特高頻雷達(dá)測速與一種新型漂流浮標(biāo)的比對

張 弘 李博文 李 喆 王肅文

（1、丹東水文局，遼寧 丹東118000 2、海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞572000）

1 概述

我國有著豐富的江河資源，在這些資源的管理中，江、河的流量測量是一個重要參數(shù)。流量本身的測量比較復(fù)雜，而通常更可行的方法是測量水表面的流速，再根據(jù)河床的幾何截面及水文理論模型而得出江、河某處的流量信息。傳統(tǒng)的流速測量使用鉛魚[1]，測量方法非常直接。近代比較常用的也包括ADCP[2]，利用聲學(xué)多普勒原理，通過觀測水中漂浮物的運(yùn)動測量流速。這些方法都是通過與水直接接觸進(jìn)行測量。隨著電子學(xué)及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，非接觸式的測量方法也進(jìn)入市場，其使用的技術(shù)領(lǐng)域包括激光[3]，微波[4]和特高頻電波[5]。

利用電波測量水面流速始于1955 年Crombie 的發(fā)現(xiàn)[6]。在水面反射回波的頻譜分析中有著明顯的邊峰，而邊峰的位置與相應(yīng)于水波的相速度引起的多普勒頻移相同。在深水近似情況，水波的相速度為

其中g(shù) 為重力加速度，L 為水波波長。當(dāng)電波波長λ=2L時，所有反射波相位相等而形成干涉疊加。根據(jù)狹義相對論，該反射波的多普勒頻移為

其中f 為電波頻率，c 為光速。

利用多普勒頻移的方法進(jìn)行水流的測量始于二十世紀(jì)七十年代[7]，開始是局限于高頻地波在海面上的測量，本世紀(jì)初開始擴(kuò)展到高頻地波在淡水中的測量[8]及特高頻電波在江、河中的測量[9]。

特高頻雷達(dá)利用FMCW 波形作為信號源，接收到的信號解調(diào)后經(jīng)過二次FFT 分別得到距離和多普勒信息。接收天線含一對指向性的八目天線，根據(jù)天線的方向響應(yīng)將多普勒信息分解為各個方向的流速信號。同一組天線只能測量由天線為極點(diǎn)的徑向流速。通過兩組或兩組以上的天線測量可將徑向流速進(jìn)行矢量合成而生成流場信息。在江、河中，水流大多平行于河岸線，在這種情形下通過單組天線的徑向矢量分解也可以得到實(shí)際流速。

特高頻雷達(dá)測量流速是通過非接觸的方法。對非接觸形的測量方法，一般需要利用接觸形的方法進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)而確定其可靠性。傳統(tǒng)的比對方法有鉛魚和ADCP。鉛魚是傳統(tǒng)測水流的方法，用跨江纜繩讓鉛魚測量各個點(diǎn)的流速。由于跨江纜繩的架設(shè)工程量很大，用此種方法比對一般只限于原有的有鉛魚的水文站使用。ADCP 價格較高，使用也不是特別方便，尤其是ADCP 測量的是水下的流速，與雷達(dá)測量的水表面流速不完全是同一個量。最近發(fā)明的低成本漂流浮標(biāo)[10]體積小，可進(jìn)行實(shí)時遙控，在漂流過程中可連續(xù)記錄通過GPS 得到的經(jīng)緯度從而給出沿途的速度信息，在低流速情形下記錄了水表面的流速，可以給特高頻雷達(dá)提供間單有效的比對實(shí)驗(yàn)方法。本文介紹比對實(shí)驗(yàn)的方法及數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 測量方法

2.1 特高頻雷達(dá)測量

特高頻雷達(dá)（型號RiverSonde 100）架設(shè)在東北某江邊，江面寬度約800 米。普通特高頻雷達(dá)架設(shè)在地面高度的測量距離在200 米左右。為了增加測量距離，雷達(dá)天線架設(shè)在27 米高處，機(jī)柜置于地面的機(jī)房里，天線與機(jī)柜間用50 米長的LMR600 電纜相連接。雷達(dá)的中心頻率為435MHz，線性掃頻頻寬ΔfBW=10MHz。距離分辯率由以下公式給出：

在以上的頻寬下距離分辨率為15 米。雷達(dá)的脈沖寬度選擇 為Δtp=8.3μs， 相 應(yīng) 的 最 大 測 量 距 離 為 dmax=（1/2）Δtpc=1245m，而有效最大測量距離為740m。多普勒頻譜的掃描周期為128 秒，相應(yīng)的流速分辨率為0.5cm/sec。為了提高信躁比，對頻譜進(jìn)行平均，每5 分鐘輸出一組數(shù)據(jù)。

2.2 漂流浮標(biāo)測量

漂流浮標(biāo)用船只投放，投放點(diǎn)離雷達(dá)天線沿江距離為大約1000 米，漂至天線另一面距離1000 米處撈起。共5 只浮標(biāo)用來做比對實(shí)驗(yàn)，浮標(biāo)離江岸的距離從幾十米到幾百米不等。浮標(biāo)的GPS 位置每秒自動紀(jì)錄，浮標(biāo)的南北，東西流速分量利用100秒內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過最小二乘方求得：

其中θLon，θLat分別為經(jīng)、緯度以弧度為單位，Re為地球半徑。由于距離較小，以上為很好的近似。

3 測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)比對

由于潮汐效應(yīng)，測量江面的流向在一部分時間為逆流。在比對實(shí)驗(yàn)中，一共進(jìn)行了三組測量，一組在逆流時段，兩組在順流時段。漂流時間在21～34 分鐘之間。

圖1 漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)

圖1 顯示了漂流浮標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)，其中粗線表示江岸線，右上角顯示江流有一岔道。江中的實(shí)線代表逆流期間的數(shù)據(jù)，虛線和點(diǎn)虛線為順流時段的數(shù)據(jù)。黑實(shí)線代表的浮標(biāo)在漂流過程中被重新放置一次以避免其漂入支流。由圖可見順流的軌跡與江岸基本平行而逆流的軌跡受支流影響較大。

圖2 徑向流速數(shù)據(jù)

圖2 顯示其中的一組徑向流速的數(shù)據(jù)。圖中各矢量的原點(diǎn)為雷達(dá)天線的位置。矢量方向?yàn)閺较蛄魉俚姆较颍L度代表流速的大小。顯然在垂直江岸線的方向，徑向流速接近于零。該數(shù)據(jù)文件每5 分鐘生成一個，由經(jīng)過平均后的頻譜進(jìn)行指向性分析后生成。

在特高頻雷達(dá)的正常應(yīng)用中，一般需要的測量量為江面垂直于江岸方向的流速分布。在安裝過程中需考慮安裝點(diǎn)處幾百米距離內(nèi)江岸線是平行的，這樣可以保證流向與江岸平行。在數(shù)據(jù)分析中畫出長邊與江岸平行的矩形，將矩形內(nèi)的徑向矢量進(jìn)行平行及垂直于江岸方向的反投影的最小二乘方分析，從而得到該點(diǎn)的流速。

由于單臺特高頻雷達(dá)測量的原始數(shù)據(jù)為徑向流速，測量流場需要兩臺或兩臺以上的雷達(dá)。在本實(shí)驗(yàn)中只有單臺雷達(dá)，因此只有徑向流速的生成。在該文中作數(shù)據(jù)比較時只用了順流漂流測量的數(shù)據(jù)，這樣在用特高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)時，對每一個測量的徑向流矢量元，只需要進(jìn)行對沿江岸方向的反投影便可與浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較。

圖3 漂流浮標(biāo)（紅色）于特高頻雷達(dá)（藍(lán)色）流速對比（a）及兩者的差值（b）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比從浮標(biāo)的位置信息開始，每30 秒的數(shù)據(jù)由式（4）和式（5）計(jì)算出速度。根據(jù)浮標(biāo)在此位置的時間而確定用哪一個徑向流速的文件，在徑向流速的文件中找出離此位置10米內(nèi)的所有徑向流速矢量，將這些流速矢量反投影到平行江岸線的方向，再取平均值。按照此方式算出的所有浮標(biāo)流速值及特高頻雷達(dá)流速值由圖3 顯示。由圖可知流速值的標(biāo)準(zhǔn)誤差在0.13m/s，說明在小尺度下流速并不穩(wěn)定。另外浮標(biāo)所測流速值與特高頻雷達(dá)所測值在標(biāo)準(zhǔn)錯差之類吻合良好。圖3 橫軸的中點(diǎn)接近于雷達(dá)天線的位置，在天線的下游吻合度稍差，可能是因?yàn)橹Я鞯男?yīng)。圖3 的插圖顯示天線上游段流速值差的數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)得出流速差為0.08±0.01m/s。

4 結(jié)論

利用新反明的低成本漂流浮標(biāo)，我們進(jìn)行了特高頻雷達(dá)的一種新比對實(shí)驗(yàn)。由于成本的低廉，該方法簡單易行。比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果的差值為0.08±0.01m/s。作為后續(xù)工作，可利用兩臺特高頻雷達(dá)測量兩維流場，也可以在近海進(jìn)行測量。