雷達(dá)波測(cè)速探頭在水文纜道測(cè)驗(yàn)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

李小波 余德華 劉少義

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州 434002)

雷達(dá)波測(cè)速探頭在水文纜道測(cè)驗(yàn)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

李小波 余德華 劉少義

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州 434002)

根據(jù)雷達(dá)的測(cè)速原理，利用雷達(dá)探頭，集成相關(guān)的模塊，開(kāi)發(fā)出了纜道式無(wú)線雷達(dá)測(cè)速儀，并分別在長(zhǎng)江中游以及獨(dú)龍江水系相關(guān)水文站進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn)。比測(cè)結(jié)果表明，儀器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，比測(cè)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(cè)驗(yàn)，可作為水文巡測(cè)以及流速較大山區(qū)性河流流速測(cè)量?jī)x器，同時(shí)也為流量在線監(jiān)測(cè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

水文測(cè)驗(yàn)；流量測(cè)量；雷達(dá)測(cè)速；比測(cè)試驗(yàn)

1 研究背景

長(zhǎng)期以來(lái)，水文纜道上的流速測(cè)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(cè)困難，甚至還會(huì)威脅到測(cè)驗(yàn)設(shè)施的安全[1]。雷達(dá)測(cè)速采用非接觸方式，直接施測(cè)水面流速，然后通過(guò)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(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短以及計(jì)算方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

2011年，長(zhǎng)江委水文局荊江局引進(jìn)了美國(guó)斯德克的雷達(dá)測(cè)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(cè)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但僅有探頭，還需要集成開(kāi)發(fā)相關(guān)的部件。荊江局研制了集成雷達(dá)波測(cè)速系統(tǒng)硬件，測(cè)速試驗(yàn)時(shí)把儀器固定在纜道鉛魚(yú)上，在斷面上施測(cè)不同垂線位置的水面流速。近2 a，成功開(kāi)發(fā)了集軟硬件一體化的纜道式無(wú)線雷達(dá)測(cè)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(cè)試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。本文簡(jiǎn)要介紹雷達(dá)測(cè)速原理、流速數(shù)據(jù)處理的開(kāi)發(fā)應(yīng)用以及試驗(yàn)比測(cè)情況。

2 雷達(dá)測(cè)速在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 雷達(dá)測(cè)速原理

雷達(dá)測(cè)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(cè)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(zhǎng)；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(cè)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(cè)速垂線的水面流速相對(duì)應(yīng)。

2.2 纜道雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)硬件組成

纜道雷達(dá)測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)，具有功耗低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。控制器的主要功能是接收計(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(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)并通過(guò)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(wú)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(zhǎng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可滿足纜道斷面距離的數(shù)據(jù)通信。

2.3 測(cè)流程序的開(kāi)發(fā)

計(jì)算機(jī)上的測(cè)流程序界面如圖2所示。

圖2 雷達(dá)測(cè)流程序主界面

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

根據(jù)測(cè)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(cè)驗(yàn)表格界面

3 比測(cè)試驗(yàn)分析

3.1 比測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證雷達(dá)測(cè)速儀的測(cè)速精度，比測(cè)時(shí)將鉛魚(yú)剛好浸入水面以下，以保障鉛魚(yú)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(cè)速儀布置在水面以上約0.5 m處，兩種儀器同時(shí)施測(cè)比較。每線比測(cè)水面1點(diǎn)，每次比測(cè)按該站常規(guī)測(cè)速垂線施測(cè)，比測(cè)時(shí)按常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)要求目測(cè)風(fēng)力風(fēng)向。

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

圖4 平原站流速比測(cè)結(jié)果界面

2014～2015年間在山區(qū)站比測(cè)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(cè)最大流量為721 m3/s，最小流量為260 m3/s；流速儀測(cè)得的最大流速為5.68 m/s；雷達(dá)測(cè)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(cè)驗(yàn)要求。

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

3.2 存在的問(wèn)題

(1) 當(dāng)測(cè)量的水面平靜時(shí)，回波信號(hào)較弱，一次測(cè)速時(shí)可能只接收到幾個(gè)回波信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差很大或無(wú)法測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)的俯仰角會(huì)有變化，應(yīng)增加俯仰角的測(cè)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(yǔ)

雷達(dá)測(cè)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(cè)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)十分明顯，測(cè)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(wú)線雷達(dá)測(cè)速儀、在線式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)和纜道ADCP互有優(yōu)勢(shì)、相互補(bǔ)充，為中小河流流量測(cè)驗(yàn)提供了全套的技術(shù)解決方案，對(duì)推動(dòng)測(cè)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(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2008,39(20)：47-49.

(編輯：朱曉紅)

2017-03-31

李小波，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，工程師.

1006-0081(2017)06-0020-02

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