双轨循环式雷达波在线测流系统设计

2024-07-06左念徐典范亮

人民长江 2024年13期

关键词：雷达

左念徐典范亮

摘要：利用现有流量测验设备（水文缆道、拖曳式ADCP）在对流速快、陡涨陡落的山溪性河流进行监测时操作极为困难且历时不可控。考虑到移动雷达波不直接接触和扰动（或破坏）水流结构可以实现自动精确监测，研究设计了一种双轨循环式雷达波在线测流系统。该测流方式安全快捷，尤其适用于河道高洪流量测验，可实现水文断面流量的即时、稳定在线监测，能够解决水文测站人员不足、工作强度大、高洪期间测验工作较为危险等问题。

关键词：在线流量监测；雷达；双轨循环；非接触测流

中图法分类号： P332.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.009

0引言

中国流域面积在200 km2以上有防洪任务的中小河流有9 000多条。近年来极端天气事件多发，中小河流洪水灾害频繁发生，多地发生洪涝地质灾害，造成较为严重的人员伤亡和财产损失，中小河流在线流量监测重要性更显突出［1］。河流在线流量监测可实时掌握可用水资源，可通过水闸水库等调配流域水量，了解水资源走向，为水资源调度提供决策依据。

目前，国内外流量在线监测主要采用时差法、二线坡能法、ADCP、非接触雷达波在线测流法等，虽各方法在特定断面成功应用，但都存在固有边界条件。其中，非接触雷达波是通过电磁波多普勒频移探测表面流速，借用大断面数据与实时水位，反演断面流量。有学者提到利用简易双轨缆道搭载雷达波流速仪［2］，但未考虑风速风向对雷达波探头的影响。

本文设计了一套双轨循环式缆道雷达波在线测流系统，该系统摒除固定式雷达波系统多探头、需要依赖桥梁等弊端，采用自驱移动式探头扫测测验断面并耦合了多种环境及系统干扰因素，可以有效提高水文流量监测获取水平。

1双轨循环式雷达波在线测流系统简介

双轨循环式缆道雷达波在线测流系统设计遵循无人值守、简单可靠、方便维护、功能完善的原则，采用雷达波施测多条垂线测速，同步采集相应水位，结合借用断面数据，按部分面积法计算流量，实现流量自动监测。

支持远程手动测流和远程遥测等功能：河道的断面、垂线、水位计高程、测流历时、低水停测、低温停测、大风停测、加报段制、加报水位及加报变幅等。通过远程监测并记录雷达多普勒流速传感器信号频谱分布，进而优选优化测流参数，显著提高了流速测量质量，做到了流速测量可溯源、可选择。

系统架设渡河平行钢绞循环索，索上固定智能移动小车，小车隐藏安装有雷达多普勒流速传感器及无线设备，循环索由安装于岸边的直流电机控制行进，从而进行不同垂线的流速测量。控制系统结构如图1所示。

1.1雷达波测流原理

雷达波测流是利用多普勒效应原理实现。工作时向水面发射电磁波，电磁波遇到运动的水面会发生散射，并构成回波，由于接收到的回波频率相对于发射频率发生一定偏移，由多普勒频率方程可求得水面流速。一个运动目标会在雷达传感器产生一个低频输出信号。这个信号的频率取决于移动速度，幅度取决于安装的距离、反射率和运动目标的尺寸大小。其中多普勒频率F和运动速度成正比关系［3-6］。

1.2数据处理模型

双轨循环式雷达波测流系统中包括多普勒流速仪瞬时姿态、水体表面风速、水体表面流速耦合模型，解决了流体表面流速采集精度难题；行进式扫射断面方法，实现了断面流态全覆盖探测，解决了大跨度河道断面多频次测量难题；实时监控流速信号频谱分布分析方法，可智能分析流速信号质量并复测。与传统移动式雷达测流设备对比，该系统运行更为平稳可靠，耦合了多种环境及系统干扰因素，流速计算更为精准可靠。

2结构功能设计

大跨度双轨循环式雷达波在线测流系统包括主控箱、岸基塔顶和智能测速小车。主控箱包括主控系统，该系统控制触控大屏、水雨情采集子系统、电力蓄控和通信模块，通信模块为Lora无线通信模块、GPRS/GSM通信模块和串行通信模块;岸基塔顶包括动力控制模块，该模块控制直流电机和编码计数模块，岸基塔顶还设有双规循环式缆道;智能测速小车包括小车智能测速系统，该系统连接Lora无线通信模块、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪和动能模块，动能模块包括太阳能电板、充电控制器和免维护蓄电池［2］。

2.1主控系统

为适应水文行业对稳定性的超高要求，本文设计的主控系统采用TI低功耗32位MCU作为主控芯片，配置低漂移RTC、高精度差分AD转换电路、大电流可控电源以及固态存储芯片，并预留扩展I/O口用于更新系统功能。该系统采用工业级芯片，正常工作温度在-40～80 ℃之间，满足国内所有地区的使用条件［7］。

主控系统控制智能小车与驱动模块采集并分析探头纵横摇、水面流速、信号强度、信号质量、测流位置、设备电压、气象参数等要素，进而反演测验断面流量。该系统可提供实时测流、远程测流、自动测流、手动测流等多种方式。

为充分利用该系统可以在断面上随意移动的特点，设计了蠕动式的断面全覆盖流域探测，不再采用在某点停顿的测量方式，而是在当前位置发射雷达波束之后，不做停顿，直接运动至前方来接收斜射回来的雷达波束，这样即可完成动态的全断面流速测量。同时，在测流时可以导入本断面的历史资料，可以使该系统能够迅速测完死水区，而在大流速的测点可以放慢行进速度，以此保证测量精确度。蠕动式的雷达波测流系统相比于走航式雷达波测流系统测流范围更广，精度更高，速率更快。

2.2驱动控制

通过两岸的直流电机自动控制小车行进速度，根据目标垂线与当前位置距离自动生成变速曲线，使得启动时以及接近目标垂线时速度自动变化，提高了位置精度，并减少对缆道的冲击。计米轮直接测量循环索行进距离，同时辅助采用电机圈数计数，二者相互比较，以消除打滑、失步等带来的距离计数误差。

电机转速对应的循环索速度为V1，计米轮计数对应的循环索速度为V2，ΔV=V1-V2；实际速度为V=f（V2，ΔV），其中f为卡曼滤波。

2.3智能测速小车

智能测速小车由Lora无线通信模块、太阳能供电系统、电子陀螺仪、超声波风速仪、雷达波测速仪组成，小车智能测速系统从Lora通信模块接收控制指，令采集测点表面流速、风速风向及小车当前横纵摇姿态（图2）。

智能测速小车通过内部隐藏安装的雷达多普勒流速传感器来获取下方水面流速。通过小车上安装的Lora无线通信模块，将测量的流速数据同步传输至主控系统，并接受主控系统的反馈指令来完成之后的测流动作。

为了确保智能测速小车反馈的测量结果的精确性，在小车上加装了电子陀螺仪与超声波风速仪。通过电子陀螺仪能够获取小车X、Y、Z轴的数据变化，从而推断出小车当前姿态，考虑到姿态数据处理的延时性在计算时引入PID算法，对于小车未来姿态也进行判断以此得到更加精准的姿态数据。而超声波风速仪可以获取当前断面风速，通过耦合上述数据可以建立瞬时姿态、水表风速、水表流速耦合模型，以此消除水表风速与小车姿态对于流量测验精度的影响。

3流量反演

天然河流受边界条件的影响，过流断面流速分布不均，各测速垂线位置的流速并不相同，因此采用部分面积法计算流量。将断面按照雷达距离分辨率划分为n个面积单元，分别计算各个面积单元的部分流量，然后累加出断面总流量。则断面流量Q为

Q=ni=1Qi

（1）

式中：Qi为部分流量，Qi与部分面积Ai、平均流速Vi的关系为Qi=AiVi。

在垂线间隔无限缩小的情况下，可以认为其表面流速与河底高程恒定，其平均流速计算公式为

V=1hmax∫h max0V（h，V0）dh

（2）

式中：hmax为最大水深。

抛物线模型流速分布关系为

V（h，V0）=V0-（hmax-h）22P

（3）

式中：P为焦参数。

将上式代入得出断面流量为

Q=ni=1AiV0i-h2maxi6P

（4）

考虑其平均流速计算的先决条件：在垂线间隔无限缩小的情况下，可以认为其表面流速与河底高程恒定。在实际断面测验过程中，应利用移动式测速探头的便捷性，对相邻流速变化较大或河底起伏较大区域适当增加垂线测量密度。

4远程测流模式

为了保证该系统能够跟上水文现代化的发展，围绕这个系统设计了数据在线接收管理计算服务软件和雷达原创在线系统。

4.1数据在线接收管理计算服务

数据在线接收管理服务程序部署运行后，必须考虑未来大量终端数据接入情况，因此需对高并发请求进行妥善处理。数据在线接收管理服务程序接收处理远程终端数据请求过程如图3所示。

处理过程包括3个部分：

（1）完成端口（存放重叠的I/O请求）、客户端请求的处理，等待者线程队列（即一定数量的工作者线程，一般采用CPU×2个）。

（2）完成端口中的［端口］为一个通知队列，由操作系统把已经完成的重叠I/O请求的通知放入其中。当某项I/O操作一旦完成，某个可以对该操作结果进行处理的工作者线程就会收到一则通知。

（3）通常情况下，创建一定数量的工作者线程来处理这些通知，为避免频繁地打开、关闭线程，进而提高线程的利用率（因为线程是不断地再循环获取完成端口上的请求，理论上说只要完成端口的请求不为空，线程的利用率就是100%），故而采取线程池进行管理。线程数量取决于应用程序的特定需要。理想的情况是，线程数量等于处理器的数量，不过这也要求任何线程都不应该执行诸如同步读写、等待事件通知等阻塞型的操作，以免线程阻塞。每个线程都将分到一定的CPU时间，在此期间该线程可以运行，然后另一个线程将分到一个时间片并开始执行。如果某个线程执行了阻塞型的操作，操作系统将剥夺其未使用的剩余时间片并让其他线程开始执行。也就是说，当前一个线程没有充分使用其时间片时，应用程序应该准备其他线程来充分利用这些时间片［8-10］。

4.2雷达远程在线系统

雷达远程在线系统是一套基于SpringMVC开发的雷达数据信息展示系统，SpringMVC的工作流程如图4所示。

（1） DispatcherServlet是一种前端控制器，由框架提供，统一处理请求和响应。除此之外还是整个流程控制的中心，由DispatcherServlet来调用其他组件，处理用户的请求［11］。

（2） HandlerMapping是处理器映射器，由框架提供。根据请求的url、method等信息来查找具体的Handler（一般来讲是Controller）。

（3） Handler（一般来讲是Controller）是处理器，在DispatcherServlet的控制下，Handler对具体的用户请求进行处理。

（4） HandlerAdapter是处理器适配器，由框架提供。根据映射器找到的处理器Handler信息，按照特定的规则去执行相关的处理器Handler［12-14］。

（5） ViewResolver是视图解析器，由框架提供。ViewResolver负责将处理结果生成View视图。ViewResolver首先根据逻辑视图名解析成物理图名，即具体的页面地址，再生成View视图对象，最后对View进行渲染，将处理结果通过页面展示给用户。

（6） View为视图，View接口的职责就是接收model对象、Request对象、Response对象，并渲染输出结果给Response对象。雷达远程在线系统主要用于对基于在线雷达系统的控制、查询、展示，系统主要分为以下几个模块：登录、首页、流速查询、流量查询、大断面信息、流速系数及系统日志等功能模块。

5结语

本文设计并实现了双轨循环式雷达波缆道在线测流系统，有利于实现测验工作和流程的规范化、标准

化、数字化管理，对于具有暴涨暴落特征的山溪性河流、漂浮物较多的水文断面效果尤为显著。双轨循环式雷达波缆道在线测流系统为水文测站的正常运行与生产管理提供技术保障，经过现场测试，证实了该系统的实用性，具有一定的应用价值。

但是也存在一定问题：① 与传统雷达波流速一样，该系统低流速测量精度不高，但恶劣天气对流速测量的影响较小，还需要持续关注雷达波技术的发展，选取合适的雷达波探头进行升级换代。

② 对于雷达波数据的处理还需要进一步优化，可以尝试其他不同的处理方法，对于测算结果进行比较，选择最适合雷达波测流的算法。

③ 对于操作平台目前还只能在固定的环境下进行使用，操作起来不够便利，不该拘泥于一种模式，后续将推出兼容Android、ios以及Harmony等多平台的控制系统。

参考文献：

［1］邓映之，樊孔明，李文杰.淮河水文现代化建设研究［J］.治淮，2022（2）：52-54.

［2］刘代勇，邓思滨，贺丽阳.雷达波自动测流系统设计与应用［J］.人民长江，2018，49（18）：64-68.

［3］邓思滨.雷达波自动测流系统研究与设计［D］.长沙：湖南大学，2022.

［4］朱志杰，罗爱招，周小莉，等.无线遥控雷达波测流系统在顺峰水文站的应用分析探讨［C］∥2022中国水利学术大会论文集（第五分册），西安：黄河水利出版社，2022：6.

［5］刘永超.移动在线缆道雷达波测流系统及其应用分析［J］.河北水利，2018（11）：32-33.