雷达冰厚测量仪在辽宁地区河道冰情观测中的应用

高连琦

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 本溪 117200)

北方地区由于冬季气温低，不同厚度的冰盖会在江河湖面表面形成，受静冰和动冰压力耦合作用下会对河道堤防及水工建筑物安全产生影响[1]。因此需要在冬季定期对河流冰层厚度进行观测，从而对其河流冰情特征进行监测分析，对河流封冻期和开河期冰层特征进行全面掌握[2]。传统对于冰厚观测的方式总体可归纳为破坏式测量[3]和非破坏式测量两种方式[4]，钻孔测量和电阻丝测量方式均为破坏式测量，在国内河流冰厚观测较为常用的方式为钻孔测量，近些年来通过采用电钻方式替代传统人工摇钻方式可节省大量的人力和物力，该方式通过钻透冰层后通过米尺对其冰层厚度进行测量，测量一个点位冰层厚度需要较长的时间，且很难对河面宽度较厚的断面进行连续测量[5]。破坏式测量的第二种主要方式为电阻丝测量方法[6]，该方法通过通电电阻丝发热，形成自由移动通道在冰内，通过电阻丝在冰面以上长度对其冰层厚度进行估算，这种方式相比于钻孔方式人力和物力消耗更小，且操作较为简单[7]。近些年来，随着超声波和探地雷达技术在水文测验中的逐步应用[8-9]，依托这两项技术的冰厚测量仪器也被应用到国内一些河流冰厚测量中，这两种方式均为非破坏式冰厚测量方法，其中超声波测量冰厚的主要原理在于通过对冰层上下超声回波距离进行探测，通过对冰层内部超声波一次往返时间的记录，来对其冰层厚度进行推求[10]。通过国内一些河流冰厚测量研究成果发现钻孔测量、电阻丝测量以及超声波冰厚测量方式都很难实现整个断面冰厚连续测量，且都需要建立冰生长和水文气象因子关系来对其冰层厚度进行估算[11]。探测雷达波由于可进行连续、无损以及高效的雷达扫描特点，通过对设定频率下的雷达电磁波图像进行处理，可以对其冰水分界、表层和冰界面进行判定后，对其冰层厚度进行间接估算，在国内一些河流中得到了应用[12-13]。考虑到雷达探测方法其不同雷达波频率对冰层厚度测定影响明显，为此文章首次在辽宁地区采用雷达冰厚测量仪对河流冰厚进行测量，文章对其探测原理进行了分析，并结合传统人工观测方式进行误差比测，以期对该技术在北方地区河流冰厚测量中可进行推广和应用。

1 雷达冰厚测量原理

高频宽带电磁波以脉冲发送的方式从冰层表面向下发射式雷达冰厚探测的主要工作方式，水面或者其他介质与电磁波在冰层传播中相遇会发生反射，冰层表面反射的雷达电磁波信号通过天线进行接收，雷达回波通过超宽带接收机进行信号转换后进行量化。DSP信号处理器内嵌在雷达内结合回波幅度、走时、形状及极性，对冰层与水面分界面通过层位自动识别算法进行自动寻找，从而对冰层厚度进行估算，雷达探测冰层厚度的示意图，见图1。

图1 雷达探测冰层厚度的示意图

结合在冰层中电磁波走时双程及冰层介电相对参数对冰层厚度按照方程(1)进行确定：

(1)

式中：T为冰层厚度测定值，mm；△t为在冰面层雷达波双程历时，ns；c为空气中雷达电磁波传播速率，cm/ns；εr为相对介质在冰层中的常数值。

2 雷达冰厚比测分析

2.1 比测误差分析

采用人工钻孔观测方式，通过不同点位人工钻孔估算的冰层厚度和采用雷达冰厚测量仪进行各点位估算的冰层厚度进行比测，按照《河流冰情观测规范》(SL59-2015)要求，通过对不同点位比测数组分析其标准差和随机不确定度，标准差计算方程为：

(2)

式中：Se为比测点位数组标准差，%；Di为点位采用雷达测厚仪测定的冰层厚度，cm；Dci为点位采用人工钻孔方式测定的的冰层厚度，cm；n为比测点位总数。文章采用置信度为95%水平的随机不确定度进行比测点位误差分析，随机不确定度计算方程为：

(3)

2.2 比测误差分析

在辽河马虎山水文站以上河段进行冰厚比测分析，该河段冰面宽度约为250m，分别在马虎山水文站观测断面及上上游15km处，选取两个比测断面，进行为期5d的比测试验。采用人工钻孔方式对冰层进行开凿钻孔，在两个断面分别进行25个点位冰孔开凿，采集25个点位人工观测的冰层厚度及雷达测厚仪观测的冰层厚度。雷达测厚仪冰层厚度现场测定图，见图2。

图2 雷达测厚仪冰层厚度现场测定图

2.3 雷达波冰层传播速率确定

在冰层中电磁波传播速率式雷达发射测定冰层厚度的关键因素，需要采用反推方法对其传播速率c进行确定，其计算方程为：

(4)

式中：D为冰层采用人工钻孔方式测定的厚度，cm；△t为在冰面层雷达波双程走时，μs。在比测的2个断面选取6个点位。采用方程(4)对其雷达电磁波在冰层之间传播速率进行计算，冰层中雷达波传播速率，见表1。此外相对介电常数采用马虎山水文站多年人工测定的冰情数据对其进行反演计算，通过对断面1(马虎山水文观测断面)的3个点位的反演推算，其相对对介电常数为3.025。

表1 冰层中雷达波传播速率

国内一些研究成果表明[14-15]在粒状和柱状冰层中雷达波传播的速率分别为17.02cm/ns和16.98cm/ns，文章反算的6个点位的雷达波传播的速率均值为16.79cm/ns,与已有研究成果较为吻合。冰体结构、冰层含水、含沙量、冰内气泡是冰层中雷达波传播速率的主要影响因素，较为复杂且参差不齐的冰水层界面使得雷达波开角内各反射单元具有较高的随机性。使得雷达波反射产生偏差，因此确定介电常数及不平整冰面的探测还需要进一步深入探讨。

2.4 雷达回波图像

通过雷达测厚仪数据接收处理软件可以对其回波图像进行清晰处理，两个观测断面雷达波探测回波图像，见图3。

断面1(马虎水文站观测断面)

断面2(马虎水文站观测断面上游15km)图3 两个观测断面雷达波探测回波图像

两个断面空气-冰层分界以及冰-水分解面可从雷达回波图中进行清晰看出，水面或者其他介质与电磁波在冰层传播中相遇会发生反射，冰层表面反射的雷达电磁波信号通过天线进行接收，雷达回波通过超宽带接收机进行信号转换后进行量化。DSP信号处理器内嵌在雷达内结合回波幅度、走时、形状及极性，对冰层与水面分界面通过层位自动识别算法进行自动寻找，从而对冰层厚度进行估算。

2.4 比测误差分析

结合两个断面不同点位的人工钻孔观测数据和雷达测厚仪观测数据进行各点位冰层厚度比测误差分析，各断面不同点位比测误差分析，断面1(马虎山水文站观测断面)比测误差统计，见表2；断面2(马虎山水文站观测断面上游15km)比测误差统计，见表3，并对比不同起点距下的冰厚，不同断面各起点距下的冰厚测定对比，见图4。

表2 断面1(马虎山水文站观测断面)比测误差统计

表3 断面2(马虎山水文站观测断面上游15km)比测误差统计

续表3 断面2(马虎山水文站观测断面上游15km)比测误差统计

断面1(马虎水文站观测断面)

断面2(马虎水文站观测断面上游15km)图4 不同断面各起点距下的冰厚测定对比

分别对两个断面25个点位的数据组进行对比，并计算各数据组之间的标准差进行了计算，两组数据比测的标准差分别为10.5%和12.9%，各组随机不确定度分别为8.2%和9.7%，均可满足《河流冰情观测规范》(SL59-2015)要求比测点位标准差要在±15%以内，95%置信水平的随机不确定度要在在±10%范围之内。在两个断面中，断面1为马虎山水文站观测断面，其各点位中仅有3个点位比测误差>±15%，其他均满足±15%比测误差要求，而断面各点位比测误差均在±10%以内，通过分析误差较高的3个点位，均由于冰层之间的介质较多，影响雷达波的反射。结合图3中两个断面不同起点距下的冰厚对比可看出，两个断面各起点距下人工钻孔测定的冰层厚度和雷达测厚仪测定的冰层厚度总体过程吻合，通过相关性分析，各断面两种方法比测下的相关系数总体可达到0.6以上，相关性较高。综上，通过人工比测分析，雷达测厚仪测定冰层厚度基本可满足《河流冰情观测规范》(SL59-2015)要求，雷达测厚仪可以对断面进行连续快速测定，可对断面全过程的冰层分布进行测定，可有效降低传统人工观测方式下对于冰层边缘缺损产生的观测误差。河流断面冰层的厚度变化可通过雷达进行测量结构进行真实全面反映，雷达测厚仪在断面连续观测上相比于传统人工方式优势显著。本次比测试验雷达测厚仪的天线频率为270M可实现0-5m水下河床位置的探测，通过估算采用天线频率为25M或者50M可对0-15m水下河床位置进行探测。此外，采用雷达法进行河道冰层厚度进行散点位测定时，各散点之间的间距应≥5m。

3 主要结论

1)本次比测试验雷达测厚仪的天线频率为270M可实现0-5m水下河床位置的探测，通过估算采用天线频率为25M或者50M可对0-15m水下河床位置进行探测，此外采用雷达法进行河道冰层厚度进行散点位测定时，各散点之间的间距应≥5m。

2)本次主要通过人工推车方式进行冰层厚度的雷达测定，后期也可采用无人机搭载的方式实现全域、全断面的连续观测，可应用范围更大区域冰层厚度如水库冰层厚度的测定，在北方地区具有广泛的推广和应用价值。

3)文章选取的比测断面河流冰层结构相对较为稳定，冰层中含沙量及其他介质相对较少，为此对于冰层结构较为复杂、冰层含水、含沙量及其他介质较多的河流的适用性还需要进一步比测探究。