特高频雷达测速与一种新型漂流浮标的比对

张 弘 李博文 李 喆 王肃文

（1、丹东水文局，辽宁 丹东118000 2、海南热带海洋学院，海南 三亚572000）

1 概述

我国有着丰富的江河资源，在这些资源的管理中，江、河的流量测量是一个重要参数。流量本身的测量比较复杂，而通常更可行的方法是测量水表面的流速，再根据河床的几何截面及水文理论模型而得出江、河某处的流量信息。传统的流速测量使用铅鱼[1]，测量方法非常直接。近代比较常用的也包括ADCP[2]，利用声学多普勒原理，通过观测水中漂浮物的运动测量流速。这些方法都是通过与水直接接触进行测量。随着电子学及计算机的发展，非接触式的测量方法也进入市场，其使用的技术领域包括激光[3]，微波[4]和特高频电波[5]。

利用电波测量水面流速始于1955 年Crombie 的发现[6]。在水面反射回波的频谱分析中有着明显的边峰，而边峰的位置与相应于水波的相速度引起的多普勒频移相同。在深水近似情况，水波的相速度为

其中g 为重力加速度，L 为水波波长。当电波波长λ=2L时，所有反射波相位相等而形成干涉叠加。根据狭义相对论，该反射波的多普勒频移为

其中f 为电波频率，c 为光速。

利用多普勒频移的方法进行水流的测量始于二十世纪七十年代[7]，开始是局限于高频地波在海面上的测量，本世纪初开始扩展到高频地波在淡水中的测量[8]及特高频电波在江、河中的测量[9]。

特高频雷达利用FMCW 波形作为信号源，接收到的信号解调后经过二次FFT 分别得到距离和多普勒信息。接收天线含一对指向性的八目天线，根据天线的方向响应将多普勒信息分解为各个方向的流速信号。同一组天线只能测量由天线为极点的径向流速。通过两组或两组以上的天线测量可将径向流速进行矢量合成而生成流场信息。在江、河中，水流大多平行于河岸线，在这种情形下通过单组天线的径向矢量分解也可以得到实际流速。

特高频雷达测量流速是通过非接触的方法。对非接触形的测量方法，一般需要利用接触形的方法进行比对实验而确定其可靠性。传统的比对方法有铅鱼和ADCP。铅鱼是传统测水流的方法，用跨江缆绳让铅鱼测量各个点的流速。由于跨江缆绳的架设工程量很大，用此种方法比对一般只限于原有的有铅鱼的水文站使用。ADCP 价格较高，使用也不是特别方便，尤其是ADCP 测量的是水下的流速，与雷达测量的水表面流速不完全是同一个量。最近发明的低成本漂流浮标[10]体积小，可进行实时遥控，在漂流过程中可连续记录通过GPS 得到的经纬度从而给出沿途的速度信息，在低流速情形下记录了水表面的流速，可以给特高频雷达提供间单有效的比对实验方法。本文介绍比对实验的方法及数据结果。

2 测量方法

2.1 特高频雷达测量

特高频雷达（型号RiverSonde 100）架设在东北某江边，江面宽度约800 米。普通特高频雷达架设在地面高度的测量距离在200 米左右。为了增加测量距离，雷达天线架设在27 米高处，机柜置于地面的机房里，天线与机柜间用50 米长的LMR600 电缆相连接。雷达的中心频率为435MHz，线性扫频频宽ΔfBW=10MHz。距离分辩率由以下公式给出：

在以上的频宽下距离分辨率为15 米。雷达的脉冲宽度选择 为Δtp=8.3μs， 相 应 的 最 大 测 量 距 离 为 dmax=（1/2）Δtpc=1245m，而有效最大测量距离为740m。多普勒频谱的扫描周期为128 秒，相应的流速分辨率为0.5cm/sec。为了提高信躁比，对频谱进行平均，每5 分钟输出一组数据。

2.2 漂流浮标测量

漂流浮标用船只投放，投放点离雷达天线沿江距离为大约1000 米，漂至天线另一面距离1000 米处捞起。共5 只浮标用来做比对实验，浮标离江岸的距离从几十米到几百米不等。浮标的GPS 位置每秒自动纪录，浮标的南北，东西流速分量利用100秒内的数据点通过最小二乘方求得：

其中θLon，θLat分别为经、纬度以弧度为单位，Re为地球半径。由于距离较小，以上为很好的近似。

3 测量数据及数据比对

由于潮汐效应，测量江面的流向在一部分时间为逆流。在比对实验中，一共进行了三组测量，一组在逆流时段，两组在顺流时段。漂流时间在21～34 分钟之间。

图1 漂流浮标数据

图1 显示了漂流浮标的实测数据，其中粗线表示江岸线，右上角显示江流有一岔道。江中的实线代表逆流期间的数据，虚线和点虚线为顺流时段的数据。黑实线代表的浮标在漂流过程中被重新放置一次以避免其漂入支流。由图可见顺流的轨迹与江岸基本平行而逆流的轨迹受支流影响较大。

图2 径向流速数据

图2 显示其中的一组径向流速的数据。图中各矢量的原点为雷达天线的位置。矢量方向为径向流速的方向，长度代表流速的大小。显然在垂直江岸线的方向，径向流速接近于零。该数据文件每5 分钟生成一个，由经过平均后的频谱进行指向性分析后生成。

在特高频雷达的正常应用中，一般需要的测量量为江面垂直于江岸方向的流速分布。在安装过程中需考虑安装点处几百米距离内江岸线是平行的，这样可以保证流向与江岸平行。在数据分析中画出长边与江岸平行的矩形，将矩形内的径向矢量进行平行及垂直于江岸方向的反投影的最小二乘方分析，从而得到该点的流速。

由于单台特高频雷达测量的原始数据为径向流速，测量流场需要两台或两台以上的雷达。在本实验中只有单台雷达，因此只有径向流速的生成。在该文中作数据比较时只用了顺流漂流测量的数据，这样在用特高频雷达数据时，对每一个测量的径向流矢量元，只需要进行对沿江岸方向的反投影便可与浮标数据进行直接比较。

图3 漂流浮标（红色）于特高频雷达（蓝色）流速对比（a）及两者的差值（b）

实验数据的对比从浮标的位置信息开始，每30 秒的数据由式（4）和式（5）计算出速度。根据浮标在此位置的时间而确定用哪一个径向流速的文件，在径向流速的文件中找出离此位置10米内的所有径向流速矢量，将这些流速矢量反投影到平行江岸线的方向，再取平均值。按照此方式算出的所有浮标流速值及特高频雷达流速值由图3 显示。由图可知流速值的标准误差在0.13m/s，说明在小尺度下流速并不稳定。另外浮标所测流速值与特高频雷达所测值在标准错差之类吻合良好。图3 横轴的中点接近于雷达天线的位置，在天线的下游吻合度稍差，可能是因为支流的效应。图3 的插图显示天线上游段流速值差的数据，由这些数据得出流速差为0.08±0.01m/s。

4 结论

利用新反明的低成本漂流浮标，我们进行了特高频雷达的一种新比对实验。由于成本的低廉，该方法简单易行。比对结果发现两种结果的差值为0.08±0.01m/s。作为后续工作，可利用两台特高频雷达测量两维流场，也可以在近海进行测量。