雷達(dá)冰厚測(cè)量?jī)x在遼寧地區(qū)河道冰情觀測(cè)中的應(yīng)用

高連琦

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117200)

北方地區(qū)由于冬季氣溫低，不同厚度的冰蓋會(huì)在江河湖面表面形成，受靜冰和動(dòng)冰壓力耦合作用下會(huì)對(duì)河道堤防及水工建筑物安全產(chǎn)生影響[1]。因此需要在冬季定期對(duì)河流冰層厚度進(jìn)行觀測(cè)，從而對(duì)其河流冰情特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，對(duì)河流封凍期和開(kāi)河期冰層特征進(jìn)行全面掌握[2]。傳統(tǒng)對(duì)于冰厚觀測(cè)的方式總體可歸納為破壞式測(cè)量[3]和非破壞式測(cè)量?jī)煞N方式[4]，鉆孔測(cè)量和電阻絲測(cè)量方式均為破壞式測(cè)量，在國(guó)內(nèi)河流冰厚觀測(cè)較為常用的方式為鉆孔測(cè)量，近些年來(lái)通過(guò)采用電鉆方式替代傳統(tǒng)人工搖鉆方式可節(jié)省大量的人力和物力，該方式通過(guò)鉆透冰層后通過(guò)米尺對(duì)其冰層厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量一個(gè)點(diǎn)位冰層厚度需要較長(zhǎng)的時(shí)間，且很難對(duì)河面寬度較厚的斷面進(jìn)行連續(xù)測(cè)量[5]。破壞式測(cè)量的第二種主要方式為電阻絲測(cè)量方法[6]，該方法通過(guò)通電電阻絲發(fā)熱，形成自由移動(dòng)通道在冰內(nèi)，通過(guò)電阻絲在冰面以上長(zhǎng)度對(duì)其冰層厚度進(jìn)行估算，這種方式相比于鉆孔方式人力和物力消耗更小，且操作較為簡(jiǎn)單[7]。近些年來(lái)，隨著超聲波和探地雷達(dá)技術(shù)在水文測(cè)驗(yàn)中的逐步應(yīng)用[8-9]，依托這兩項(xiàng)技術(shù)的冰厚測(cè)量?jī)x器也被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)一些河流冰厚測(cè)量中，這兩種方式均為非破壞式冰厚測(cè)量方法，其中超聲波測(cè)量冰厚的主要原理在于通過(guò)對(duì)冰層上下超聲回波距離進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)對(duì)冰層內(nèi)部超聲波一次往返時(shí)間的記錄，來(lái)對(duì)其冰層厚度進(jìn)行推求[10]。通過(guò)國(guó)內(nèi)一些河流冰厚測(cè)量研究成果發(fā)現(xiàn)鉆孔測(cè)量、電阻絲測(cè)量以及超聲波冰厚測(cè)量方式都很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)斷面冰厚連續(xù)測(cè)量，且都需要建立冰生長(zhǎng)和水文氣象因子關(guān)系來(lái)對(duì)其冰層厚度進(jìn)行估算[11]。探測(cè)雷達(dá)波由于可進(jìn)行連續(xù)、無(wú)損以及高效的雷達(dá)掃描特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)設(shè)定頻率下的雷達(dá)電磁波圖像進(jìn)行處理，可以對(duì)其冰水分界、表層和冰界面進(jìn)行判定后，對(duì)其冰層厚度進(jìn)行間接估算，在國(guó)內(nèi)一些河流中得到了應(yīng)用[12-13]?？紤]到雷達(dá)探測(cè)方法其不同雷達(dá)波頻率對(duì)冰層厚度測(cè)定影響明顯，為此文章首次在遼寧地區(qū)采用雷達(dá)冰厚測(cè)量?jī)x對(duì)河流冰厚進(jìn)行測(cè)量，文章對(duì)其探測(cè)原理進(jìn)行了分析，并結(jié)合傳統(tǒng)人工觀測(cè)方式進(jìn)行誤差比測(cè)，以期對(duì)該技術(shù)在北方地區(qū)河流冰厚測(cè)量中可進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

1 雷達(dá)冰厚測(cè)量原理

高頻寬帶電磁波以脈沖發(fā)送的方式從冰層表面向下發(fā)射式雷達(dá)冰厚探測(cè)的主要工作方式，水面或者其他介質(zhì)與電磁波在冰層傳播中相遇會(huì)發(fā)生反射，冰層表面反射的雷達(dá)電磁波信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)行接收，雷達(dá)回波通過(guò)超寬帶接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行量化。DSP信號(hào)處理器內(nèi)嵌在雷達(dá)內(nèi)結(jié)合回波幅度、走時(shí)、形狀及極性，對(duì)冰層與水面分界面通過(guò)層位自動(dòng)識(shí)別算法進(jìn)行自動(dòng)尋找，從而對(duì)冰層厚度進(jìn)行估算，雷達(dá)探測(cè)冰層厚度的示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 雷達(dá)探測(cè)冰層厚度的示意圖

結(jié)合在冰層中電磁波走時(shí)雙程及冰層介電相對(duì)參數(shù)對(duì)冰層厚度按照方程(1)進(jìn)行確定：

(1)

式中：T為冰層厚度測(cè)定值，mm；△t為在冰面層雷達(dá)波雙程歷時(shí)，ns；c為空氣中雷達(dá)電磁波傳播速率，cm/ns；εr為相對(duì)介質(zhì)在冰層中的常數(shù)值。

2 雷達(dá)冰厚比測(cè)分析

2.1 比測(cè)誤差分析

采用人工鉆孔觀測(cè)方式，通過(guò)不同點(diǎn)位人工鉆孔估算的冰層厚度和采用雷達(dá)冰厚測(cè)量?jī)x進(jìn)行各點(diǎn)位估算的冰層厚度進(jìn)行比測(cè)，按照《河流冰情觀測(cè)規(guī)范》(SL59-2015)要求，通過(guò)對(duì)不同點(diǎn)位比測(cè)數(shù)組分析其標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方程為：

(2)

式中：Se為比測(cè)點(diǎn)位數(shù)組標(biāo)準(zhǔn)差，%；Di為點(diǎn)位采用雷達(dá)測(cè)厚儀測(cè)定的冰層厚度，cm；Dci為點(diǎn)位采用人工鉆孔方式測(cè)定的的冰層厚度，cm；n為比測(cè)點(diǎn)位總數(shù)。文章采用置信度為95%水平的隨機(jī)不確定度進(jìn)行比測(cè)點(diǎn)位誤差分析，隨機(jī)不確定度計(jì)算方程為：

(3)

2.2 比測(cè)誤差分析

在遼河馬虎山水文站以上河段進(jìn)行冰厚比測(cè)分析，該河段冰面寬度約為250m，分別在馬虎山水文站觀測(cè)斷面及上上游15km處，選取兩個(gè)比測(cè)斷面，進(jìn)行為期5d的比測(cè)試驗(yàn)。采用人工鉆孔方式對(duì)冰層進(jìn)行開(kāi)鑿鉆孔，在兩個(gè)斷面分別進(jìn)行25個(gè)點(diǎn)位冰孔開(kāi)鑿，采集25個(gè)點(diǎn)位人工觀測(cè)的冰層厚度及雷達(dá)測(cè)厚儀觀測(cè)的冰層厚度。雷達(dá)測(cè)厚儀冰層厚度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定圖，見(jiàn)圖2。

圖2 雷達(dá)測(cè)厚儀冰層厚度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定圖

2.3 雷達(dá)波冰層傳播速率確定

在冰層中電磁波傳播速率式雷達(dá)發(fā)射測(cè)定冰層厚度的關(guān)鍵因素，需要采用反推方法對(duì)其傳播速率c進(jìn)行確定，其計(jì)算方程為：

(4)

式中：D為冰層采用人工鉆孔方式測(cè)定的厚度，cm；△t為在冰面層雷達(dá)波雙程走時(shí)，μs。在比測(cè)的2個(gè)斷面選取6個(gè)點(diǎn)位。采用方程(4)對(duì)其雷達(dá)電磁波在冰層之間傳播速率進(jìn)行計(jì)算，冰層中雷達(dá)波傳播速率，見(jiàn)表1。此外相對(duì)介電常數(shù)采用馬虎山水文站多年人工測(cè)定的冰情數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行反演計(jì)算，通過(guò)對(duì)斷面1(馬虎山水文觀測(cè)斷面)的3個(gè)點(diǎn)位的反演推算，其相對(duì)對(duì)介電常數(shù)為3.025。

表1 冰層中雷達(dá)波傳播速率

國(guó)內(nèi)一些研究成果表明[14-15]在粒狀和柱狀冰層中雷達(dá)波傳播的速率分別為17.02cm/ns和16.98cm/ns，文章反算的6個(gè)點(diǎn)位的雷達(dá)波傳播的速率均值為16.79cm/ns,與已有研究成果較為吻合。冰體結(jié)構(gòu)、冰層含水、含沙量、冰內(nèi)氣泡是冰層中雷達(dá)波傳播速率的主要影響因素，較為復(fù)雜且參差不齊的冰水層界面使得雷達(dá)波開(kāi)角內(nèi)各反射單元具有較高的隨機(jī)性。使得雷達(dá)波反射產(chǎn)生偏差，因此確定介電常數(shù)及不平整冰面的探測(cè)還需要進(jìn)一步深入探討。

2.4 雷達(dá)回波圖像

通過(guò)雷達(dá)測(cè)厚儀數(shù)據(jù)接收處理軟件可以對(duì)其回波圖像進(jìn)行清晰處理，兩個(gè)觀測(cè)斷面雷達(dá)波探測(cè)回波圖像，見(jiàn)圖3。

斷面1(馬虎水文站觀測(cè)斷面)

斷面2(馬虎水文站觀測(cè)斷面上游15km)圖3 兩個(gè)觀測(cè)斷面雷達(dá)波探測(cè)回波圖像

兩個(gè)斷面空氣-冰層分界以及冰-水分解面可從雷達(dá)回波圖中進(jìn)行清晰看出，水面或者其他介質(zhì)與電磁波在冰層傳播中相遇會(huì)發(fā)生反射，冰層表面反射的雷達(dá)電磁波信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)行接收，雷達(dá)回波通過(guò)超寬帶接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行量化。DSP信號(hào)處理器內(nèi)嵌在雷達(dá)內(nèi)結(jié)合回波幅度、走時(shí)、形狀及極性，對(duì)冰層與水面分界面通過(guò)層位自動(dòng)識(shí)別算法進(jìn)行自動(dòng)尋找，從而對(duì)冰層厚度進(jìn)行估算。

2.4 比測(cè)誤差分析

結(jié)合兩個(gè)斷面不同點(diǎn)位的人工鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)和雷達(dá)測(cè)厚儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行各點(diǎn)位冰層厚度比測(cè)誤差分析，各斷面不同點(diǎn)位比測(cè)誤差分析，斷面1(馬虎山水文站觀測(cè)斷面)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2；斷面2(馬虎山水文站觀測(cè)斷面上游15km)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3，并對(duì)比不同起點(diǎn)距下的冰厚，不同斷面各起點(diǎn)距下的冰厚測(cè)定對(duì)比，見(jiàn)圖4。

表2 斷面1(馬虎山水文站觀測(cè)斷面)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

表3 斷面2(馬虎山水文站觀測(cè)斷面上游15km)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

續(xù)表3 斷面2(馬虎山水文站觀測(cè)斷面上游15km)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

斷面1(馬虎水文站觀測(cè)斷面)

斷面2(馬虎水文站觀測(cè)斷面上游15km)圖4 不同斷面各起點(diǎn)距下的冰厚測(cè)定對(duì)比

分別對(duì)兩個(gè)斷面25個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)組進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算各數(shù)據(jù)組之間的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了計(jì)算，兩組數(shù)據(jù)比測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為10.5%和12.9%，各組隨機(jī)不確定度分別為8.2%和9.7%，均可滿足《河流冰情觀測(cè)規(guī)范》(SL59-2015)要求比測(cè)點(diǎn)位標(biāo)準(zhǔn)差要在±15%以內(nèi)，95%置信水平的隨機(jī)不確定度要在在±10%范圍之內(nèi)。在兩個(gè)斷面中，斷面1為馬虎山水文站觀測(cè)斷面，其各點(diǎn)位中僅有3個(gè)點(diǎn)位比測(cè)誤差>±15%，其他均滿足±15%比測(cè)誤差要求，而斷面各點(diǎn)位比測(cè)誤差均在±10%以內(nèi)，通過(guò)分析誤差較高的3個(gè)點(diǎn)位，均由于冰層之間的介質(zhì)較多，影響雷達(dá)波的反射。結(jié)合圖3中兩個(gè)斷面不同起點(diǎn)距下的冰厚對(duì)比可看出，兩個(gè)斷面各起點(diǎn)距下人工鉆孔測(cè)定的冰層厚度和雷達(dá)測(cè)厚儀測(cè)定的冰層厚度總體過(guò)程吻合，通過(guò)相關(guān)性分析，各斷面兩種方法比測(cè)下的相關(guān)系數(shù)總體可達(dá)到0.6以上，相關(guān)性較高。綜上，通過(guò)人工比測(cè)分析，雷達(dá)測(cè)厚儀測(cè)定冰層厚度基本可滿足《河流冰情觀測(cè)規(guī)范》(SL59-2015)要求，雷達(dá)測(cè)厚儀可以對(duì)斷面進(jìn)行連續(xù)快速測(cè)定，可對(duì)斷面全過(guò)程的冰層分布進(jìn)行測(cè)定，可有效降低傳統(tǒng)人工觀測(cè)方式下對(duì)于冰層邊緣缺損產(chǎn)生的觀測(cè)誤差。河流斷面冰層的厚度變化可通過(guò)雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)全面反映，雷達(dá)測(cè)厚儀在斷面連續(xù)觀測(cè)上相比于傳統(tǒng)人工方式優(yōu)勢(shì)顯著。本次比測(cè)試驗(yàn)雷達(dá)測(cè)厚儀的天線頻率為270M可實(shí)現(xiàn)0-5m水下河床位置的探測(cè)，通過(guò)估算采用天線頻率為25M或者50M可對(duì)0-15m水下河床位置進(jìn)行探測(cè)。此外，采用雷達(dá)法進(jìn)行河道冰層厚度進(jìn)行散點(diǎn)位測(cè)定時(shí)，各散點(diǎn)之間的間距應(yīng)≥5m。

3 主要結(jié)論

1)本次比測(cè)試驗(yàn)雷達(dá)測(cè)厚儀的天線頻率為270M可實(shí)現(xiàn)0-5m水下河床位置的探測(cè)，通過(guò)估算采用天線頻率為25M或者50M可對(duì)0-15m水下河床位置進(jìn)行探測(cè)，此外采用雷達(dá)法進(jìn)行河道冰層厚度進(jìn)行散點(diǎn)位測(cè)定時(shí)，各散點(diǎn)之間的間距應(yīng)≥5m。

2)本次主要通過(guò)人工推車方式進(jìn)行冰層厚度的雷達(dá)測(cè)定，后期也可采用無(wú)人機(jī)搭載的方式實(shí)現(xiàn)全域、全斷面的連續(xù)觀測(cè)，可應(yīng)用范圍更大區(qū)域冰層厚度如水庫(kù)冰層厚度的測(cè)定，在北方地區(qū)具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

3)文章選取的比測(cè)斷面河流冰層結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定，冰層中含沙量及其他介質(zhì)相對(duì)較少，為此對(duì)于冰層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、冰層含水、含沙量及其他介質(zhì)較多的河流的適用性還需要進(jìn)一步比測(cè)探究。