李小波 余德華 劉少義

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434002)

雷達波測速探頭在水文纜道測驗中的開發(fā)應用

李小波 余德華 劉少義

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434002)

根據(jù)雷達的測速原理，利用雷達探頭，集成相關的模塊，開發(fā)出了纜道式無線雷達測速儀，并分別在長江中游以及獨龍江水系相關水文站進行了比測試驗。比測結果表明，儀器運行穩(wěn)定、可靠，比測結果滿足水文規(guī)范要求，在一定條件下能夠替代浮標完成流量測驗，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，同時也為流量在線監(jiān)測積累了經(jīng)驗。

水文測驗；流量測量；雷達測速；比測試驗

1 研究背景

長期以來，水文纜道上的流速測量一般采用轉子式流速儀，在遇到水流急、含沙量大、漂浮物多、大洪水等復雜水情時施測困難，甚至還會威脅到測驗設施的安全[1]。雷達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，結合水道斷面成果可達到計算斷面流量的目的，該方法具備操作簡單實用、安全可靠、測驗歷時短以及計算方便快捷等優(yōu)點。

2011年，長江委水文局荊江局引進了美國斯德克的雷達測試儀，進行了一些相關試驗。該儀器具有工作穩(wěn)定可靠、測速范圍大等優(yōu)點，但僅有探頭，還需要集成開發(fā)相關的部件。荊江局研制了集成雷達波測速系統(tǒng)硬件，測速試驗時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測流系統(tǒng)，并在彌陀寺水文站、獨龍江水文站進行了比測試驗，達到了預期效果。本文簡要介紹雷達測速原理、流速數(shù)據(jù)處理的開發(fā)應用以及試驗比測情況。

2 雷達測速在水文測驗中的應用

2.1 雷達測速原理

雷達測速基于電磁波的多普勒效應原理， 當波源、 觀察者、 媒質(zhì)之間發(fā)生相對運動時， 電磁波在運動介質(zhì)表面發(fā)生反射引起回波頻率的改變。 應用雷達測速時， 波源和觀察者不動， 媒質(zhì)(水體)發(fā)生相對運動時， 才能引起反射波的頻率改變， 改變量的大小與水體流動的相對速度有關， 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。

雷達波打在水面上呈橢圓形狀，橢圓形狀區(qū)域的大小與雷達發(fā)射探頭到水面的距離和水平角度有關，因此雷達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應。

2.2 纜道雷達測速系統(tǒng)硬件組成

纜道雷達測速系統(tǒng)硬件由雷達探頭、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 纜道雷達測速系統(tǒng)結構

雷達探頭采用的是斯德克的S3-SVR探頭，技術指標如下：

流速范圍0.5～18 m/s

流速精度±0.03 m/s

平均時長0～99.9 m/s

俯角范圍30°～70°可設置

波束寬度12°(錐度角)

雷達頻率Ka波段(34.7 GHz)

工作溫度：-30℃～+70℃

控制器采用ARM單片機芯片開發(fā)，具有功耗低、功能強等特點。控制器的主要功能是接收計算機的指令，根據(jù)指令內(nèi)容控制雷達探頭上電工作，或者掉電休眠，接收雷達探頭發(fā)來的測量數(shù)據(jù)并通過Zigbee模塊送回給計算機進行處理。

雷達探頭與計算機的通信采用Zigbee無線通信模塊，Zigbee可實現(xiàn)點對點的透明傳輸，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)

計算機上的測流程序界面如圖2所示。

圖2 雷達測流程序主界面

測流程序操作簡單，輸入起點距、當前水位和時長，就可啟動測速。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 流量測驗表格界面

3 比測試驗分析

3.1 比測試驗

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

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

圖4 平原站流速比測結果界面

2014～2015年間在山區(qū)站比測流量共計37次，水位在1 520.62～1 519.13 m之間，變幅為1.49 m；實測最大流量為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，計算其最大相對誤差為13.16%，最小相對誤差為-10.28%，系統(tǒng)誤差為0.22%，標準差為4.6%，隨機不確定度為9.20%。資料滿足測驗要求。

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

3.2 存在的問題

(1) 當測量的水面平靜時，回波信號較弱，一次測速時可能只接收到幾個回波信號，這會導致測量結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) 風向風力對測量結果影響較大，當流速小于0.5 m/s時，影響較大，測量結果不能用，但當流速大于0.5 m/s時，影響就很小了，所以儀器最好在流速范圍為0.5～18 m/s時使用。

(3) 儀器測量時的俯仰角會有變化，應增加俯仰角的測量裝置，隨時記錄俯仰角的大小，從而有效地對流速值進行修正。

4 結 語

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

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

(編輯：朱曉紅)

2017-03-31

李小波，男，長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，工程師.

1006-0081(2017)06-0020-02

P332

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