非接触式高频雷达测流系统在辽宁中小河流自动测验中的改进应用

张志斌

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

近些年来，随着中小河流站点的不断建设，区域中小河流站点覆盖面逐步增加，但由于中小河流未建设具体水文测验站房，很难实现驻站水文监测[1]。当前，中小河流是防汛工作的重点，其测流信息的时效性对于整个区域防汛决策十分重要[2]。为保证汛期中小河流水文测验的时效性，采用了巡测方式进行流量测验，但这种巡测方式最为主要的问题在于当发生全流域洪水时，很难保障测流信息的及时性。针对中小河流测流的难点许多水文测验技术人员展开了大量的研究工作，取得一定的成效[3- 8]，但在流量自动测验中还存在短板。非接触式高频雷达测流系统近些年来在一些流域中小河流水文站得到应用[9- 15]，经过一些对比观测，总体测验精度可满足水文测验的规范要求，可重点解决中小河流应急测验的数据时效性问题。辽宁省中小河流站点为98处，为推进水文现代化技术的推广和应用，在一些站点引入了非接触式高频雷达测流系统，并进行了对比观测，通过应用发现了非接触式高频雷达测流系统在实际应用中存在的一些问题，并针对这些问题提出了改进措施，使得非接触式高频雷达测流系统可以得到有效推广。

1 非接触式雷达测流原理及改进措施

1.1 测流原理

非接触高频雷达通过表征雷达波接受的距离来表征测定的流速，对雷达波反射距离和雷达接收参数进行定量分析，对雷达设计参数具有一定的指导价值。雷达发射和天线增益功率分别为Pt和Gt，目标距离天线R距离的功率密度ρ1的计算方程为：

(1)

电磁照射将使得目标返回散射波，假定目标散射面积为σ，并假定接收的辐射功率能够使得散射目标损耗最低，则反射的功率目标值Ps计算方程为：

Ps=σρ1

(2)

每个目标散射单位面积为σ0，雷达波及反射角度的分辨率分别为ΔR和Δθ，河流按照距离和单位划分的面积需要满足的条件为：

σ=σ0S=σ0ΔR·Rθ=σ0R·ΔR·Δθ

(3)

假设Ps均勾辐射，则在接收天线处收到的回波功率密度P2为：

(4)

为保证雷达发射波距离目标较近，回波接收雷达功率Pr需要符合检测信号功率Smin的最低值，即为雷达波反射距离的最大值Rmax：

30lgRmax=Pt+Gt+Gr+20lgλ+10lgσ0+
10lgΔR+10lgθ0-32.98-L-Smin

(5)

实际探测中，难以准确预测目标的有效反射面积、系统损耗等参数，因此雷达方程常用来作为一个估算雷达性能的公式。

非接触式雷达测流反射波信号最强出现在发射波长达到一半频率时，在具体水文测验中更具河流多普勒频移的正负和大小，对流速矢量进行计算。

1.2 技术改造措施

(1)根据辽宁省河流特点，分别在东部选择2处站址设27和25m塔架，安装高频河流实时监测系统接收天线，通过加高天线、数学模型调整，使雷达波扫描半径达基本覆盖全部河宽，达到理想效果。

(2)设置测量分区，分割局部面积，采用加权法计算断面平均流速，提高系统测量精度。

(3)采用滑动滤波消除粗差数据，利用滑动平均增强数据稳定性，并采用改造馈线和设置保温机箱等措施保障系统运行稳定。

1.3 技术改造过程

在现场安装测量时，首先要安装设备架设天线，在安装地点安装好了一根结实稳固的基桩柱杆，将天线杆固定在基桩柱杆上用的金属夹具内，并按步骤装配好 1 号天线、2 号天线和 3 号天线，将3个天线单元上的接头标注与机箱上接口标注匹配，把每一天线单元的电缆连接到它机箱上的相应接口，再将天线单元的电缆从空心的杆顶部穿过去，从下面的电缆孔穿出。

现场安装时将天线单元安装到天线杆顶部，升高天线杆和天线，以与河流主流方向90°角度将中心天线单元指向河流，用坚固的金属夹具将天线杆固定到基桩柱杆上，再将机箱摆放到天线杆的位置上，用2个 U 型螺栓固定住，将2个安装支架分别固定到机箱的凸缘上，每根螺杆上用2只锁紧垫圈、平垫圈和螺帽。安装支架走向沿机箱宽度方向，也就是与地面平行方向。用两2个 U 型螺栓将机箱安装到天线杆上，按照一定的高度将机箱定位在杆上，外置风扇面朝下，至少留有 15 cm空间。

电源电缆是一根双线电缆，通向电源的一端有一个接头，通向机箱的一端有2个接头，把电源线通向机箱的电源线接头连接到机箱电源接口上。因现场是荒郊，交流电源经几百米外的农户室内引出(以后可考虑配置高效直流电池，不用交流电源)。

通讯连接采用无线连接，将界面计算机放置于机箱附近，接通电源后，无线连接将自动完成，不需要任何接线。技术改造现场如图1所示。

图1 技术改造现场图

2 流量测验的精度评定方法及误差标准

按照河流流量测验规范GB50179—2015相关要求，按照以下方程对不同标准差的流量分量进行估算：

(6)

(7)

表1 置信水平为90%的学生氏(t)值

测验仪器不确定度则根据生产厂家给定的仪器精度指标确定，当流量可以划分成若干函数时，假定各个流量分量相互独立，总的随机不确定度的计算方程为：

(8)

式中，XQ′—总不确定度，%；K—流量分量的数目；Yi—第i个流量分量不确定度随机值，%。

3 实例对比观测分析

3.1 站点概况

本文以辽宁地区2个中小河流站点为该技术应用实例，第一个中小河流站点集水面积1023 km2，

断面以上河长为94.1 km，主河道比降为3.6‰流域形状系数为0.116。区域洪水汇流时间略长，峰高量大，急涨急落，退水稍长，过程略显瘦削，一次洪水历时一般1～3d。该站历年最大实测洪峰流量3330 m3/s。第二个中小河流站点集水面积417.0 km2，断面以上河长为52.9 km，主河道比降为6.6‰。流域形状系数为0.145。区域内共雨量站平均控制面积为139.0 km2。

3.2 流速系数分析

对2个观测站点非接触高频雷达技术改造前后的流速系数进行了分析，结合水文测验精度评定方法对各站点的测验测次的不确定度进行了分析，结果见表2—5，如图2所示。

从第一个测站的流速系数分析结果可看出，各测次下的流速平均系数为0.67，总的不确定为24.9，经过技术改造后，第一个测站流速系数的测定精度得到明显提升，技术改造后各测次下的流速平均系数为0.94，总的不确定度平均值为12.6，相比于技术改造前，各测次流速系数下的总的不确定度减少12.3。流速平均系数增加0.27，从各测次下非接触式高频雷达和流速仪的对比结果可看出，在相同测次下，对非接触式高频雷达的技术改造效果较为明显，和传统流速仪相比于，技术改造后测定的流速和流速仪观测值吻合度较高。第二个水文测站水面宽度要大于第一个水文测站，从第二个对比观测的站点流速系数分析的结果也可看出，技术改造后各测次下的流速系数总的不确定度减少，流速测定的精度得到提升，这主要因为通过设定测量的不同分区，对局部流速面积进行分割，对断面流速进行加权平均计算，实现断面平均流速的精准计算，从而提升了流速的测定精度。

表2 第一个对比观测站技术改造前流速系数分析结果

表3 第一个对比观测站技术改造后流速系数分析结果

表4 第二个对比观测站技术改造前流速系数分析结果

表5 第二个对比观测站技术改造后流速系数分析结果

图2 2个对比观测站非接触高频雷达技术改进前后与流速仪观测结果对比

3.3 测验流量对比结果

在流速系数对比分析的基础上，通过流速来计算测验流量，对各对比观测站的流量测定值进行对比分析，结果见表6—9。

表6 第一个对比观测站技术改造前流量对比结果

表7 第一个对比观测站技术改造后流量对比结果

表8 第二个对比观测站技术改造前流量对比结果

表9 第二个对比观测站技术改造后流量对比结果

非接触式高频雷达的测流原理和流速仪测流原理一致，均通过测定断面平均流速来推算整个测流断面的流量，从第一个测站技术改造前后的流量测定误差可看出，在对非接触式高频雷达进行技术改造前，和流速仪相比，不同水位下的流量测定相对误差在16.2%～-23.5%之间，这主要是因为非接触式高频雷达测流系统的测流精度易受外界因素干扰，从而影响测流精度，尤其是在低水位流速较小的时期，这种干扰尤为明显，为此在具体应用时，对非接触式高频雷达进行技术改进，采用滑动滤波消除粗差数据，利用滑动平均模型增强测流数据稳定性，从而提高了非接触式高频雷达数据采集的稳定性，从对比结果可看出，进行技术改进后，非接触高频雷达的流量测定误差相比于改造前明显减少，流量测定误差总体在5.5%～14.4%之间，相比于技术改造前，流量测定误差提升10%，从第二个对比观测站也可看出，在相同水位级下，对非接触式高频雷达数据采集稳定性进行改进后，非接触式高频雷达受到外界干扰的程度有所减少，提升了流速的测定精度，而流速测定精度的提升，也使得流量测定误差明显减少。第二个测站的水面宽度要高于第一个水文测站，未进行技术改造前，由于高频雷达侧扫范围不能覆盖全河道，使得流速系数测定有所偏差，从而影响流量测验的精度，为此研究通过优化接收高度和模型参数调整，实现河宽全覆盖测定，使得非接触高频雷达的测定方位更符合实际断面情况，从表8—9流量误差对比结果可看出，采用此项技术改进后，流量测定的精度相比于改造前，提升10%。

4 主要结论

(1)非接触式高频雷达目标水平角度高于10°时容易产生余弦误差，易出现测定的虚假读数，因此在按照仪器时为降低或消除这类误差，可在仪器参数设水平补偿角度，该角度即为目标对准角度。

(2)非接触式高频雷达探头垂向角度和流速呈负相关，虽然仪器参数设置了垂向补偿角，以降低对流速测定精度的影响，但在具体安装中，应尽量保持仪器垂向角度在45°左右。

(3)本文对中小河流表面低流速的仪器测验精度还未探讨，在后续研究中还需加强对低流速尤其是平原区河流非接触式高频雷达测流系统的适用性分析。