李小波 余德華 劉少義

(長江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434002)

雷達(dá)波測速探頭在水文纜道測驗(yàn)中的開發(fā)應(yīng)用

李小波 余德華 劉少義

(長江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434002)

根據(jù)雷達(dá)的測速原理，利用雷達(dá)探頭，集成相關(guān)的模塊，開發(fā)出了纜道式無線雷達(dá)測速儀，并分別在長江中游以及獨(dú)龍江水系相關(guān)水文站進(jìn)行了比測試驗(yàn)。比測結(jié)果表明，儀器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，比測結(jié)果滿足水文規(guī)范要求，在一定條件下能夠替代浮標(biāo)完成流量測驗(yàn)，可作為水文巡測以及流速較大山區(qū)性河流流速測量儀器，同時(shí)也為流量在線監(jiān)測積累了經(jīng)驗(yàn)。

水文測驗(yàn)；流量測量；雷達(dá)測速；比測試驗(yàn)

1 研究背景

長期以來，水文纜道上的流速測量一般采用轉(zhuǎn)子式流速儀，在遇到水流急、含沙量大、漂浮物多、大洪水等復(fù)雜水情時(shí)施測困難，甚至還會(huì)威脅到測驗(yàn)設(shè)施的安全[1]。雷達(dá)測速采用非接觸方式，直接施測水面流速，然后通過水面系數(shù)換算成垂線平均流速，結(jié)合水道斷面成果可達(dá)到計(jì)算斷面流量的目的，該方法具備操作簡單實(shí)用、安全可靠、測驗(yàn)歷時(shí)短以及計(jì)算方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

2011年，長江委水文局荊江局引進(jìn)了美國斯德克的雷達(dá)測試儀，進(jìn)行了一些相關(guān)試驗(yàn)。該儀器具有工作穩(wěn)定可靠、測速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但僅有探頭，還需要集成開發(fā)相關(guān)的部件。荊江局研制了集成雷達(dá)波測速系統(tǒng)硬件，測速試驗(yàn)時(shí)把儀器固定在纜道鉛魚上，在斷面上施測不同垂線位置的水面流速。近2 a，成功開發(fā)了集軟硬件一體化的纜道式無線雷達(dá)測流系統(tǒng)，并在彌陀寺水文站、獨(dú)龍江水文站進(jìn)行了比測試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。本文簡要介紹雷達(dá)測速原理、流速數(shù)據(jù)處理的開發(fā)應(yīng)用以及試驗(yàn)比測情況。

2 雷達(dá)測速在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 雷達(dá)測速原理

雷達(dá)測速基于電磁波的多普勒效應(yīng)原理， 當(dāng)波源、 觀察者、 媒質(zhì)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 電磁波在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)表面發(fā)生反射引起回波頻率的改變。 應(yīng)用雷達(dá)測速時(shí)， 波源和觀察者不動(dòng)， 媒質(zhì)(水體)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 才能引起反射波的頻率改變， 改變量的大小與水體流動(dòng)的相對(duì)速度有關(guān)， 發(fā)射波頻率與反射波頻率的差值就是多普勒頻移， 水面流速v表示為：

(1)

式中，fd為多普勒頻率，fd=|f0-f1|，f1=cλ，為接收到的回波頻率，c為雷達(dá)在空中的的傳播速度，λ為發(fā)射波波長；f0為發(fā)射頻率；θ為發(fā)射波與水流方向的夾角。

雷達(dá)波打在水面上呈橢圓形狀，橢圓形狀區(qū)域的大小與雷達(dá)發(fā)射探頭到水面的距離和水平角度有關(guān)，因此雷達(dá)測得的水面流速就是這塊水面區(qū)域的表面平均流速，與某一測速垂線的水面流速相對(duì)應(yīng)。

2.2 纜道雷達(dá)測速系統(tǒng)硬件組成

纜道雷達(dá)測速系統(tǒng)硬件由雷達(dá)探頭、控制器、電源控制和Zigbee模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 纜道雷達(dá)測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雷達(dá)探頭采用的是斯德克的S3-SVR探頭，技術(shù)指標(biāo)如下：

流速范圍0.5～18 m/s

流速精度±0.03 m/s

平均時(shí)長0～99.9 m/s

俯角范圍30°～70°可設(shè)置

波束寬度12°(錐度角)

雷達(dá)頻率Ka波段(34.7 GHz)

工作溫度：-30℃～+70℃

控制器采用ARM單片機(jī)芯片開發(fā)，具有功耗低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)?？刂破鞯闹饕δ苁墙邮沼?jì)算機(jī)的指令，根據(jù)指令內(nèi)容控制雷達(dá)探頭上電工作，或者掉電休眠，接收雷達(dá)探頭發(fā)來的測量數(shù)據(jù)并通過Zigbee模塊送回給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

雷達(dá)探頭與計(jì)算機(jī)的通信采用Zigbee無線通信模塊，Zigbee可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的透明傳輸，功耗低、通訊距離長，經(jīng)過測試，可滿足纜道斷面距離的數(shù)據(jù)通信。

2.3 測流程序的開發(fā)

計(jì)算機(jī)上的測流程序界面如圖2所示。

圖2 雷達(dá)測流程序主界面

測流程序操作簡單，輸入起點(diǎn)距、當(dāng)前水位和時(shí)長，就可啟動(dòng)測速。測完一條垂線緊接著就可以測下一條垂線，測完所有垂線后就可以按《結(jié)束測流》按鈕退出測流界面。

根據(jù)測流的數(shù)據(jù)和水道斷面資料就可以計(jì)算出斷面的流量，生成的表格界面如圖3所示。

圖3 流量測驗(yàn)表格界面

3 比測試驗(yàn)分析

3.1 比測試驗(yàn)

為了驗(yàn)證雷達(dá)測速儀的測速精度，比測時(shí)將鉛魚剛好浸入水面以下，以保障鉛魚在水流作用下相對(duì)穩(wěn)定且不左右擺動(dòng)， LS25-3A型號(hào)流速儀布置在水面以下0.2 m處，雷達(dá)測速儀布置在水面以上約0.5 m處，兩種儀器同時(shí)施測比較。每線比測水面1點(diǎn)，每次比測按該站常規(guī)測速垂線施測，比測時(shí)按常規(guī)流量測驗(yàn)要求目測風(fēng)力風(fēng)向。

2013年7月10～24日在長江中游平原站纜道斷面實(shí)施比測共8次，比測流速點(diǎn)數(shù)共60點(diǎn)，比測時(shí)目測最大風(fēng)力為4～5級(jí)，風(fēng)向不定。雷達(dá)測速探頭的俯仰角約為55°，比測時(shí)常規(guī)流速儀測速范圍為0.39～0.99 m/s， 雷達(dá)測速儀的比測范圍為0.35～1.13 m/s。比測結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 平原站流速比測結(jié)果界面

2014～2015年間在山區(qū)站比測流量共計(jì)37次，水位在1 520.62～1 519.13 m之間，變幅為1.49 m；實(shí)測最大流量為721 m3/s，最小流量為260 m3/s；流速儀測得的最大流速為5.68 m/s；雷達(dá)測到的最大水面流速為5.45 m/s，水面流速系數(shù)為0.823，計(jì)算其最大相對(duì)誤差為13.16%，最小相對(duì)誤差為-10.28%，系統(tǒng)誤差為0.22%，標(biāo)準(zhǔn)差為4.6%，隨機(jī)不確定度為9.20%。資料滿足測驗(yàn)要求。

從以上比測結(jié)果可以看出，一般絕對(duì)誤差都在0.14 m/s以內(nèi)，測量結(jié)果穩(wěn)定。鉛魚不穩(wěn)定及風(fēng)速會(huì)給所測流速帶來一定的偏差。

3.2 存在的問題

(1) 當(dāng)測量的水面平靜時(shí)，回波信號(hào)較弱，一次測速時(shí)可能只接收到幾個(gè)回波信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果誤差很大或無法測流，因此該儀器不適用于水面比較平靜的斷面。

(2) 風(fēng)向風(fēng)力對(duì)測量結(jié)果影響較大，當(dāng)流速小于0.5 m/s時(shí)，影響較大，測量結(jié)果不能用，但當(dāng)流速大于0.5 m/s時(shí)，影響就很小了，所以儀器最好在流速范圍為0.5～18 m/s時(shí)使用。

(3) 儀器測量時(shí)的俯仰角會(huì)有變化，應(yīng)增加俯仰角的測量裝置，隨時(shí)記錄俯仰角的大小，從而有效地對(duì)流速值進(jìn)行修正。

4 結(jié) 語

雷達(dá)測速技術(shù)較成熟，在生產(chǎn)中運(yùn)用較多，特別是在有漂浮物、大洪水等情況下快速測驗(yàn)優(yōu)勢十分明顯，測量結(jié)果能滿足水文規(guī)范要求。隨著纜道ADCP的出現(xiàn)，纜道式無線雷達(dá)測速儀、在線式雷達(dá)測流系統(tǒng)和纜道ADCP互有優(yōu)勢、相互補(bǔ)充，為中小河流流量測驗(yàn)提供了全套的技術(shù)解決方案，對(duì)推動(dòng)測流技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

[1] 肖虎程，余德華，章烈屏.基于DSP的水文纜道信號(hào)傳輸技術(shù)開發(fā)應(yīng)用[J].人民長江，2008,39(20)：47-49.

(編輯：朱曉紅)

2017-03-31

李小波，男，長江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測局，工程師.

1006-0081(2017)06-0020-02

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