非接觸式微波流速儀的技術(shù)要點

□張保偉 劉俊卿 張宏愿

（黃河水利委員會河南水文水資源局）

非接觸式微波流速儀的技術(shù)要點

□張保偉 劉俊卿 張宏愿

（黃河水利委員會河南水文水資源局）

非接觸式微波測流儀是利用多普勒效應(yīng)原理，以非接觸方式測量水面流速的一種新型測流儀器，其測驗精度低于流速儀法，高于浮標法。微波流速儀的安裝應(yīng)考慮承載方式的不同，以及適當?shù)陌惭b俯角和安裝高度。安裝完成后要進行儀器的穩(wěn)定性測試，并開展流速系數(shù)的比測、率定，最終確定本站合適的流速系數(shù)。實踐證明，非接觸式流速儀儀器的應(yīng)用，可以促進水文測報能力的提升，更好地服務(wù)于洪水等水文測報工作。

非接觸；微波流速儀；使用技術(shù)

1 引言

黃河流域的洪水具有預(yù)見期短、漲落快、含沙量大、漂浮物多的特點。在洪水期，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子流速儀常因水中漂浮物的纏繞、碰撞而無法使用、甚至損壞。因此，浮標法測流是大部分水文測站洪水期必備的測流手段。浮標法測流需要的設(shè)施設(shè)備和測驗人員多，測驗誤差大，測驗精度低且難以控制，也易受大霧、大風天氣的影響。

非接觸式微波測流儀是利用多普勒效應(yīng)原理，以非接觸方式測量水面流速的一種新型測流儀器。微波測流儀通過微波天線向水面發(fā)射37GHz頻率的一束微波，部分電磁波折射入水中，一小部分電磁波被水面反射回來，微波天線接收并經(jīng)圓極化混頻器產(chǎn)生與水流速度對應(yīng)的多普勒頻率信息，結(jié)合傾角傳感器測量儀器俯角信息，可計算出水流的表面速度。

非接觸式微波流速儀施測的是水面流速，類似于轉(zhuǎn)子流速儀的水面一點法和浮標法測速，其測驗精度低于轉(zhuǎn)子流速儀法，高于浮標法。

2 微波流速儀的安裝

2.1 儀器俯角的安裝

俯角指的是波束中心線與鉛垂線的夾角。儀器的安裝要保證測量時儀器探頭的俯角在15～35°之間，尤其在23～24°之間時誤差最小。探頭俯角不符合規(guī)定時應(yīng)根據(jù)提示調(diào)整。

2.2 儀器的承載方法及注意事項

微波流速儀可以安裝在水文測船、水文纜道、水文纜車、橋梁等設(shè)施上。當測站有多種承載微波流速儀的設(shè)施時，應(yīng)根據(jù)測站的實際情況，優(yōu)先選用安全、經(jīng)濟、能保證流速、流量測量精度的設(shè)施。

在水文測船、水文纜道、水文纜車上測驗時，要盡量在設(shè)備穩(wěn)定后再開始測驗，以減小測驗誤差。船測法儀器安裝位置要避開測船對水流的干擾，儀器距船的距離要符合表1的要求。利用微波流速儀在橋梁上進行測驗時，要注意橋梁自身的防洪安全標準、過往車輛引起的橋梁震動對儀器測驗精度的影響，以及過往車輛對測驗人員的安全影響。

表1 儀器離船邊的最小距離表

2.3 儀器安裝高度

在保證測驗過程安全的前提下，微波流速儀傳感器距水面的垂直距離宜滿足表2的要求，否則，選擇其它的測驗方式。

船測法盡量降低儀器安裝高度，減小測船晃動引起的測驗誤差。

表2 儀器傳感器距水面垂直距離表

3 微波流速儀的穩(wěn)定性測試

微波流速儀屬于電子產(chǎn)品，其電子元器件的工作曲線可能會隨著時間的推移發(fā)生變化，造成測量數(shù)據(jù)誤差變大。例如，發(fā)送的微波頻率（37GHz）如果有偏差、不穩(wěn)定，則收到回波解算出的流速誤差就會增大。儀器投入使用前，以及每年的汛前都要對儀器進行穩(wěn)定性測試。風是影響微波流速儀測量成果穩(wěn)定的主要因素，測試應(yīng)盡量安排在無風時間進行，以減少風力影響。經(jīng)過測試，穩(wěn)定性差、誤差大的儀器要返廠維修。

4 微波流速儀流速系數(shù)的比測、率定

使用微波流速儀測流的水文站，應(yīng)開展微波流速儀與流速儀或浮標之間測速、測流的對比測驗與分析工作，以確定本站的微波流速系數(shù)。對于率定系數(shù)困難的測站，可借用本地區(qū)斷面形狀和水流條件相似測站的微波流速系數(shù)。測站管理機關(guān)可集中儀器、人員到代表性強、測驗條件好的測站進行系數(shù)的率定，流速系數(shù)率定且經(jīng)上級主管部門批準后可推廣使用。

4.1 氣象因素對系數(shù)率定的影響

微波流速儀比測試驗應(yīng)主要安排在高、中水，比測資料應(yīng)包括不同水位級和不同風向、風力等情況；降雨會對儀器測驗造成影響，測驗時應(yīng)收集雨強資料，分析降水對微波流速儀的影響；霧霾嚴重時，在保證安全的前提下，盡量降低主機探頭至水面的距離，以減輕信號的衰減。

4.2 流速系數(shù)比測試驗的方法

微波流速儀全斷面垂線法與流速儀法比測試驗：流速儀法與微波流速儀法測驗宜同步進行，也可在洪水漲落過程中流速儀法和微波流速儀法測驗交替進行。轉(zhuǎn)子流速儀、微波流速儀兩種儀器的測驗垂線要重合；轉(zhuǎn)子流速儀采用垂線多點法測驗時，微波流速儀測驗時間宜處于流速儀測驗時段內(nèi)；流速儀采用垂線一點法測驗時，應(yīng)選擇率定有垂線流速換算系數(shù)的測點。

微波流速儀中泓垂線法與流速儀法比測試驗：在高水期利用微波流速儀中泓垂線法與流速儀代表垂線法作對比試驗時，代表垂線宜選擇與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系最好的1～3條測速垂線，代表垂線上用流速儀和微波流速儀同時測速，計算中泓微波流速系數(shù)。

微波流速儀中泓垂線法與流速儀全斷面法作對比試驗，以流速儀法流量除以微波流速儀中泓垂線法虛流量，計算中泓微波流速系數(shù)。微波流速儀全斷面垂線法和流速儀全斷面法的比測試驗時，也可分析中泓垂線位置，計算中泓微波流速系數(shù)。

4.3 比測資料的檢查、分析

施測的流量資料，以及相應(yīng)的水位、含沙量等資料應(yīng)按常規(guī)水文測驗工作進行必要的質(zhì)量檢查；施測的流量、使用的水位～流量關(guān)系線均應(yīng)是經(jīng)過審查后的成果，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

4.4 微波流速系數(shù)的確定

4.4.1 轉(zhuǎn)子流速儀與微波流速儀同步測驗時的系數(shù)確定

微波流速系數(shù)等于斷面流量除以虛流量或斷面平均流速除以虛流速；中泓微波流速系數(shù)等于斷面平均流速除以中泓的平均虛流速。

4.4.2 水位～流量關(guān)系曲線法確定微波流速系數(shù)

當測站受測驗條件或水情影響不能同步測驗時，采用此方法確定該站的微波流速系數(shù)，方法如下：①分別確定流速儀（浮標）法和微波流速儀法的水位～流量關(guān)系曲線，具有多條關(guān)系線的，要明確測次對應(yīng)的推流線號及推流時段；②按有關(guān)規(guī)范要求對水位～流量關(guān)系曲線進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗，并進行系統(tǒng)誤差、標準差及不確定度的計算；③用水位在相應(yīng)的水位～流量關(guān)系線上推求流速儀（浮標）法流量及微波流速儀法測次的虛流量；④微波流速儀測次少不能確定水位～流量關(guān)系曲線的，使用實測的虛流量；⑤微波流速系數(shù)等于流速儀（浮標）法流量除以微波流速儀虛流量；⑥以虛流速為縱坐標，微波流速系數(shù)為橫坐標，以風力為參數(shù)，點繪微波虛流速～微波流速系數(shù)關(guān)系圖，分析各級流速下相應(yīng)的微波流速系數(shù)。

5 結(jié)語

微波流速儀使用現(xiàn)代科技技術(shù)，利用非接觸的測驗方式，實現(xiàn)流量的測驗。非接觸式的測驗方法可避免水中雜物對儀器的纏繞、污水對儀器的腐蝕、泥沙對儀器的磨損。具有測驗的速度快、精度高的特點。該儀器利用測站目前的設(shè)施，不需增加測驗設(shè)施。目前流量在線監(jiān)測、洪水預(yù)警中也有應(yīng)用。

微波測流儀作為一種新推廣的儀器，需要檢驗其技術(shù)性能和該儀器對外界條件的適應(yīng)性，總結(jié)出合理的使用方法、程序，形成作業(yè)規(guī)程，達到推廣應(yīng)用，實現(xiàn)洪水測報升級的目的。

P335

A

1673-8853（2017）10-0086-02

張保偉（1979—），男，工程師，主要從事水文水資源測驗與管理。

2017-8-25

編輯：劉長垠 韋詩佳