研究侧扫雷达测流系统功能与应用——以允景洪水文站为例

赵正军

(云南省水文水资源局西双版纳分局，云南 景洪 666100)

1 侧扫雷达测流系统功能

侧扫雷达对网络点流速的监测，是借助非接触式雷达技术进行连续性监测，以实现对河流表面流场的监测，通过互联网技术提供数据服务。侧扫雷达在工作时每5 min完成1次自动测量(时间依据需求设置)，河流流量数据的合成依据流速比的数据交互来完成。

侧扫雷达系统主要由天线系统和雷达系统两部分组成，采用天线共址、收发分开的模式，并兼容调频连续与脉冲多普勒体制[1]。

侧扫雷达工作时，先发射电磁波信号，由于水的流动会产生波浪，所以当信号投射到水面时则与波浪相互作用，如果电磁波波长达到波浪长度的一倍，则形成最强的后向散射电磁波信号，而河水的回波信号以Bragg散射为主。水的波浪有前进波与后退波两种，后退波处理时可以独立进行，因为能量能够分离[2]。当水面流速不为零时需要再叠加一个频率偏移量，频偏大小与水面流速大小及方向有关，频偏正、负数均可。

2 侧扫雷达测流系统设计和组成

2.1 雷达测流仪设计

设计时首先要确定发射信号波长，由于测流仪的体积由波长确定，波长越短体积越小，所以尽可能选择短波长。河流表面所产生的波浪其波长能满足布拉格散射条件，要想使散射信号强则确定选择较长波长，电磁波波长选取0.72 m。其次，工作方式。采用天线共址，收发分开，信号采用直接射频采样，运用多重信号超分辨处理算法，提高测向分辨率，采用DDS技术间接频率合成，运用多普勒软件处理，以太网通信技术进行传输。再次，设计信号波束。须充分考虑河流中过往船只，在上、下游和前方分别设置3个独立且指向这三个方向的波束。处理原始数据时，内河剔除船只信号采用三取二的滤波法，设计2个对称波束，基于内河过往船只通常产生1个波束。雷达比测试验选用Ridar-200型测流仪，探测距离大于200 m。

2.2 其他设备设计

采用水文专用RTU设备，但该设备必须支持4G通信移动网络，同步兼容2G、3G、4G联通与移动网络，对电信网络只兼容4G。测流系统设计Wi-Fi网络。供电设备有200W光伏组件一块，80A·h锂电池，供电控制箱。

2.3 安装位置设计

在充分考虑电磁环境、干扰防护的前提下，安装时应与干扰源如电站、工业等设施保持安全距离，允许接收机灵敏度损失在1 dB范围内。单台雷达测流仪安装的位置应距离河水5 m以上，依据探测的距离确定安装架高度。假设B为河道宽度，H为天线安装高度，夹角α要在1.5°以上。α是波束与探测最远点间的夹角，H与B的比可求出α的正切。对于800型测流仪，需考虑与安装架的最近距离，β角(近端视角)在45°以下，安装架要高于26 m。雷达测流仪安装位置固定后，对水平补偿距离进行设置，即设置测流仪与断面起点之间的距离，使雷达测流仪测量断面上水平位置、测量垂线位置相一致[3]。雷达测流仪应安装在平直的河道上，平直长度在200 m以上(上下游)，要远离水坝、水库。天线与河面间必须是开阔的区域，以安装点为基准到河对岸区域保持左右60°视角，在此范围内不能有建筑物、植物、桥梁等。

3 侧扫雷达测流系统数据处理

3.1 侧扫雷达表面流速比测

因允景洪水文站自2012年后已将走航式ADCP作为常规测流方式，故仅采用M9型走航式ADCP与侧扫雷达进行表面流速同步比测。由于走航式M9具有输出全剖面流速功能，则可以将M9 测流成果的第一层流速数据(换能器入水深度0.1 m)近似当作该断面不同位置的表面流速。受上游电站控制影响，比测期间允景洪水文站水位变幅较小，通过在比测断面分别进行低水位、中低水位流量测验，每次施测2个测回，分别提取4个测次的表层流速，分析侧扫雷达表面流速数据的准确性[4]。

比测期间水文情势：允景洪水文站水位级划分为低水位(<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)。为了验证侧扫雷达表面流速的准确性，允景洪水文站按水位分布分别于8月14日、10月22日进行了2次侧扫雷达表面流速比测。其中，8月14日比测期间水位变化为535.00～535.03 m，属于低水水位级；10月22日比测期间水位维持为536.09 m，属中低水水位级。

3.2 侧扫雷达表面流速与断面平均流速关系率定

比测期间采用走航式ADCP 施测不少于30 份流量(因受上游景洪电站控制影响，允景洪水文站水位处于中低水期，无法控制高中低水，水位变幅仅为535.02～536.09 m)，利用实测流量计算侧扫雷达测流断面的平均流速，与侧扫雷达获取的河流表面流速计算的指标流速建立相关关系，通过符号检验、偏离检验和适线检验对相关关系进行验证[5]。

采用水文缆道牵引M9型走航式ADCP在测流断面进行1次流量测验，施测2个测回，分别提取4个半测回的表层流速平均，与侧扫雷达流速(同步施测时段内平均)叠加到横断面流速分布图进行对比。各测次比测分析情况如下：

(1)比测次数。自8月8日安装完成后，开始比测工作，至10月31日，一共完成43次比测。

(2)低水比测成果。2019年8月14日比测期间水位变化535.00～535.03 m，属于低水水位级，水面宽238 m，侧扫雷达水面测速单元26个(单元间距10 m)，有效流速单元24个(起点距71.1～301.1 m，有效流速单元指的是置信度高于80%的流速单元，置信度分布参见图1)。比测分析图见图2。

从图2可以看出，低水水位级侧扫雷达表面流速相较ADCP表层流速分布右岸偏小，其余部分均以偏大为主，且从右向左偏大程度递增，比测结果见表1。

图1 侧扫雷达各单元流速及置信度分布图

图2 低水水位级侧扫雷达表面流速与走航式ADCP表层流速比测分析图

表1 低水水位级侧扫雷达与M9型走航式ADCP表层流速平均值对比

从表1可以看出，低水水位级ADCP表层流速与侧扫雷达表面流速相比，相对系统误差较大。

(3)中低水比测成果

2019年10月22日比测期间水位为536.09 m，属于中低水水位级，水面宽250m，侧扫雷达水面测速单元26个，有效流速单元24个(起点距71.1～301.1 m)。

从图3可以看出，中低水位级侧扫雷达表面流速相较ADCP表层流速分布右岸波动幅度较大，中部一致，自中部向左岸侧扫雷达表面流速较ADCP表层流速偏大程度递增，比测结果见表2。

表2 中低水水位级侧扫雷达与M9型走航式ADCP表层流速平均值对比

图3 中低水水位级侧扫雷达表面流速与走航式ADCP表层流速比测分析图

4 结 语

综合上述分析，借助雷达获取水文站水域间的河流表面流速，有效开展比测分析工作，对各水位级流量能够实现在线监测，通过雷达测量的数据具有较高的准确性，系统误差、随机不确定度、流量测验均达到规范要求，侧扫雷达推算的流量基本上与整编值保持一致，达到推流定线的要求。研究结果表示，侧扫雷达测流系统可以用于大面积水域的流速测量，对河流、湖泊均可应用。