電波流速儀實驗比測與使用方法研究

高 偉，竇英偉，姜松燕

（山東省水文儀器研制中心，山東 濰坊 261031）

電波流速儀作為一種常用于野外巡測和發生洪水、潰壩、決口、泥石流等特殊水情時的應急測流設備，對水情復雜、水流急、含沙量大、水中有大量漂浮物，一般流速儀無法下水的情況下，具有特殊的優越性，在水文測驗工作中得到越來越多的應用。

1 國內外技術現狀

隨著進口電波流速儀在國內的推廣應用，國產電波流速儀技術不斷成熟。研究發現，兩者的區別主要在于產品的軟硬件和集成度。軟件方面，數據處理的計算方法不同；硬件方面，雷達探頭的測量范圍和準確度等級不同；集成度方面，進口電波流速儀經過多年的推廣和實際應用，已經將雷達探頭、數據處理軟件以及顯示設備等部分集成為一體，俗稱“雷達槍”，小巧輕便。而國產電波流速儀的研究由于起步較晚，技術方面目前尚專注于數據準確度的提高，集成技術與國外差距比較大，通常為在線測流形式。

2 實驗過程

本次實驗在華東水文儀器檢測中心檢定水槽室溫條件下進行，選擇兩款不同品牌的進口電波流速儀和一款國產電波流速儀（以下分別簡稱為進口1、進口2和國產3）進行檢測。在橫斷面均勻一致的直線靜水槽中，檢定車以設定的若干穩定速度載著電波流速儀在軌道上行駛，檢定車速度連續可調，按照由低速到高速的順序運行。為避免電波流速儀之間互相影響，每臺儀器獨立進行實驗。不考慮室外環境因素對測量數據的影響，從2015年7月6日開始，至2015年7月17日結束。

2.1 檢測點取點原則

各速度級檢測點按照低速密、高速稀的原則取點，具體選定了18級速度，從0.20 m/s到3.50 m/s。

2.2 檢測數據的選取、記錄與處理

為減小測量過程中的隨機誤差，每一臺電波流速儀在同一速度下收集10個速度值，取其算術平均值作為被檢儀器示值，同時記錄檢定車的平均速度，對這兩組數據進行比較，計算每臺被檢儀器的全線相對誤差，以此數值的大小表征其準確度的高低，計算公式如下：

式中：m為全線相對誤差，%；vt為被檢儀器速度值的算術平均值，m/s；vs為檢定車的平均速度，m/s；N為所有參與計算的測點數目。

3 實驗情況分析

3.1 測流方式對測量準確度的影響

實驗一：電波流速儀可選擇手持測流或固定安裝在三角架上進行測流。由于國產3為在線測流系統，不方便進行手持測流，故選擇進口1和進口2進行實驗。實驗條件：調整各儀器并保持其垂直角為45°，水平角為0°，探頭與水面垂直距離為200 cm。實驗過程：首先各儀器分別進行手持測流，每臺儀器獨立進行5次重復實驗，取全線相對誤差的平均值作為最終全線相對誤差。手持測流實驗完成后，分別將各儀器固定安裝在三角架上，按照相同的程序進行固定式測流實驗。實驗結果見表1。

表1 實驗一數據統計

3.2 垂直角對測量準確度的影響

實驗二：垂直角即雷達探頭與水平面形成的銳角，對進口1、進口2和國產3分別在垂直角為35°、45°和 55°的情況下進行實驗。實驗條件：將各儀器固定安裝，保持其水平角為0°，探頭與水面垂直距離為200 cm。實驗過程：首先保持各儀器垂直角為35°，每臺儀器獨立進行5次重復實驗，取全線相對誤差的平均值作為最終全線相對誤差結果。以相同方式分別求得各儀器在垂直角為45°和55°情況下的全線相對誤差。實驗結果見表2。

3.3 水平角對測量準確度的影響

實驗三：水平角即雷達探頭與檢定車運行方向（野外測流時為水流方向）形成的銳角，對進口1、進口2和國產3分別在水平角為0°、15°和30°的情況下進行實驗。實驗條件：將各儀器固定安裝，保持其垂直角為45°，探頭與水面垂直距離為200 cm。實驗過程：首先保持各儀器水平角為0°，每臺儀器獨立進行5次重復實驗，取全線相對誤差的平均值作為最終全線相對誤差。在進行水平角為15°和30°實驗時，首先要分別調節各儀器上對應的水平角度補償，然后以相同方式分別求得各儀器在水平角為15°和30°情況下的全線相對誤差。實驗結果見表3。

3.4 雷達探頭與水面垂距對測量準確度的影響

實驗四：通過調節三角架或安裝支架的高度來探討雷達探頭與水面垂直距離對測量準確度的影響。對進口1、進口2和國產3分別在雷達探頭與水面垂直距離為170 cm、200 cm、250 cm的情況下進行實驗。實驗條件：將各儀器固定安裝，保持其垂直角為45°，水平角為0°。實驗過程：首先保持各儀器雷達探頭與水面垂直距離為170 cm，每臺儀器獨立進行5次重復實驗，取全線相對誤差的平均值作為最終全線相對誤差。以相同方式分別求得各儀器在雷達探頭與水面垂直距離為200 cm和250 cm情況下的全線相對誤差。實驗結果見表4。

表2 實驗二數據統計

表3 實驗三數據統計

表4 實驗四數據統計

4 結論

通過以上4個實驗可以得出以下結論：

1）從實驗一可以看出，在相同實驗條件下，固定式測流效果優于手持式測流效果。

2）從實驗二可以看出，在相同實驗條件下，45°垂直角測流的全線相對誤差相對于35°垂直角、55°垂直角小。

3）從實驗三可以看出，在相同實驗條件下，0°水平角測流的全線相對誤差最小。當有一定的水平角時，若不考慮水平角度補償，余弦效應會導致電波流速儀顯示的速度低于實際水面速度，隨著水平角度增加，顯示的速度將減小。雖然電波流速儀內置水平角度補償，補償算法的介入可能會影響測流準確度。

4）從實驗四可以看出，雷達探頭與水面垂直距離在170~250 cm之間變化時，對測流準確度的影響很小。通常野外測流時，雷達探頭與水面垂直距離往往從數米到十幾米甚至幾十米不等，基于實驗室空間有限，無法滿足如此大幅度的高度變化，本實驗有一定的局限性。

基于以上結論，建議水文工作者在使用電波流速儀時，測流方向應盡量平行于水流方向，保持雷達探頭相對固定，垂直角保持在45°左右，并且盡量減少外部環境等因素的影響。

5 結語

隨著國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要中提出要加強水利和防災減災體系建設，國家加大了對水利水文行業的資金投入，一些老舊的水文儀器和設施得以更新，電波流速儀作為應急測流設備也得到了大幅度地推廣應用，越來越多的電波流速儀承擔了水量計量的重要工作，如何判別此類儀器的質量及其計量性能的優劣，是全面提升水量計量準確度的重要途徑，也為合理開發、保護、利用水資源提供技術支撐。為此建議：1）國內電波流速儀生產單位要重視在技術上與國外的差距，抓住發展機遇，加大科研開發力度，打造中國品牌；2）水行政主管部門應盡快研究聲、光、電磁學等流速類儀器檢測方法，建立專門實驗室，制定相關國家標準和計量檢定規程，并以此為依據對該類儀器進行技術監督和計量管理，盡快結束長期存在的監管缺失的局面；3）水文工作者應根據測流條件選擇電波流速儀，并與不同類型的測流儀器進行一定的數據比對，而且應要求供應商提供證明其產品性能的相關技術性材料；4）在使用電波流速儀測流時，要盡量減少使用方法、外部環境等因素對測量準確度產生的影響。