岸基雷達(dá)比測(cè)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳靜 江海力 程遙

摘要：現(xiàn)有雷達(dá)比測(cè)方法的流量比測(cè)一般難以滿足代表性、一致性和可靠性要求。以武漢大學(xué)自主研發(fā)的UHF雷達(dá)為例，在仙桃站開(kāi)展了與轉(zhuǎn)子式流速儀定點(diǎn)測(cè)速及M9 ADCP同步測(cè)流的比測(cè)工作。結(jié)果表明：雷達(dá)測(cè)速與轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)速位置、范圍有差異，結(jié)果存在系統(tǒng)偏小，需進(jìn)一步驗(yàn)證其相關(guān)性。與ADCP實(shí)測(cè)流量相比，雷達(dá)測(cè)速精度尚可，相關(guān)系數(shù)為0.986 3，相對(duì)誤差為-13.27%～17.09%，系統(tǒng)誤差為-2.10%，隨機(jī)不確定度為12.34%。與仙桃站2019年3～12月流量過(guò)程相比，雷達(dá)數(shù)據(jù)存在缺失、異常跳動(dòng)值及部分時(shí)段偏差，需要進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)速穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：UHF雷達(dá);ADCP;流量比測(cè);仙桃站

中圖分類(lèi)號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.009

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）05 - 0033 - 06

1 研究背景

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)水文監(jiān)測(cè)信息的時(shí)效性和可靠性需求越來(lái)越迫切[1-2]。傳統(tǒng)水文測(cè)流方式以接觸式測(cè)流為主，如流速儀法、浮標(biāo)法和ADCP測(cè)流等，實(shí)測(cè)流量需要進(jìn)行整編定線，時(shí)間較為滯后[3-5]。非接觸式雷達(dá)測(cè)流可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果精度能滿足要求，采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法推流，將極大提高水文資料的時(shí)效性和可靠性。

進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)開(kāi)始研發(fā)利用雷達(dá)技術(shù)的非接觸式河流流量測(cè)量方法[6]，我國(guó)也于近些年開(kāi)展了非接觸式雷達(dá)測(cè)流的比測(cè)研究。國(guó)內(nèi)雷達(dá)比測(cè)方案主要有以下幾種：①雷達(dá)點(diǎn)流速與流速儀測(cè)速比測(cè);②雷達(dá)虛流量與流速儀或ADCP實(shí)測(cè)流量、報(bào)汛流量、水位流量關(guān)系線查算流量比較分析。如吳漢[7]等在都江堰（內(nèi)江）水文站進(jìn)行了雷達(dá)測(cè)速儀與轉(zhuǎn)子流速儀的流速比測(cè);李自立[8]等利用超高頻河流探測(cè)雷達(dá)的河流遙感數(shù)據(jù)提取表面流速信息，估算斷面流量，與漢口水文站整點(diǎn)報(bào)汛流量對(duì)比;王文華[9]用流速儀法與雷達(dá)法進(jìn)行流量比測(cè)，為消除流速儀法流量測(cè)驗(yàn)隨機(jī)誤差的影響，采用水位流量關(guān)系曲線查線流量值作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行誤差分析;李慶平[10]等在利川市小河溝水文站采用德國(guó)RQ24非接觸式雷達(dá)流量自動(dòng)化遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行明渠流量測(cè)驗(yàn)，并與聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究。

總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的雷達(dá)測(cè)流比測(cè)方案大都比較簡(jiǎn)單或闡述不夠清晰，尤其是岸基雷達(dá)的比測(cè)方案，表面流速比測(cè)要達(dá)到同位置、同時(shí)刻，流量比測(cè)要滿足代表性、一致性和可靠性比較困難，需要對(duì)現(xiàn)行比測(cè)方案做進(jìn)一步總結(jié)、分析與改進(jìn)。

2 基本情況

2.1 仙桃站基本情況

仙桃水文站地處湖北省仙桃市龍華山六碼頭，東經(jīng)113°28′，北緯30°23′，集水面積144 684 km2，距漢江河口距離約157 km，是控制漢江下游經(jīng)東荊河分流后設(shè)立的一類(lèi)精度站、國(guó)家重要水文站。測(cè)驗(yàn)斷面上距興隆水利樞紐111 km，上游右岸約82 km為漢江分流入東荊河口，下游右岸7 km處為杜家臺(tái)分洪閘。測(cè)驗(yàn)斷面上下游有彎道控制，順直段長(zhǎng)約1 km，河槽形態(tài)呈不規(guī)則的“W”形，右岸為深槽，左岸中低水有淺灘，中高水峰頂附近及杜家臺(tái)分洪期右岸邊有回流，河床由細(xì)沙組成，沖淤變化較大。

全年采用纜道流速儀法測(cè)流，按連時(shí)序法布置測(cè)次。水位流量關(guān)系受洪水漲落、變動(dòng)回水、不經(jīng)常性沖淤影響，長(zhǎng)江干流高水期，該站水位流量關(guān)系受到明顯頂托影響;低水期，水位流量關(guān)系受河槽控制呈臨時(shí)單一關(guān)系。仙桃站歷史最低水位22.33 m，調(diào)查最高水位36.24 m。歷史最小流量165 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量14 600 m3/s。水位級(jí)劃分詳見(jiàn)表1。

2.2 UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)原理

雷達(dá)測(cè)流主要是利用多普勒效應(yīng)接收回波與發(fā)射波的時(shí)間差來(lái)測(cè)定距離，利用多普勒頻率的變化測(cè)量計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，并利用目標(biāo)回波在各天線通道上幅度或相位的差異來(lái)判別其方向，從而得到矢量速度。

此外，UHF雷達(dá)測(cè)流還運(yùn)用了Bragg散射理論[11]，當(dāng)雷達(dá)電磁波與其波長(zhǎng)一半的水波作用時(shí)，同一波列不同位置的后向回波在相位上差異值為2π或2π的整數(shù)倍，因而產(chǎn)生增強(qiáng)性Bragg后向散射。通過(guò)判斷一階Bragg峰位置偏離標(biāo)準(zhǔn)Bragg峰的程度，計(jì)算波浪的徑向流速。

根據(jù)上述原理[12-14]，武漢大學(xué)研制的UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)雷達(dá)波長(zhǎng)為0.88 m，頻率為340 MHz，硬件部分由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射天線和接收天線組成。在等寬的順直河道，可使用單站式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量探測(cè);在不等寬、非順直河道或其他流場(chǎng)復(fù)雜河段，可使用雙站式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量探測(cè)。

UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)生成徑向流場(chǎng)及矢量流場(chǎng)，具體過(guò)程包括一階峰區(qū)域的劃分、通道校準(zhǔn)、方位角估計(jì)算法、徑向流場(chǎng)的生成及后續(xù)處理、雙站矢量流合成算法。其中，UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)軟件采用流速面積法計(jì)算流量：將雷達(dá)測(cè)流生成的各垂線表面流速按照指數(shù)分布模型進(jìn)行計(jì)算，得到各垂線平均流速，根據(jù)測(cè)站自記水位計(jì)查得相應(yīng)水位;借用仙桃站實(shí)測(cè)大斷面，以測(cè)速垂線為界將過(guò)水?dāng)嗝鎰澐譃槿舾刹糠?，?jì)算部分面積[Ai]、部分平均流速[vi]，得到部分流量[qi]，累加得到斷面流量Q（見(jiàn)公式（1）～（4））。針對(duì)某些異常值，軟件采用中值濾波法處理：

3 比測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)有比測(cè)方法梳理

現(xiàn)有的比測(cè)內(nèi)容主要包括點(diǎn)流速和斷面流量的比測(cè)。

（1）點(diǎn)流速比測(cè)。一般采用雷達(dá)實(shí)測(cè)的表面流速與轉(zhuǎn)子式流速儀法施測(cè)的表面流速或ADCP測(cè)流后提取的表面流速相比。其中，與轉(zhuǎn)子式流速儀法比測(cè)是比較常用的方法，然而轉(zhuǎn)子式流速儀需要完全沒(méi)入水中才能正常工作，所以測(cè)到的并非表面流速，至少是旋漿回轉(zhuǎn)半徑深位置的點(diǎn)流速;ADCP探頭傳感器安裝要沒(méi)入水中，ADCP后處理軟件得到的表面流速為根據(jù)實(shí)測(cè)插補(bǔ)外延的流速，并非真實(shí)的表面流速。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，只有水面浮標(biāo)法可以測(cè)到真實(shí)表面流速，但其流速也是上下斷面距離內(nèi)水面流速的平均值，且難以把控到中斷面的位置，即浮標(biāo)起點(diǎn)距與雷達(dá)測(cè)速位置不好對(duì)應(yīng)，因此基本沒(méi)有將雷達(dá)測(cè)速與浮標(biāo)法比測(cè)的案例。

（2）斷面流量比測(cè)。一般采用雷達(dá)表面流速推算的斷面流量與轉(zhuǎn)子式流速儀法測(cè)流、ADCP測(cè)流、長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局報(bào)汛流量或該站水位-流量關(guān)系查算流量相比。其中，與轉(zhuǎn)子式流速儀法比測(cè)流量的方法應(yīng)用相對(duì)較多，雷達(dá)為在線監(jiān)測(cè)，可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，而流速儀測(cè)流時(shí)間較長(zhǎng)，比測(cè)時(shí)需要注意時(shí)間的同步性。根據(jù)時(shí)間-水位在水位-流量關(guān)系曲線查線流量值，由于采用整點(diǎn)報(bào)汛流量比測(cè)存在一定任意性，在滿足規(guī)范要求的前提下，不同技術(shù)人員的推流結(jié)果不盡相同。因此，采用時(shí)間相對(duì)較短且為實(shí)測(cè)資料的ADCP測(cè)流與雷達(dá)比測(cè)流量是一種較為可靠的方法。

3.2 比測(cè)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

綜合考慮現(xiàn)有比測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本次采用UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)在仙桃站開(kāi)展雷達(dá)表面流速與轉(zhuǎn)子式流速儀點(diǎn)流速比測(cè)，雷達(dá)系統(tǒng)斷面流量與ADCP實(shí)測(cè)流量比測(cè)。雷達(dá)測(cè)流的誤差統(tǒng)計(jì)以流速儀法或ADCP法測(cè)驗(yàn)成果為“真值”，統(tǒng)計(jì)或估算各項(xiàng)比測(cè)誤差。具體比測(cè)方案及開(kāi)展情況如下。

3.2.1? 點(diǎn)流速定點(diǎn)比測(cè)

在高、中、低水位級(jí)下，根據(jù)波浪代表性各開(kāi)展5～10次流速儀與UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)表面流速的比測(cè)試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)橫向分布每次不少于10個(gè)。為保證測(cè)得準(zhǔn)確流速，轉(zhuǎn)子式流速儀在測(cè)速時(shí)需要完全入水，入水深度約0.10 m，實(shí)際測(cè)得約為0.05 m水深處的測(cè)點(diǎn)流速。仙桃站斷面最大水深不超過(guò)10 m，0.05 m水深位置的流速與水面流速大小大致接近。流速儀的布設(shè)位置要考慮仙桃站表面流速橫向分布的代表性，流速儀適宜的布設(shè)起點(diǎn)距范圍為70～320 m，間隔10 m。

各點(diǎn)流速儀測(cè)流歷時(shí)既要與UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的單次采樣時(shí)間同步，又要考慮消除流速脈動(dòng)并體現(xiàn)代表性，因此每測(cè)點(diǎn)流速施測(cè)時(shí)間不少于100 s。同時(shí)，為確保時(shí)間的同步性及雷達(dá)的正常工作，比測(cè)時(shí)需將UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)采樣頻次調(diào)整為10 min/次，每次工作100 s，比測(cè)時(shí)找到與流速儀測(cè)速時(shí)間最接近的雷達(dá)測(cè)速數(shù)據(jù)。

3.2.2 斷面流量比測(cè)

采用走航式M9 ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）與UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)流量。M9數(shù)據(jù)模式在中低水期采用BTM底跟蹤模式，在高水期考慮到河底走沙的影響采用GGA模式。比測(cè)測(cè)次分布在高、中、低水位級(jí)，各水位級(jí)比測(cè)測(cè)次不少于10次。比測(cè)時(shí)找到與ADCP測(cè)流平均時(shí)間最接近的雷達(dá)數(shù)據(jù)。

3.2.3 比測(cè)開(kāi)展情況

UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)于2019年3月8日開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，開(kāi)展流速、流量比測(cè)采用的雷達(dá)測(cè)流數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2019年5月27日至11月15日（流速比測(cè)28次，流量比測(cè)27次，高水位10次，中、低（枯）水位各9次），水位在23.23～30.13 m之間，實(shí)測(cè)流量在476～5 770 m3/s之間。

4 應(yīng)用效果

4.1 流速比測(cè)分析

表面流速比測(cè)采用UHF雷達(dá)雙站合成流速與轉(zhuǎn)子式流速儀，共施測(cè)28次，高、中、低水位級(jí)比測(cè)測(cè)次分別為10，9，9次（見(jiàn)表2）。

由于UHF雷達(dá)測(cè)得的表面流速對(duì)應(yīng)的雷達(dá)距離（0，10，20，30 m，…）為雷達(dá)發(fā)射位置到水面的距離，與實(shí)際的斷面起點(diǎn)距存在一定差別，需要加上仙桃站斷面起點(diǎn)到雷達(dá)安裝位置的距離（27 m）。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的雷達(dá)起點(diǎn)距不再為10 m的整數(shù)倍，與轉(zhuǎn)子式流速儀施測(cè)的垂線起點(diǎn)距（70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280 m和300 m）并不重合。因此，在對(duì)于表面流速進(jìn)行誤差分析時(shí)，要根據(jù)本站斷面起點(diǎn)距對(duì)相鄰雷達(dá)起點(diǎn)距對(duì)應(yīng)的雷達(dá)表面流速進(jìn)行線性插補(bǔ)，得到與本站測(cè)速垂線起點(diǎn)距對(duì)應(yīng)的雷達(dá)表面流速，再與該起點(diǎn)距下的流速儀表面流速進(jìn)行誤差分析。

根據(jù)誤差分析（見(jiàn)表3），UHF雷達(dá)測(cè)速在高、中水位級(jí)都系統(tǒng)偏小。相對(duì)誤差絕對(duì)值基本集中在50%以內(nèi)，雷達(dá)測(cè)速誤差在低水位級(jí)表現(xiàn)較好，誤差絕對(duì)值小于10%的比例在35.9%，高、中水位級(jí)誤差絕對(duì)值小于10%的比例僅在20.1%和26.5%，水位越高，雷達(dá)測(cè)速誤差越大。

從UHF雷達(dá)與轉(zhuǎn)子式流速儀比測(cè)流速橫向分布來(lái)看（每個(gè)水位級(jí)挑選了有代表性的3張圖，見(jiàn)圖1），高、中、低水位級(jí)均存在雷達(dá)測(cè)速偏小的現(xiàn)象。雷達(dá)在高水期起點(diǎn)距90～210 m位置對(duì)應(yīng)的表面流速明顯偏小，起點(diǎn)距250 m以后差距減小;在中水期起點(diǎn)距70 m以后位置對(duì)應(yīng)的表面流速均偏小，偏小幅度比高水期略小;低水期起點(diǎn)距90～210 m位置對(duì)應(yīng)的表面流速明顯偏小，270 m后位置對(duì)應(yīng)的表面流速偏大。

4.2 流量比測(cè)分析

雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)軟件將各垂線表面流速按照指數(shù)分布模型計(jì)算得到垂線平均流速，采用流速面積法計(jì)算斷面流量，直接將走航式M9 ADCP測(cè)流得到的斷面流量與測(cè)流平均時(shí)間對(duì)應(yīng)的UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)軟件計(jì)算的流量比測(cè)，測(cè)次共27次。比測(cè)結(jié)果如下：UHF雷達(dá)系統(tǒng)流量與ADCP實(shí)測(cè)流量相關(guān)系數(shù)為0.986 3，相對(duì)誤差在-13.27%～17.09%之間，系統(tǒng)誤差為-2.10%，隨機(jī)不確定度為12.34%（見(jiàn)圖2）。

4.3 流量過(guò)程比較分析

仙桃站常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法為纜道流速儀法，2019年按連時(shí)序法布置測(cè)次，采用連時(shí)序法和臨時(shí)曲線法定線推流，成果已通過(guò)復(fù)審并正式刊印。UHF雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)之一在于實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)，本次系統(tǒng)設(shè)置于2019年3月開(kāi)始運(yùn)行，3月8日后獲得較為穩(wěn)定的雙站數(shù)據(jù)，每整點(diǎn)開(kāi)始記錄，測(cè)次密集，基本覆蓋了監(jiān)測(cè)期間的流量變化過(guò)程。采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法進(jìn)行整編推流，與仙桃站常規(guī)推流成果進(jìn)行對(duì)比分析，并將2019年水位、仙桃站常規(guī)法推流流量過(guò)程線、仙桃站實(shí)測(cè)流量、UHF雷達(dá)推流流量過(guò)程線點(diǎn)繪于同一張圖上（節(jié)選部分典型月份見(jiàn)圖3）。由于UHF雷達(dá)雙站數(shù)據(jù)部分缺失，缺失單站數(shù)據(jù)的由單站（B站）數(shù)據(jù)補(bǔ)充，仍缺乏數(shù)據(jù)的為3月20～26日，8月15～27日，9月12～19日，在統(tǒng)計(jì)上述時(shí)段流量時(shí)，應(yīng)根據(jù)臨近數(shù)據(jù)按照一元三點(diǎn)法進(jìn)行插補(bǔ)。

通過(guò)分析推流過(guò)程線、逐日平均流量、月流量統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，UHF雷達(dá)流量過(guò)程線不夠光滑，存在較多跳動(dòng)及部分異常值（已對(duì)極端異常值進(jìn)行修正）。與常規(guī)法測(cè)流的流量過(guò)程線趨勢(shì)大致接近，部分時(shí)段存在偏離，特征值大小及出現(xiàn)時(shí)間有一些差異，相差僅1～2 d的是由于雷達(dá)數(shù)據(jù)上下波動(dòng)，相差較大則是由于雷達(dá)數(shù)據(jù)存在異常跳動(dòng)值。部分雙站數(shù)據(jù)缺失的用B站數(shù)據(jù)代替，而該段B站數(shù)據(jù)偏差和抖動(dòng)也較為劇烈。反映到日均值上，逐日平均流量誤差小于1%的占66.91%，在1%～5%之間的占26.98%，在5%～10%之間的占4.68%，超過(guò)10%的占1.44%。

5 結(jié)論與展望

從流速比測(cè)結(jié)果可知，高、中、低水位級(jí)均存在雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)偏小的現(xiàn)象，尤其是在高水期起點(diǎn)距90～210 m位置。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，兩種儀器施測(cè)近似在同一流線上，但并不在同一個(gè)水面點(diǎn)上，轉(zhuǎn)子式流速儀施測(cè)的是旋槳直徑所在水流立面的平均流速，而雷達(dá)測(cè)速所測(cè)的是水面10 m×10 m矩形方格網(wǎng)上的平均值，所以存在系統(tǒng)誤差。對(duì)于表面流速比測(cè)，需提出更為科學(xué)合理的比測(cè)思路與方法，如用浮標(biāo)法、電波流速儀等與雷達(dá)測(cè)速做進(jìn)一步比較。

根據(jù)流量比測(cè)結(jié)果來(lái)看，UHF雷達(dá)系統(tǒng)流量系統(tǒng)誤差為2.10%，隨機(jī)不確定度為12.34%。UHF雷達(dá)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，流量比測(cè)結(jié)果具有較高精度。鑒于仙桃站高水期河底走沙較大，可采用較為穩(wěn)定可靠的ADCP（瑞智、瑞江等）GGA模式與雷達(dá)比測(cè)。

流量過(guò)程線的比較表明，雷達(dá)工作不夠穩(wěn)定，尤其是A站，數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致無(wú)法生成雙站合成矢量數(shù)據(jù)，單站數(shù)據(jù)還不夠完整。與仙桃站2019年3～12月的流量過(guò)程相比，雷達(dá)數(shù)據(jù)存在缺失、異常跳動(dòng)值及部分時(shí)段偏差。需要進(jìn)一步提高UHF雷達(dá)測(cè)速穩(wěn)定性及高水期起點(diǎn)距90～210 m位置的測(cè)速準(zhǔn)確性，改進(jìn)表面流量反演的計(jì)算模型精度，從而為后期投產(chǎn)使用提供數(shù)據(jù)支撐。

此外，需要對(duì)仙桃站游蕩型河床斷面沖於隨時(shí)間、季節(jié)、水位級(jí)、流量級(jí)和洪水過(guò)程變化引起的流量誤差分布繼續(xù)分析，累積資料樣本，給出UHF雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)流在該站的適用條件。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：李 慧）

Abstract： The existing radar discharge measurement method can not meet the requirement of representativeness， consistency and reliability. Taking the self-developed UHF radar of Wuhan University as an example， the comparison measurement of radar discharge measurement with rotating-element current meter and M9 ADCP were carried out at Xiantao Hydrometric Station on the Hanjiang River. The results showed that there were differences in the velocity measurement location and range between radar and rotating-element current meter， and the result of radar was systematically smaller， so the correlation should be further verified. Compared with the ADCP measured discharge， the accuracy of radar discharge measurement was good， the correlation coefficient was 0.9863， the relative error was from -13.27% to 17.09%， the systematic error was -2.10%， and the random uncertainty was 12.34%. In the view of the discharge process of Xiantao Hydrometric Station from March to December 2019， the disadvantages of radar included data missing， abnormal runout value and deviation in some time periods， so the stability of velocity measurement of the system should be strengthened in the future.

Key words： UHF radar; ADCP; discharge measurement comparison; Xiantao Hydrometric Station