非接觸式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)在遼寧中小河流自動(dòng)測(cè)驗(yàn)中的改進(jìn)應(yīng)用

張志斌

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

近些年來(lái)，隨著中小河流站點(diǎn)的不斷建設(shè)，區(qū)域中小河流站點(diǎn)覆蓋面逐步增加，但由于中小河流未建設(shè)具體水文測(cè)驗(yàn)站房，很難實(shí)現(xiàn)駐站水文監(jiān)測(cè)[1]。當(dāng)前，中小河流是防汛工作的重點(diǎn)，其測(cè)流信息的時(shí)效性對(duì)于整個(gè)區(qū)域防汛決策十分重要[2]。為保證汛期中小河流水文測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性，采用了巡測(cè)方式進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，但這種巡測(cè)方式最為主要的問(wèn)題在于當(dāng)發(fā)生全流域洪水時(shí)，很難保障測(cè)流信息的及時(shí)性。針對(duì)中小河流測(cè)流的難點(diǎn)許多水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)人員展開(kāi)了大量的研究工作，取得一定的成效[3- 8]，但在流量自動(dòng)測(cè)驗(yàn)中還存在短板。非接觸式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)近些年來(lái)在一些流域中小河流水文站得到應(yīng)用[9- 15]，經(jīng)過(guò)一些對(duì)比觀測(cè)，總體測(cè)驗(yàn)精度可滿足水文測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求，可重點(diǎn)解決中小河流應(yīng)急測(cè)驗(yàn)的數(shù)據(jù)時(shí)效性問(wèn)題。遼寧省中小河流站點(diǎn)為98處，為推進(jìn)水文現(xiàn)代化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，在一些站點(diǎn)引入了非接觸式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)，并進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)，通過(guò)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)了非接觸式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了改進(jìn)措施，使得非接觸式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)可以得到有效推廣。

1 非接觸式雷達(dá)測(cè)流原理及改進(jìn)措施

1.1 測(cè)流原理

非接觸高頻雷達(dá)通過(guò)表征雷達(dá)波接受的距離來(lái)表征測(cè)定的流速，對(duì)雷達(dá)波反射距離和雷達(dá)接收參數(shù)進(jìn)行定量分析，對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。雷達(dá)發(fā)射和天線增益功率分別為Pt和Gt，目標(biāo)距離天線R距離的功率密度ρ1的計(jì)算方程為：

(1)

電磁照射將使得目標(biāo)返回散射波，假定目標(biāo)散射面積為σ，并假定接收的輻射功率能夠使得散射目標(biāo)損耗最低，則反射的功率目標(biāo)值Ps計(jì)算方程為：

Ps=σρ1

(2)

每個(gè)目標(biāo)散射單位面積為σ0，雷達(dá)波及反射角度的分辨率分別為ΔR和Δθ，河流按照距離和單位劃分的面積需要滿足的條件為：

σ=σ0S=σ0ΔR·Rθ=σ0R·ΔR·Δθ

(3)

假設(shè)Ps均勾輻射，則在接收天線處收到的回波功率密度P2為：

(4)

為保證雷達(dá)發(fā)射波距離目標(biāo)較近，回波接收雷達(dá)功率Pr需要符合檢測(cè)信號(hào)功率Smin的最低值，即為雷達(dá)波反射距離的最大值Rmax：

30lgRmax=Pt+Gt+Gr+20lgλ+10lgσ0+
10lgΔR+10lgθ0-32.98-L-Smin

(5)

實(shí)際探測(cè)中，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)目標(biāo)的有效反射面積、系統(tǒng)損耗等參數(shù)，因此雷達(dá)方程常用來(lái)作為一個(gè)估算雷達(dá)性能的公式。

非接觸式雷達(dá)測(cè)流反射波信號(hào)最強(qiáng)出現(xiàn)在發(fā)射波長(zhǎng)達(dá)到一半頻率時(shí)，在具體水文測(cè)驗(yàn)中更具河流多普勒頻移的正負(fù)和大小，對(duì)流速矢量進(jìn)行計(jì)算。

1.2 技術(shù)改造措施

(1)根據(jù)遼寧省河流特點(diǎn)，分別在東部選擇2處站址設(shè)27和25m塔架，安裝高頻河流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收天線，通過(guò)加高天線、數(shù)學(xué)模型調(diào)整，使雷達(dá)波掃描半徑達(dá)基本覆蓋全部河寬，達(dá)到理想效果。

(2)設(shè)置測(cè)量分區(qū)，分割局部面積，采用加權(quán)法計(jì)算斷面平均流速，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

(3)采用滑動(dòng)濾波消除粗差數(shù)據(jù)，利用滑動(dòng)平均增強(qiáng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，并采用改造饋線和設(shè)置保溫機(jī)箱等措施保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1.3 技術(shù)改造過(guò)程

在現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量時(shí)，首先要安裝設(shè)備架設(shè)天線，在安裝地點(diǎn)安裝好了一根結(jié)實(shí)穩(wěn)固的基樁柱桿，將天線桿固定在基樁柱桿上用的金屬夾具內(nèi)，并按步驟裝配好 1 號(hào)天線、2 號(hào)天線和 3 號(hào)天線，將3個(gè)天線單元上的接頭標(biāo)注與機(jī)箱上接口標(biāo)注匹配，把每一天線單元的電纜連接到它機(jī)箱上的相應(yīng)接口，再將天線單元的電纜從空心的桿頂部穿過(guò)去，從下面的電纜孔穿出。

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將天線單元安裝到天線桿頂部，升高天線桿和天線，以與河流主流方向90°角度將中心天線單元指向河流，用堅(jiān)固的金屬夾具將天線桿固定到基樁柱桿上，再將機(jī)箱擺放到天線桿的位置上，用2個(gè) U 型螺栓固定住，將2個(gè)安裝支架分別固定到機(jī)箱的凸緣上，每根螺桿上用2只鎖緊墊圈、平墊圈和螺帽。安裝支架走向沿機(jī)箱寬度方向，也就是與地面平行方向。用兩2個(gè) U 型螺栓將機(jī)箱安裝到天線桿上，按照一定的高度將機(jī)箱定位在桿上，外置風(fēng)扇面朝下，至少留有 15 cm空間。

電源電纜是一根雙線電纜，通向電源的一端有一個(gè)接頭，通向機(jī)箱的一端有2個(gè)接頭，把電源線通向機(jī)箱的電源線接頭連接到機(jī)箱電源接口上。因現(xiàn)場(chǎng)是荒郊，交流電源經(jīng)幾百米外的農(nóng)戶室內(nèi)引出(以后可考慮配置高效直流電池，不用交流電源)。

通訊連接采用無(wú)線連接，將界面計(jì)算機(jī)放置于機(jī)箱附近，接通電源后，無(wú)線連接將自動(dòng)完成，不需要任何接線。技術(shù)改造現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 技術(shù)改造現(xiàn)場(chǎng)圖

2 流量測(cè)驗(yàn)的精度評(píng)定方法及誤差標(biāo)準(zhǔn)

按照河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179—2015相關(guān)要求，按照以下方程對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)差的流量分量進(jìn)行估算：

(6)

(7)

表1 置信水平為90%的學(xué)生氏(t)值

測(cè)驗(yàn)儀器不確定度則根據(jù)生產(chǎn)廠家給定的儀器精度指標(biāo)確定，當(dāng)流量可以劃分成若干函數(shù)時(shí)，假定各個(gè)流量分量相互獨(dú)立，總的隨機(jī)不確定度的計(jì)算方程為：

(8)

式中，XQ′—總不確定度，%；K—流量分量的數(shù)目；Yi—第i個(gè)流量分量不確定度隨機(jī)值，%。

3 實(shí)例對(duì)比觀測(cè)分析

3.1 站點(diǎn)概況

本文以遼寧地區(qū)2個(gè)中小河流站點(diǎn)為該技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，第一個(gè)中小河流站點(diǎn)集水面積1023 km2，

斷面以上河長(zhǎng)為94.1 km，主河道比降為3.6‰流域形狀系數(shù)為0.116。區(qū)域洪水匯流時(shí)間略長(zhǎng)，峰高量大，急漲急落，退水稍長(zhǎng)，過(guò)程略顯瘦削，一次洪水歷時(shí)一般1～3d。該站歷年最大實(shí)測(cè)洪峰流量3330 m3/s。第二個(gè)中小河流站點(diǎn)集水面積417.0 km2，斷面以上河長(zhǎng)為52.9 km，主河道比降為6.6‰。流域形狀系數(shù)為0.145。區(qū)域內(nèi)共雨量站平均控制面積為139.0 km2。

3.2 流速系數(shù)分析

對(duì)2個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)非接觸高頻雷達(dá)技術(shù)改造前后的流速系數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)合水文測(cè)驗(yàn)精度評(píng)定方法對(duì)各站點(diǎn)的測(cè)驗(yàn)測(cè)次的不確定度進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表2—5，如圖2所示。

從第一個(gè)測(cè)站的流速系數(shù)分析結(jié)果可看出，各測(cè)次下的流速平均系數(shù)為0.67，總的不確定為24.9，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后，第一個(gè)測(cè)站流速系數(shù)的測(cè)定精度得到明顯提升，技術(shù)改造后各測(cè)次下的流速平均系數(shù)為0.94，總的不確定度平均值為12.6，相比于技術(shù)改造前，各測(cè)次流速系數(shù)下的總的不確定度減少12.3。流速平均系數(shù)增加0.27，從各測(cè)次下非接觸式高頻雷達(dá)和流速儀的對(duì)比結(jié)果可看出，在相同測(cè)次下，對(duì)非接觸式高頻雷達(dá)的技術(shù)改造效果較為明顯，和傳統(tǒng)流速儀相比于，技術(shù)改造后測(cè)定的流速和流速儀觀測(cè)值吻合度較高。第二個(gè)水文測(cè)站水面寬度要大于第一個(gè)水文測(cè)站，從第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)的站點(diǎn)流速系數(shù)分析的結(jié)果也可看出，技術(shù)改造后各測(cè)次下的流速系數(shù)總的不確定度減少，流速測(cè)定的精度得到提升，這主要因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)定測(cè)量的不同分區(qū)，對(duì)局部流速面積進(jìn)行分割，對(duì)斷面流速進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，實(shí)現(xiàn)斷面平均流速的精準(zhǔn)計(jì)算，從而提升了流速的測(cè)定精度。

表2 第一個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造前流速系數(shù)分析結(jié)果

表3 第一個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造后流速系數(shù)分析結(jié)果

表4 第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造前流速系數(shù)分析結(jié)果

表5 第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造后流速系數(shù)分析結(jié)果

圖2 2個(gè)對(duì)比觀測(cè)站非接觸高頻雷達(dá)技術(shù)改進(jìn)前后與流速儀觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.3 測(cè)驗(yàn)流量對(duì)比結(jié)果

在流速系數(shù)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)流速來(lái)計(jì)算測(cè)驗(yàn)流量，對(duì)各對(duì)比觀測(cè)站的流量測(cè)定值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表6—9。

表6 第一個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造前流量對(duì)比結(jié)果

表7 第一個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造后流量對(duì)比結(jié)果

表8 第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造前流量對(duì)比結(jié)果

表9 第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)站技術(shù)改造后流量對(duì)比結(jié)果

非接觸式高頻雷達(dá)的測(cè)流原理和流速儀測(cè)流原理一致，均通過(guò)測(cè)定斷面平均流速來(lái)推算整個(gè)測(cè)流斷面的流量，從第一個(gè)測(cè)站技術(shù)改造前后的流量測(cè)定誤差可看出，在對(duì)非接觸式高頻雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)改造前，和流速儀相比，不同水位下的流量測(cè)定相對(duì)誤差在16.2%～-23.5%之間，這主要是因?yàn)榉墙佑|式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的測(cè)流精度易受外界因素干擾，從而影響測(cè)流精度，尤其是在低水位流速較小的時(shí)期，這種干擾尤為明顯，為此在具體應(yīng)用時(shí)，對(duì)非接觸式高頻雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，采用滑動(dòng)濾波消除粗差數(shù)據(jù)，利用滑動(dòng)平均模型增強(qiáng)測(cè)流數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，從而提高了非接觸式高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，從對(duì)比結(jié)果可看出，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)后，非接觸高頻雷達(dá)的流量測(cè)定誤差相比于改造前明顯減少，流量測(cè)定誤差總體在5.5%～14.4%之間，相比于技術(shù)改造前，流量測(cè)定誤差提升10%，從第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)站也可看出，在相同水位級(jí)下，對(duì)非接觸式高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)后，非接觸式高頻雷達(dá)受到外界干擾的程度有所減少，提升了流速的測(cè)定精度，而流速測(cè)定精度的提升，也使得流量測(cè)定誤差明顯減少。第二個(gè)測(cè)站的水面寬度要高于第一個(gè)水文測(cè)站，未進(jìn)行技術(shù)改造前，由于高頻雷達(dá)側(cè)掃范圍不能覆蓋全河道，使得流速系數(shù)測(cè)定有所偏差，從而影響流量測(cè)驗(yàn)的精度，為此研究通過(guò)優(yōu)化接收高度和模型參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)河寬全覆蓋測(cè)定，使得非接觸高頻雷達(dá)的測(cè)定方位更符合實(shí)際斷面情況，從表8—9流量誤差對(duì)比結(jié)果可看出，采用此項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)后，流量測(cè)定的精度相比于改造前，提升10%。

4 主要結(jié)論

(1)非接觸式高頻雷達(dá)目標(biāo)水平角度高于10°時(shí)容易產(chǎn)生余弦誤差，易出現(xiàn)測(cè)定的虛假讀數(shù)，因此在按照儀器時(shí)為降低或消除這類誤差，可在儀器參數(shù)設(shè)水平補(bǔ)償角度，該角度即為目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)角度。

(2)非接觸式高頻雷達(dá)探頭垂向角度和流速呈負(fù)相關(guān)，雖然儀器參數(shù)設(shè)置了垂向補(bǔ)償角，以降低對(duì)流速測(cè)定精度的影響，但在具體安裝中，應(yīng)盡量保持儀器垂向角度在45°左右。

(3)本文對(duì)中小河流表面低流速的儀器測(cè)驗(yàn)精度還未探討，在后續(xù)研究中還需加強(qiáng)對(duì)低流速尤其是平原區(qū)河流非接觸式高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的適用性分析。