雷达技术在水文测验上的应用

李 忱 ，王志毅 ，张 越

（1. 中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏 南京 210039；（2. 水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

经过 100 多 a 的发展，雷达技术在理论、体制、实现方法及技术应用等方面都已取得很大的进展[1]。雷达应用于气象探测已经超过 50 a，但在水文测验中的应用只有 10 余 a 的历史[2]。水文测验已经有数千年的历史[3]，主要是快速准确地观测与河流流量有关的降雨、水位、流速（流量）、断面等参量，近年来，利用雷达实现水文测验成为研究热点。各种频率下运行的天基、空基、地基雷达可用于观测降雨，测量地表水的范围、深度、流速、流量，还可探测土壤湿度、冰厚和地下水位。相比传统的观测仪器设备，雷达更容易实现高可靠、全天候、长时间、快速、连续工作及无人值守，投入资金相对较少，测验结果不容易受人为因素影响。随着雷达在水文测验应用的不断深入，新的观察结果及海量数据将影响新的水文理论、公式和基本理解。

2015 年，HONG 等[4]提出雷达水文应用的概念，重点研究雷达定量测量降雨。ZHANG[5]193在双偏振天气雷达定量测量降雨方面做了大量研究，指出双偏振天气雷达能提高降雨量测量的准确性。牛睿平等[6]1设计了一种采用脉冲体制的雷达水位计。齐国清[7]58设计了利用调频连续波（FMCW）雷达测量相位变化的高精度液位测量雷达。文必洋等[8]提出采用超高频雷达测量河流表面流速并计算得到流量。这些雷达技术从水文测验的特点出发，丰富了雷达水文应用的概念和内涵，已经成为近年来民用雷达的研究热点，因此回顾雷达技术在水文测验应用方面取得的科学成就，有利于后续研究的发展。

1 雷达水文应用基本概念

1.1 雷达水文应用的内涵

雷达技术在水文测验中发展十分迅速，短短10 余 a 已经形成以雷达作为探测工具研究水文的一门学科，主要研究利用雷达技术观测水循环中各种变量和变化过程，形成对水文学领域产生重大影响的测验和预报能力。

1970 年初，Barrick 等[9]提出水表面的一阶和二阶散射截面方程，为雷达探测海洋表面状态建立了坚实的理论基础，后来该理论推广到河流表面状态的研究中，成为雷达技术应用于水文测验的基础理论的一部分。在水文循环中，降雨、蒸发、地表径流等均可以利用雷达进行测量，不同的微波频段在水文测验中有着不同的应用，依据的原理不尽相同。各种微波频段可能测量的水文参量如表 1 所示。

1.2 水文雷达的品种

根据设备搭载的观测平台不同，雷达分为以下3 种：

表1 不同微波频段在水文测验中的应用

1）星载雷达。卫星搭载的雷达主要是合成孔径雷达（SAR），通过成像处理获取河流水面宽度、水面流速、土壤墒情等[10]。典型产品有：欧洲遥感卫星（ERS），C 波段工作，分辨率为 25 m；加拿大的 RadarSat，C 波段工作，分辨率为 8～100 m；美国的 AirSAR，采用干涉合成孔径雷达工作方式（InSAR），C 波段工作，分辨率为 13 m。

2）机载雷达。机载雷达水文监测同样利用SAR 技术完成，近年来无人机广泛应用，在水文测验中的应用也在增多。最著名的是美国的无人驾驶飞行器合成孔径雷达（UAVSAR），UAVSAR 采用InSAR 技术，是一种用于研究地震、火山、植被、水文和其他特征的机载雷达。也有将地基雷达直接安装在飞机上进行机载水文测验[11]，这种做法实际上并没有改造雷达。

3）地基雷达。地基雷达与星载和机载雷达相比，具有造价低、测量精度高和全天候工作的优点，技术发展迅速，品种也在不断增加。地基水文雷达可依据所用的频段、探测信号形式、信息获取方式等划分品种，也可根据雷达探测的目标进行分类。目前地基水文雷达主要有以下 4 类：

a. 雨量雷达。利用雷达进行降雨观测，估计影响地面径流的降雨量。气象部门一般采用作用距离比较远的 S 或 C 波段雷达，估计降雨量是其中的一个功能；水文部门则更倾向于采用专用雷达实现定量降雨观测，多采用 X 波段雷达。

b. 水位雷达。利用雷达进行水位测量，早期多采用 X 波段，目前采用 24 GHz 的较多，35 和 77 GHz也有应用。一般来说，频率越高，精度越高。

c. 流速雷达。通过测量河流表面的多普勒速度获取表面流速，有获取河流表面某一点流速的雷达，也有获取一个断面表面流速的雷达，并能获取河流表面流场。

d. 探地雷达（GPR）。探地雷达可用来测量河流断面及冰厚，也可测量地下水位，估计土壤含水量等。估计土壤含水量的方法很多，传统方法有烘干法、时域反射法（TDR）、频域分解法（FDR）等[12]，获得的是小尺度数据；卫星遥感则属于大尺度方法，分辨率较低。探地雷达作为一种中尺度估计土壤含水量的方法，越来越受到水文学家的重视。应用探地雷达估计土壤含水量的方法主要有反射波法、地面波法、地表反射系数法、钻孔雷达等[13]。随着探地雷达技术的不断发展，速度测量精度提高，模型反演得到的介电常数和含水量估计的准确度也在提高，前景广阔。

目前雨量、水位、流速 3 种水文雷达已经有进入实际应用的产品。地基雷达随着技术的不断发展，表 1 中各频率雷达都将应用在水文测验中，新的雷达品种也将不断出现。

1.3 雷达应用于水文的优势与不足

在水文测验方面，雷达技术与其他技术相比，优势体现在以下 3 个方面：

1）提供大数据分析方法。无论是雨量雷达还是流速、探地雷达，在测量的时间和空间密度上都较传统的水文测验方式有巨大进步。

a. 在降雨量观测方面。传统方法采用地面雨量站网完成空间采样。如果用雷达采样，按照 150 m距离和 1° 方位等分辨率考虑，1 台扫描半径为 150 km雷达的作用，约相当于 25 万个雨量计同时采集数据（当然雨量资料的准确性有差别），雷达监测降雨信息更加丰富，能观测到雨带的分布和移动，易于做出短临预报等。

b. 在河流流速测量方面。传统方法采用缆道、测船测流，每次测量的耗时以小时计，由于需要人工操作，测次少，测流成本高；采用水位-流量关系曲线查询流量，数据实时性差，对关系稳定的依赖性强。采用流速雷达则可在几分钟内完成一个断面的表面流速数据的采集，而且完全无人值守，不受天气影响。

这些方法的变革，一方面能获得海量的实时数据，另一方面还能得到目标变化动态过程中的高时间空间分辨率数据，使得大数据分析方法和多维数据提取成为可能，为使用大数据分析提供基础。

2）提高可靠性与安全性。雷达测量是非接触式测量，人员和设备均不必涉水测量。人员不涉水，有利于人员的安全，特别是在高洪期和应急状态时，能保障操作人员的人身安全，在界河的流量测量时，雷达测量更显示出其他测量手段无法比拟的优势；设备不涉水，测量过程不会影响船舶航行，能适应低水位或者季节性河道测量，不受含沙量、漂浮物影响，测量设备不易损坏，并且测量过程不改变被测目标的形态，这样获取的数据可信度更高。雷达测量是同时照射到监测区域内所有目标，同时获取各距离上的目标参数，因此各点的数据在时间上同步，能够反映出某一时刻在整个监测区域内的目标态势状态。

3）优化业务流程。应用雷达完成水文测验，可极大地减轻水文站测验的工作量，将水文站的主要工作由繁重的测验劳动转为对数据的分析处理，将优化水文站的业务流程。

雷达在水文测验方面的不足之处主要表现在：雷达发射的电磁波在水中衰减较大，对于河流测验只能获取表面流速，还需要建立复杂的水文模型，才能得到流量。另外，河流测验时雷达探测需要录取一定时间长度的数据并进行积累才能进行处理，而且雷达波束有宽度，因此雷达获得的是一段时间内一定面积中的目标特征统计值，这与目前的流量测验规范有很大的不同。

2 雨量测量

水文测验一直对雨情监测和降雨预报有强烈的需求，可以为防洪、城市积水等提供预警时间，从而降低灾害影响。中国气象局在全国建设了由 216 部新一代天气雷达组成的观测网，可以获取大面积降雨分布。天气雷达定量降雨估计（QPE）的发展历史比较长，但用于水文测验则是近年来的热点[14]。水文部门对降雨量的测量精度和落点准确度要求很高，目前气象部门要求雷达得到的回波强度误差为1 dB，这在降雨量上误差就会达到 15% 左右。

2.1 雨量雷达技术

雷达降雨估计是对降雨量的间接测量，受云及其特性影响较明显，需要利用雨滴谱仪、雨量计或其他设备进行输入校准。随着距离的增加，雷达波束高度、大气衰减、气象目标的波束充塞程度都在变化，QPE 的不确定性也随之增加，因此对雷达进行准确标定和结果订正是雨量雷达能够满足水文使用要求的重要方面。雨量雷达技术大致分为模型法和统计法 2 类，模型法主要依赖于降雨的物理模型，统计法是利用雨量计观测值的反馈导出结果。

2.1.1 模型法

雨滴的尺寸分布和形状是推导基于物理模型的降雨量算法的基本要素。基于雨滴分布模型已开发了多种用雷达测量值估计降雨的算法，最简单的一种算法是Z-R关系，即直接根据反射率因子 Z 的值估计降雨强度R，公式如下：

式中：α和β是常数系数。美国 WSR-88D 雷达所使用的Z-R关系有[5]194：Z= 300R1.4（对流降雨）；Z=200R1.6（夏季层状雨）；Z= 250R1.2（热带雨）；Z=130R2.0（美国东部冬季层状降雨）；Z= 75R2.0（美国西部冬季层状降雨）。

据不完全统计，现在已有 200 个以上Z-R关系，太多的关系就意味着没有关系，这种方法很难准确定量估计降雨[5]194。由于单偏振气象雷达效果有限，现在更多采用双偏振雷达。在降雨估计中，最常用的偏振测量值是Z、差分反射率因子Zdr及比差分相位Kdp。

双偏振雷达降雨估计算法可大致归纳为 3 类，即R（Z，Zdr），R（Kdp）和R（Kdp，Zdr）。基于反射率的算法需要获得精确的雷达常数信息，这会由于绝对标定时的误差而产生偏差。Zdr是相对值，可以不受系统绝对标定误差的影响，但是，利用它进行降雨估计则需要结合Z或Kdp使用。

气象水文学家们对双偏振雷达 QPE 的物理法进行了研究[15]。利用双偏振技术可以非常容易地区分降雨类型，应用时选择降雨估计算法的种类很重要。双偏振雷达得到更多信息，更能反映降雨的微物理特征，同时双偏振雷达测量数据质量更好。ZHANG[5]197给出同一雷达采用单偏振与双偏振参数时 QPE 估计结果的对比，可以看到双偏振雷达的结果准确性更好，相关性从 0.70～0.80 提高到 0.97～0.98，方差也降低到 2.01 和 1.67 mm/h。采用双偏振技术设计雨量雷达已经成为共识。

2.1.2 统计法

统计法是利用雷达数据及雨量计的反馈值得到降雨率或累积降雨量的最优估计值，主要有以下2 种技术[16]：

1）概率匹配法（PMM）。PMM 是推导雷达测量值与地面降雨率平均关系的一种统计方法。通过对R和Z的累积分布函数进行匹配，得到一个Z-R关系。只要使用相同的雷达和雨量计估算R-H(Z)关系，就可以得到一致的结果。显然，概率匹配法也可以应用在双偏振雷达的测量上。

2）神经网络降雨率算法。基于神经网络算法的工程方法发展至今就是基于人工智能（AI）的工程方法。地面上的降雨通常与空中降雨的 4 维结构（即 3 维空间和时间）有关，理论上存在一个降雨率与雷达空中 4 维观测结果之间的函数关系，通过大样本数据集的机器学习，可以得到用神经网络描述的雷达观测值与地面降雨率观测值之间函数的近似关系。

统计法所关心的主要是对地面降雨的精确估计，它以雨量计某种形式的反馈值为基础，通过简单的调整算法系数实现，或通过推导一个非参数Z-R关系实现，或训练一个复杂的自适应神经网络实现。采用反馈机制后，降雨估计是无偏的。但是，当关注的是单场暴风雨组成的降雨，或需要进行短时降雨估计（如强降雨可能导致山洪暴发）时，使用模型法的效果可能是最好的。现在更多的算法是将模型法与统计法相结合，以期获得好的效果。

2.2 雨量雷达波段

传统的 S 和 C 波段天气雷达探测距离远，成本高，在探测远距离的近地面降雨时效果难以满足使用要求，于是采用 X 波段雷达。世界上有几个小组开展了 X 波段气象雷达 QPE 应用，其中最著名的是美国的 CASA（协同自适应传感网络）计划，用低成本、低功耗、短程的 X 波段雷达探测 30 km 半径内的降雨，多台 X 波段协同观测，研究复杂地形下的热带降雨及由此引发的洪水和山体滑坡[17]。日本于 2003 年开始在东京周围建设由 8 部 X 波段雷达组成的监测网；比利时将布设在鲁汶的 X 波段雷达监测信息与地面雨量计观测资料结合，修正雷达估测降雨，并输入排水模型，拓展了 X 波段雷达的应用领域。我国研制了由 4 部 X 波段双偏振雷达组成的网络化雷达，实现了对重点关注区域更高时空分辨率的观测[18]；水文部门则在大理等地区使用 X 波段雨量雷达构建了高分辨区域面雨量自动监测系统（PRS-11 系统），并进行了长时间的试验[19-20]，观测结果如下：雨量雷达测量数据与自动雨量站的数据在整体趋势上保持一致，在单场次累计雨量超过10 mm 的情况下，双方数据对比误差约为 20%。X波段雷达必须进行降雨估计衰减订正，双偏振雷达则可以通过比差分相移进行衰减订正。

国际上还有采用船用雷达改造成雨量雷达获取降雨量的产品，LAWR 系列是最著名的产品之一。由于 X 波段雷达的雨衰较大，因此 LAWR 使用不同的校准方法[21]。

3 水位测量

水位测量雷达又称雷达水位计，通过发射到水面的雷达射频信号对水位进行测量。由于雷达与水面有一定距离，因此不受水中温度梯度、污染物及沉淀物的影响，测量结果准确，并且无需定期校正，使用简单方便。

早期雷达水位计多采用 X 波段，体积和重量都较大，现在多采用 24，35 和 77 GHz 的产品。雷达水位计采用脉冲或调频连续波（FMCW）2 种体制。FMCW 雷达通过发射频率调制的连续波信号从回波信号中提取目标距离信息，具有距离分辨率高，发射功率小，便于集成化等优点，适合用于水位测量。FMCW 雷达的频率调制方式有多种，雷达水位计多采用线性调频（LFMCW），线性调频方式适合于用 FFT（快速傅里叶变换）算法测量频率。

水文测验要求水位测量距离最大到 100 m，水位变幅为 10 m 时，水位测量精度要达到 2 cm 以内，分辨力达到 1 mm 或 1 cm。由于测量精度要求较高，因此对雷达的频率稳定度和线性度要求极高，并且必须具有较宽的带宽。

直接根据 FFT 得到的离散频谱峰值测量距离的分辨力取决于扫频带宽，例如信号带宽为 1 GHz，则对应的距离分辨力为 15 cm。为提高距离测量精度使之满足水位测量要求，需要在不改变扫频重复周期的前提下，提高频率估计精度才能提高距离测量精度。频率插值和细化方法可以在一定程度上提高FFT 的频率估计精度，但需要很高的信噪比。利用FMCW 雷达差拍信号的 FFT 在最大谱线处的相位实现频率（距离）高精度估计是一种有效的方法[7]58。差拍信号的 FFT 幅度最大处的相位随距离变化，因此可以提高频率（距离）估计精度。考虑到 FFT 相位测量的 2 π 模糊问题，可利用分段 FFT 的相位差消除相位测量模糊。距离估计误差 1 mm 对应的相位测量误差约为 24°，因此利用这种方法很容易达到距离估计精度在 1 mm 之内。以此为基础，出现了多种改进的方法，如采用粗估计加精估计的三谱线合理结合算法等[22]。

工作在脉冲体制的雷达水位计采用纳秒级窄脉冲工作模式[6]1，通过雷达天线向水面发射脉冲，收到水面反射回波后，比较发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，得到水面距离信息。主要技术难点在于对窄脉冲信号的调制并发射，以及形成两路具有稳定频差的脉冲信号，发射脉宽一般为 2～3 ns，游标脉冲与发射脉冲的频差一般在几赫兹到几十赫兹左右。

4 流量测量

河流的实时流量是水文、水资源管理及水利工程中最重要的资料。受天气条件、测验手段、测验安全性、测流历时等限制，流量测验一直是当今水文测验的难点。基于水位-流量关系曲线获取流量，在 20 世纪应用广泛，但由于水位-流量关系曲线大都缺乏高水位时的流量资料，因此这种方式很难得到满意的流量精度，而高水位流量资料往往是最受关注的。雷达作为一种非接触式测流技术，近几年在河流流速测量方面进行了大量应用，主要目的是解决恶劣天气、高水位、复杂水体、应急监测等特殊情况下的流量测验问题[23]1。流速测量雷达主要有点流速测量和侧扫测流 2 种雷达，这 2 种雷达都是获取河流表面流速，再根据水文模型反演出流量的。

4.1 点流速测量雷达

国内外生产的点流速测量雷达，常称为电波流速仪。电波流速仪对安装位置要求较高，需要借助桥梁或者悬臂支架安装在水面上方，以获取最大的多普勒速度。由于电波流速仪只能获得单点流速数据，如果河面较宽，需采用多个电波流速仪沿河断面布置同时工作。

电波流速仪通过解析多普勒频移与相对速度之间的关系，测量流体表面流速，并可测出流向的正反。将电波流速仪与雷达水位计相结合，即成为雷达流量计。雷达流量计获得表面流速及水位高度后，对于规则的渠道断面，运用常规数学公式计算得到流量结果；对于不规则河道断面，运用描点法和微积分计算得到流量结果。

目前电波流速仪多采用 24 GHz 频率，也有采用 35 和 77 GHz 频率的产品，最小可监测 0.1 m/s 的表面流速。具有代表性的是 RQ-24 和 30 非接触式流量计，它们在欧洲广泛使用，在中国也有大量应用。美国的手持式雷达电波流速仪（SVR），因其良好的准确性和简易的操作性而在国内外河流测速中广泛使用。但由于工作频率高，出于成本考虑，目前市场上的电波流速仪设计相对简单，较少增加雨谱剔除及雨衰补偿等措施，所以在有大雨时，测速性能受较大影响。

4.2 侧扫测流雷达

侧扫测流雷达安装在河岸上，从水流方向的侧面获取河流表面断面线的分段流速，也可先得到水面的流场分布，再处理得出河流表面断面线的分段流速。一般以 5～40 m 作为分段，与机械式流速仪不同的是，侧扫测流雷达获取的是分段距离内的平均流速，而不是某一点的流速。侧扫测流雷达架设简单，可连续自动测验河流表面流速，使传统技术难以完成的洪水携带漂浮物、浅滩过水、河面结冰等高难度的流量测验任务变得简单易行。侧扫测流雷达的工作频率一般选择在 UHF 频段，天气变化对雷达的探测性能影响小，雨衰可以忽略，因此可以认为雷达是全天候工作。

国内最早开展侧扫雷达测流系统研究的是武汉大学[24]，美国某公司将此技术商品化，在我国进行了推广[25]1[26]。第 1 个通过水利部鉴定的侧扫测流雷达设备[23]6正在推广应用中。

4.3 断面测量雷达

完成一条河流的断面流量测量，必须测量断面的横截面几何形状，一般需要测量河两岸 20～30 点的深度，再连接得到断面。断面几何形状测量，可以使用超声波测深仪，也可采用探地雷达完成[25]2。

探地雷达 GPR 向地面发射电磁脉冲，接收从具有不同介电特性材料的界面反射回来的回波，再通过处理，获取横截面数据。GPR 一般需要将天线悬浮在水面上方移动。从文献报道的试验结果看，GPR 探测河流截面存在探测深度不足，图像识别难度大，无法识别河流边缘的陡峭堤岸，侧向反射干扰强，以及桥梁支撑或甲板等大型金属物体的反射干扰等问题[25]3，解决这些技术问题需要更多的试验和新的处理方法。

5 总结与展望

近几年来，雷达应用于水文测验的研究工作取得了实质性进展，已有多种产品进入实际使用，但大范围应用推广仍有较大的改进空间。在水文测验中，理论研究成果到实际系统应用还有很大距离，雷达有更多更广阔的空间可以发挥作用。

5.1 新型产品研制

雷达技术已经在测量降雨量、水位、表面流速等方面有了较多应用，但在其他方面的应用还有待开发。除了探地雷达测量河流断面外，还可利用地面雷达实现冰下流速、雪深测量等。利用雷达卫星遥感测量河水含沙量、地表土壤含水率、蒸发量等，则是水文测验内容的进一步扩充。这些新产品的需求量巨大，尚有多个技术瓶颈问题要解决。随着技术的不断进步、试验条件的改善，以及国内外研究应用经验的不断积累，雷达测量将成为水文测验中一种更加有效的手段。

5.2 新技术应用

雷达技术本身一直在不断发展，将新的雷达技术应用到水文测验上，对于拓展雷达技术应用于水文测验的理论和实践有着巨大意义。相控阵、多输入多输出（MIMO）、超视距、量子探测、太赫兹等技术都有可能在水文测验领域中显露身手：目前对于超宽河面的流量测验还是采用人工方法，将相控阵和超视距技术融合起来，就可利用雷达完成超宽河面或者湖泊的流速、流向及流量的测量；量子探测、太赫兹等新技术，可以将非接触测量技术推广到水文测验中进行物理和化学特性的监测；将雷达技术与人工智能信息技术结合，在电磁频谱上形成水文信息感知的微波视觉，将带动多产业-应用的发展。

5.3 目标特性分析

雷达目标特性是雷达探测获取目标信息的基础，同时对雷达设计具有很大的现实指导价值。利用雷达测量水文中各种目标，雷达信号与目标相互作用机理，不同目标对微波信号的调制作用及衰减，对这些内容的研究是目标探测与识别的理论基础。因此，在开发新的技术或产品时，水文目标散射特性研究是相关技术研究探索过程中必不可少的重要内容。

5.4 接口分析

雷达对目标的探测、测量和成像，获取时间短，得到目标变化过程的精细结构，可以说是一种微观信息。传统水文应用的重点在水资源分配和抗洪防灾等方面，可以说是一种宏观物理量信息。研究雷达获取的微观信息与宏观物理量信息之间的对应，以及如何将宏观问题转化为微观问题来解决，即微观雷达操控与宏观探测应用的接口是雷达技术走向水文测验实际应用需要解决的一个重要问题。此外，由于雷达探测获取的是目标的统计信息，而水文延续千年的是精确测量，这二者的处理结果如何统一，也是一项具有很大挑战的工作。

这几个方面的基本问题，具有重要的学术研究价值，如有突破将对雷达技术在水文测验中的发展产生重要的推动作用。总体来说，雷达技术将给传统水文测验技术带来新的、跨越式的发展。