非接触式微波流速仪的技术要点

2017-11-08张保伟刘俊卿张宏愿

河南水利与南水北调 2017年10期

关键词：测流垂线测验

□张保伟刘俊卿张宏愿

（黄河水利委员会河南水文水资源局）

非接触式微波流速仪的技术要点

□张保伟刘俊卿张宏愿

（黄河水利委员会河南水文水资源局）

非接触式微波测流仪是利用多普勒效应原理，以非接触方式测量水面流速的一种新型测流仪器，其测验精度低于流速仪法，高于浮标法。微波流速仪的安装应考虑承载方式的不同，以及适当的安装俯角和安装高度。安装完成后要进行仪器的稳定性测试，并开展流速系数的比测、率定，最终确定本站合适的流速系数。实践证明，非接触式流速仪仪器的应用，可以促进水文测报能力的提升，更好地服务于洪水等水文测报工作。

非接触；微波流速仪；使用技术

1 引言

黄河流域的洪水具有预见期短、涨落快、含沙量大、漂浮物多的特点。在洪水期，传统的转子流速仪常因水中漂浮物的缠绕、碰撞而无法使用、甚至损坏。因此，浮标法测流是大部分水文测站洪水期必备的测流手段。浮标法测流需要的设施设备和测验人员多，测验误差大，测验精度低且难以控制，也易受大雾、大风天气的影响。

非接触式微波测流仪是利用多普勒效应原理，以非接触方式测量水面流速的一种新型测流仪器。微波测流仪通过微波天线向水面发射37GHz频率的一束微波，部分电磁波折射入水中，一小部分电磁波被水面反射回来，微波天线接收并经圆极化混频器产生与水流速度对应的多普勒频率信息，结合倾角传感器测量仪器俯角信息，可计算出水流的表面速度。

非接触式微波流速仪施测的是水面流速，类似于转子流速仪的水面一点法和浮标法测速，其测验精度低于转子流速仪法，高于浮标法。

2 微波流速仪的安装

2.1 仪器俯角的安装

俯角指的是波束中心线与铅垂线的夹角。仪器的安装要保证测量时仪器探头的俯角在15～35°之间，尤其在23～24°之间时误差最小。探头俯角不符合规定时应根据提示调整。

2.2 仪器的承载方法及注意事项

微波流速仪可以安装在水文测船、水文缆道、水文缆车、桥梁等设施上。当测站有多种承载微波流速仪的设施时，应根据测站的实际情况，优先选用安全、经济、能保证流速、流量测量精度的设施。

在水文测船、水文缆道、水文缆车上测验时，要尽量在设备稳定后再开始测验，以减小测验误差。船测法仪器安装位置要避开测船对水流的干扰，仪器距船的距离要符合表1的要求。利用微波流速仪在桥梁上进行测验时，要注意桥梁自身的防洪安全标准、过往车辆引起的桥梁震动对仪器测验精度的影响，以及过往车辆对测验人员的安全影响。

表1 仪器离船边的最小距离表

2.3 仪器安装高度

在保证测验过程安全的前提下，微波流速仪传感器距水面的垂直距离宜满足表2的要求，否则，选择其它的测验方式。

船测法尽量降低仪器安装高度，减小测船晃动引起的测验误差。

表2 仪器传感器距水面垂直距离表

3 微波流速仪的稳定性测试

微波流速仪属于电子产品，其电子元器件的工作曲线可能会随着时间的推移发生变化，造成测量数据误差变大。例如，发送的微波频率（37GHz）如果有偏差、不稳定，则收到回波解算出的流速误差就会增大。仪器投入使用前，以及每年的汛前都要对仪器进行稳定性测试。风是影响微波流速仪测量成果稳定的主要因素，测试应尽量安排在无风时间进行，以减少风力影响。经过测试，稳定性差、误差大的仪器要返厂维修。

4 微波流速仪流速系数的比测、率定

使用微波流速仪测流的水文站，应开展微波流速仪与流速仪或浮标之间测速、测流的对比测验与分析工作，以确定本站的微波流速系数。对于率定系数困难的测站，可借用本地区断面形状和水流条件相似测站的微波流速系数。测站管理机关可集中仪器、人员到代表性强、测验条件好的测站进行系数的率定，流速系数率定且经上级主管部门批准后可推广使用。

4.1 气象因素对系数率定的影响

微波流速仪比测试验应主要安排在高、中水，比测资料应包括不同水位级和不同风向、风力等情况；降雨会对仪器测验造成影响，测验时应收集雨强资料，分析降水对微波流速仪的影响；雾霾严重时，在保证安全的前提下，尽量降低主机探头至水面的距离，以减轻信号的衰减。

4.2 流速系数比测试验的方法

微波流速仪全断面垂线法与流速仪法比测试验：流速仪法与微波流速仪法测验宜同步进行，也可在洪水涨落过程中流速仪法和微波流速仪法测验交替进行。转子流速仪、微波流速仪两种仪器的测验垂线要重合；转子流速仪采用垂线多点法测验时，微波流速仪测验时间宜处于流速仪测验时段内；流速仪采用垂线一点法测验时，应选择率定有垂线流速换算系数的测点。

微波流速仪中泓垂线法与流速仪法比测试验：在高水期利用微波流速仪中泓垂线法与流速仪代表垂线法作对比试验时，代表垂线宜选择与断面平均流速的相关关系最好的1～3条测速垂线，代表垂线上用流速仪和微波流速仪同时测速，计算中泓微波流速系数。

微波流速仪中泓垂线法与流速仪全断面法作对比试验，以流速仪法流量除以微波流速仪中泓垂线法虚流量，计算中泓微波流速系数。微波流速仪全断面垂线法和流速仪全断面法的比测试验时，也可分析中泓垂线位置，计算中泓微波流速系数。

4.3 比测资料的检查、分析

施测的流量资料，以及相应的水位、含沙量等资料应按常规水文测验工作进行必要的质量检查；施测的流量、使用的水位～流量关系线均应是经过审查后的成果，确保数据的可靠性。

4.4 微波流速系数的确定

4.4.1 转子流速仪与微波流速仪同步测验时的系数确定

微波流速系数等于断面流量除以虚流量或断面平均流速除以虚流速；中泓微波流速系数等于断面平均流速除以中泓的平均虚流速。

4.4.2 水位～流量关系曲线法确定微波流速系数

当测站受测验条件或水情影响不能同步测验时，采用此方法确定该站的微波流速系数，方法如下：①分别确定流速仪（浮标）法和微波流速仪法的水位～流量关系曲线，具有多条关系线的，要明确测次对应的推流线号及推流时段；②按有关规范要求对水位～流量关系曲线进行符号检验、适线检验、偏离数值检验，并进行系统误差、标准差及不确定度的计算；③用水位在相应的水位～流量关系线上推求流速仪（浮标）法流量及微波流速仪法测次的虚流量；④微波流速仪测次少不能确定水位～流量关系曲线的，使用实测的虚流量；⑤微波流速系数等于流速仪（浮标）法流量除以微波流速仪虚流量；⑥以虚流速为纵坐标，微波流速系数为横坐标，以风力为参数，点绘微波虚流速～微波流速系数关系图，分析各级流速下相应的微波流速系数。