蓋下存在大量冰花，最深處達5 m以上，冰花聚集在冰層以下，形成冰水混合物的狀態(tài)，嚴重時河道被冰花和細碎冰阻塞，形成冰塞.電磁波在冰花聚集區(qū)內(nèi)產(chǎn)生繞射和散射，使得能量團減弱，波形雜亂，電磁波在穿過冰花聚集區(qū)時可能會產(chǎn)生一定規(guī)律的多次反射，不過這種反射不會太明顯，當冰花聚集區(qū)域連續(xù)分布且冰花凍結(jié)成冰程度較高時，電磁波穿過時的反射波連續(xù)性會較好，波形會相對統(tǒng)一.

河道水位發(fā)生變化時，冰層將發(fā)生變形，上游冰盤堆積過程中發(fā)生撞擊，冰層內(nèi)部也會發(fā)生擠壓或斷裂，在冰層內(nèi)形成一些裂縫或破碎帶，這些裂縫或破碎帶中可能會充入空氣、水或者泥沙.介電常數(shù)同冰的介電常數(shù)有差異，具體表現(xiàn)為電磁波形態(tài)為雙曲線褶皺狀，反射面振幅明顯加強且變化劇烈，在裂縫和破碎帶處產(chǎn)生繞射和散射，能量分布不均勻，同相軸不連續(xù)，分辨率較低，顯然這些結(jié)構(gòu)會加速反射波的弱化，圖7b為含有裂縫的冰層雷達圖譜，破碎帶實際可以看成多個裂縫疊加而成，破碎帶的雷達圖譜就是多個雙曲線交叉重疊而成，如圖7c所示.

圖7 雷達特征圖譜

4 結(jié) 論

無人機載雷達能快速獲取河流穩(wěn)封期的冰厚及冰層雷達圖譜，極大提高了冰層探測效率.

1) 什四份子彎道冰厚分布不均勻，整體冰厚為40～80 cm，凹岸側(cè)冰厚大于凸岸側(cè)，沿水流方向冰厚逐漸減小，清溝斷面冰厚兩側(cè)小，中間大，水面位置冰厚最小，事實證明無人機載雷達能高效獲取冰厚的空間分布情況.

2) 立封區(qū)測量效果一般，雷達測量結(jié)果大于人工測量結(jié)果，誤差在10%左右，平封處精度良好，總體效果較好，垂直于河道冰厚整體走向，雷達測量與人工測量結(jié)果基本一致，未來完全可僅通過機載雷達對河道不同位置冰厚大小進行判斷.

3) 雷達波在什四份子彎道冰層中傳播速度為15～17 cm/ns，表明在水質(zhì)、冰下結(jié)構(gòu)及界面平整度等因素影響下，在一定區(qū)域河道冰層中，雷達波傳播速度在一定范圍內(nèi)離散存在.

4) 平封區(qū)雷達圖譜波形均勻平整，無雜亂反射波，立封區(qū)雷達圖譜波形雜亂，散射繞射波多，雷達圖譜可為冰層內(nèi)部研究提供方法參考.

利用無人機載雷達可將冰層探測范圍擴大至整個冰期，不再受時間、空間的限制，在未來河冰非接觸式探測方向上值得推廣.