雷达波测速探头在水文缆道测验中的开发应用

2017-07-24李小波余德华刘少义

水利水电快报 2017年6期

关键词：比测测流测验

李小波余德华刘少义

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北荆州 434002)

雷达波测速探头在水文缆道测验中的开发应用

李小波余德华刘少义

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北荆州 434002)

根据雷达的测速原理，利用雷达探头，集成相关的模块，开发出了缆道式无线雷达测速仪，并分别在长江中游以及独龙江水系相关水文站进行了比测试验。比测结果表明，仪器运行稳定、可靠，比测结果满足水文规范要求，在一定条件下能够替代浮标完成流量测验，可作为水文巡测以及流速较大山区性河流流速测量仪器，同时也为流量在线监测积累了经验。

水文测验；流量测量；雷达测速；比测试验

1 研究背景

长期以来，水文缆道上的流速测量一般采用转子式流速仪，在遇到水流急、含沙量大、漂浮物多、大洪水等复杂水情时施测困难，甚至还会威胁到测验设施的安全[1]。雷达测速采用非接触方式，直接施测水面流速，然后通过水面系数换算成垂线平均流速，结合水道断面成果可达到计算断面流量的目的，该方法具备操作简单实用、安全可靠、测验历时短以及计算方便快捷等优点。

2011年，长江委水文局荆江局引进了美国斯德克的雷达测试仪，进行了一些相关试验。该仪器具有工作稳定可靠、测速范围大等优点，但仅有探头，还需要集成开发相关的部件。荆江局研制了集成雷达波测速系统硬件，测速试验时把仪器固定在缆道铅鱼上，在断面上施测不同垂线位置的水面流速。近2 a，成功开发了集软硬件一体化的缆道式无线雷达测流系统，并在弥陀寺水文站、独龙江水文站进行了比测试验，达到了预期效果。本文简要介绍雷达测速原理、流速数据处理的开发应用以及试验比测情况。

2 雷达测速在水文测验中的应用

2.1 雷达测速原理

雷达测速基于电磁波的多普勒效应原理，当波源、观察者、媒质之间发生相对运动时，电磁波在运动介质表面发生反射引起回波频率的改变。应用雷达测速时，波源和观察者不动，媒质(水体)发生相对运动时，才能引起反射波的频率改变，改变量的大小与水体流动的相对速度有关，发射波频率与反射波频率的差值就是多普勒频移，水面流速v表示为：

(1)

式中，fd为多普勒频率，fd=|f0-f1|，f1=cλ，为接收到的回波频率，c为雷达在空中的的传播速度，λ为发射波波长；f0为发射频率；θ为发射波与水流方向的夹角。

雷达波打在水面上呈椭圆形状，椭圆形状区域的大小与雷达发射探头到水面的距离和水平角度有关，因此雷达测得的水面流速就是这块水面区域的表面平均流速，与某一测速垂线的水面流速相对应。

2.2 缆道雷达测速系统硬件组成

缆道雷达测速系统硬件由雷达探头、控制器、电源控制和Zigbee模块组成，系统框图如图1所示。

图1 缆道雷达测速系统结构

雷达探头采用的是斯德克的S3-SVR探头，技术指标如下：

流速范围0.5～18 m/s

流速精度±0.03 m/s

平均时长0～99.9 m/s

俯角范围30°～70°可设置

波束宽度12°(锥度角)

雷达频率Ka波段(34.7 GHz)

工作温度：-30℃～+70℃

控制器采用ARM单片机芯片开发，具有功耗低、功能强等特点。控制器的主要功能是接收计算机的指令，根据指令内容控制雷达探头上电工作，或者掉电休眠，接收雷达探头发来的测量数据并通过Zigbee模块送回给计算机进行处理。

雷达探头与计算机的通信采用Zigbee无线通信模块，Zigbee可实现点对点的透明传输，功耗低、通讯距离长，经过测试，可满足缆道断面距离的数据通信。

2.3 测流程序的开发

计算机上的测流程序界面如图2所示。

图2 雷达测流程序主界面

测流程序操作简单，输入起点距、当前水位和时长，就可启动测速。测完一条垂线紧接着就可以测下一条垂线，测完所有垂线后就可以按《结束测流》按钮退出测流界面。

根据测流的数据和水道断面资料就可以计算出断面的流量，生成的表格界面如图3所示。

图3 流量测验表格界面

3 比测试验分析

3.1 比测试验

为了验证雷达测速仪的测速精度，比测时将铅鱼刚好浸入水面以下，以保障铅鱼在水流作用下相对稳定且不左右摆动， LS25-3A型号流速仪布置在水面以下0.2 m处，雷达测速仪布置在水面以上约0.5 m处，两种仪器同时施测比较。每线比测水面1点，每次比测按该站常规测速垂线施测，比测时按常规流量测验要求目测风力风向。

2013年7月10～24日在长江中游平原站缆道断面实施比测共8次，比测流速点数共60点，比测时目测最大风力为4～5级，风向不定。雷达测速探头的俯仰角约为55°，比测时常规流速仪测速范围为0.39～0.99 m/s，雷达测速仪的比测范围为0.35～1.13 m/s。比测结果界面如图4所示。

图4 平原站流速比测结果界面

2014～2015年间在山区站比测流量共计37次，水位在1 520.62～1 519.13 m之间，变幅为1.49 m；实测最大流量为721 m3/s，最小流量为260 m3/s；流速仪测得的最大流速为5.68 m/s；雷达测到的最大水面流速为5.45 m/s，水面流速系数为0.823，计算其最大相对误差为13.16%，最小相对误差为-10.28%，系统误差为0.22%，标准差为4.6%，随机不确定度为9.20%。资料满足测验要求。

从以上比测结果可以看出，一般绝对误差都在0.14 m/s以内，测量结果稳定。铅鱼不稳定及风速会给所测流速带来一定的偏差。

3.2 存在的问题

(1) 当测量的水面平静时，回波信号较弱，一次测速时可能只接收到几个回波信号，这会导致测量结果误差很大或无法测流，因此该仪器不适用于水面比较平静的断面。

(2) 风向风力对测量结果影响较大，当流速小于0.5 m/s时，影响较大，测量结果不能用，但当流速大于0.5 m/s时，影响就很小了，所以仪器最好在流速范围为0.5～18 m/s时使用。

(3) 仪器测量时的俯仰角会有变化，应增加俯仰角的测量装置，随时记录俯仰角的大小，从而有效地对流速值进行修正。