研究側掃雷達測流系統功能與應用
——以允景洪水文站為例

趙正軍

(云南省水文水資源局西雙版納分局，云南 景洪 666100)

1 側掃雷達測流系統功能

側掃雷達對網絡點流速的監測，是借助非接觸式雷達技術進行連續性監測，以實現對河流表面流場的監測，通過互聯網技術提供數據服務。側掃雷達在工作時每5 min完成1次自動測量(時間依據需求設置)，河流流量數據的合成依據流速比的數據交互來完成。

側掃雷達系統主要由天線系統和雷達系統兩部分組成，采用天線共址、收發分開的模式，并兼容調頻連續與脈沖多普勒體制[1]。

側掃雷達工作時，先發射電磁波信號，由于水的流動會產生波浪，所以當信號投射到水面時則與波浪相互作用，如果電磁波波長達到波浪長度的一倍，則形成最強的后向散射電磁波信號，而河水的回波信號以Bragg散射為主。水的波浪有前進波與后退波兩種，后退波處理時可以獨立進行，因為能量能夠分離[2]。當水面流速不為零時需要再疊加一個頻率偏移量，頻偏大小與水面流速大小及方向有關，頻偏正、負數均可。

2 側掃雷達測流系統設計和組成

2.1 雷達測流儀設計

設計時首先要確定發射信號波長，由于測流儀的體積由波長確定，波長越短體積越小，所以盡可能選擇短波長。河流表面所產生的波浪其波長能滿足布拉格散射條件，要想使散射信號強則確定選擇較長波長，電磁波波長選取0.72 m。其次，工作方式。采用天線共址，收發分開，信號采用直接射頻采樣，運用多重信號超分辨處理算法，提高測向分辨率，采用DDS技術間接頻率合成，運用多普勒軟件處理，以太網通信技術進行傳輸。再次，設計信號波束。須充分考慮河流中過往船只，在上、下游和前方分別設置3個獨立且指向這三個方向的波束。處理原始數據時，內河剔除船只信號采用三取二的濾波法，設計2個對稱波束，基于內河過往船只通常產生1個波束。雷達比測試驗選用Ridar-200型測流儀，探測距離大于200 m。

2.2 其他設備設計

采用水文專用RTU設備，但該設備必須支持4G通信移動網絡，同步兼容2G、3G、4G聯通與移動網絡，對電信網絡只兼容4G。測流系統設計Wi-Fi網絡。供電設備有200W光伏組件一塊，80A·h鋰電池，供電控制箱。

2.3 安裝位置設計

在充分考慮電磁環境、干擾防護的前提下，安裝時應與干擾源如電站、工業等設施保持安全距離，允許接收機靈敏度損失在1 dB范圍內。單臺雷達測流儀安裝的位置應距離河水5 m以上，依據探測的距離確定安裝架高度。假設B為河道寬度，H為天線安裝高度，夾角α要在1.5°以上。α是波束與探測最遠點間的夾角，H與B的比可求出α的正切。對于800型測流儀，需考慮與安裝架的最近距離，β角(近端視角)在45°以下，安裝架要高于26 m。雷達測流儀安裝位置固定后，對水平補償距離進行設置，即設置測流儀與斷面起點之間的距離，使雷達測流儀測量斷面上水平位置、測量垂線位置相一致[3]。雷達測流儀應安裝在平直的河道上，平直長度在200 m以上(上下游)，要遠離水壩、水庫。天線與河面間必須是開闊的區域，以安裝點為基準到河對岸區域保持左右60°視角，在此范圍內不能有建筑物、植物、橋梁等。

3 側掃雷達測流系統數據處理

3.1 側掃雷達表面流速比測

因允景洪水文站自2012年后已將走航式ADCP作為常規測流方式，故僅采用M9型走航式ADCP與側掃雷達進行表面流速同步比測。由于走航式M9具有輸出全剖面流速功能，則可以將M9 測流成果的第一層流速數據(換能器入水深度0.1 m)近似當作該斷面不同位置的表面流速。受上游電站控制影響，比測期間允景洪水文站水位變幅較小，通過在比測斷面分別進行低水位、中低水位流量測驗，每次施測2個測回，分別提取4個測次的表層流速，分析側掃雷達表面流速數據的準確性[4]。

比測期間水文情勢：允景洪水文站水位級劃分為低水位(<535.04 m)、中低水位(535.04～536.60 m)、中水位(536.60～539.63 m)、高水位(≥539.63 m)。為了驗證側掃雷達表面流速的準確性，允景洪水文站按水位分布分別于8月14日、10月22日進行了2次側掃雷達表面流速比測。其中，8月14日比測期間水位變化為535.00～535.03 m，屬于低水水位級；10月22日比測期間水位維持為536.09 m，屬中低水水位級。

3.2 側掃雷達表面流速與斷面平均流速關系率定

比測期間采用走航式ADCP 施測不少于30 份流量(因受上游景洪電站控制影響，允景洪水文站水位處于中低水期，無法控制高中低水，水位變幅僅為535.02～536.09 m)，利用實測流量計算側掃雷達測流斷面的平均流速，與側掃雷達獲取的河流表面流速計算的指標流速建立相關關系，通過符號檢驗、偏離檢驗和適線檢驗對相關關系進行驗證[5]。

采用水文纜道牽引M9型走航式ADCP在測流斷面進行1次流量測驗，施測2個測回，分別提取4個半測回的表層流速平均，與側掃雷達流速(同步施測時段內平均)疊加到橫斷面流速分布圖進行對比。各測次比測分析情況如下：

(1)比測次數。自8月8日安裝完成后，開始比測工作，至10月31日，一共完成43次比測。

(2)低水比測成果。2019年8月14日比測期間水位變化535.00～535.03 m，屬于低水水位級，水面寬238 m，側掃雷達水面測速單元26個(單元間距10 m)，有效流速單元24個(起點距71.1～301.1 m，有效流速單元指的是置信度高于80%的流速單元，置信度分布參見圖1)。比測分析圖見圖2。

從圖2可以看出，低水水位級側掃雷達表面流速相較ADCP表層流速分布右岸偏小，其余部分均以偏大為主，且從右向左偏大程度遞增，比測結果見表1。

圖1 側掃雷達各單元流速及置信度分布圖

圖2 低水水位級側掃雷達表面流速與走航式ADCP表層流速比測分析圖

表1 低水水位級側掃雷達與M9型走航式ADCP表層流速平均值對比

從表1可以看出，低水水位級ADCP表層流速與側掃雷達表面流速相比，相對系統誤差較大。

(3)中低水比測成果

2019年10月22日比測期間水位為536.09 m，屬于中低水水位級，水面寬250m，側掃雷達水面測速單元26個，有效流速單元24個(起點距71.1～301.1 m)。

從圖3可以看出，中低水位級側掃雷達表面流速相較ADCP表層流速分布右岸波動幅度較大，中部一致，自中部向左岸側掃雷達表面流速較ADCP表層流速偏大程度遞增，比測結果見表2。

表2 中低水水位級側掃雷達與M9型走航式ADCP表層流速平均值對比

圖3 中低水水位級側掃雷達表面流速與走航式ADCP表層流速比測分析圖

4 結 語

綜合上述分析，借助雷達獲取水文站水域間的河流表面流速，有效開展比測分析工作，對各水位級流量能夠實現在線監測，通過雷達測量的數據具有較高的準確性，系統誤差、隨機不確定度、流量測驗均達到規范要求，側掃雷達推算的流量基本上與整編值保持一致，達到推流定線的要求。研究結果表示，側掃雷達測流系統可以用于大面積水域的流速測量，對河流、湖泊均可應用。