特高頻雷達測速與一種新型漂流浮標(biāo)的比對

張 弘 李博文 李 喆 王肅文

（1、丹東水文局，遼寧 丹東118000 2、海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞572000）

1 概述

我國有著豐富的江河資源，在這些資源的管理中，江、河的流量測量是一個重要參數(shù)。流量本身的測量比較復(fù)雜，而通常更可行的方法是測量水表面的流速，再根據(jù)河床的幾何截面及水文理論模型而得出江、河某處的流量信息。傳統(tǒng)的流速測量使用鉛魚[1]，測量方法非常直接。近代比較常用的也包括ADCP[2]，利用聲學(xué)多普勒原理，通過觀測水中漂浮物的運動測量流速。這些方法都是通過與水直接接觸進行測量。隨著電子學(xué)及計算機的發(fā)展，非接觸式的測量方法也進入市場，其使用的技術(shù)領(lǐng)域包括激光[3]，微波[4]和特高頻電波[5]。

利用電波測量水面流速始于1955 年Crombie 的發(fā)現(xiàn)[6]。在水面反射回波的頻譜分析中有著明顯的邊峰，而邊峰的位置與相應(yīng)于水波的相速度引起的多普勒頻移相同。在深水近似情況，水波的相速度為

其中g(shù) 為重力加速度，L 為水波波長。當(dāng)電波波長λ=2L時，所有反射波相位相等而形成干涉疊加。根據(jù)狹義相對論，該反射波的多普勒頻移為

其中f 為電波頻率，c 為光速。

利用多普勒頻移的方法進行水流的測量始于二十世紀(jì)七十年代[7]，開始是局限于高頻地波在海面上的測量，本世紀(jì)初開始擴展到高頻地波在淡水中的測量[8]及特高頻電波在江、河中的測量[9]。

特高頻雷達利用FMCW 波形作為信號源，接收到的信號解調(diào)后經(jīng)過二次FFT 分別得到距離和多普勒信息。接收天線含一對指向性的八目天線，根據(jù)天線的方向響應(yīng)將多普勒信息分解為各個方向的流速信號。同一組天線只能測量由天線為極點的徑向流速。通過兩組或兩組以上的天線測量可將徑向流速進行矢量合成而生成流場信息。在江、河中，水流大多平行于河岸線，在這種情形下通過單組天線的徑向矢量分解也可以得到實際流速。

特高頻雷達測量流速是通過非接觸的方法。對非接觸形的測量方法，一般需要利用接觸形的方法進行比對實驗而確定其可靠性。傳統(tǒng)的比對方法有鉛魚和ADCP。鉛魚是傳統(tǒng)測水流的方法，用跨江纜繩讓鉛魚測量各個點的流速。由于跨江纜繩的架設(shè)工程量很大，用此種方法比對一般只限于原有的有鉛魚的水文站使用。ADCP 價格較高，使用也不是特別方便，尤其是ADCP 測量的是水下的流速，與雷達測量的水表面流速不完全是同一個量。最近發(fā)明的低成本漂流浮標(biāo)[10]體積小，可進行實時遙控，在漂流過程中可連續(xù)記錄通過GPS 得到的經(jīng)緯度從而給出沿途的速度信息，在低流速情形下記錄了水表面的流速，可以給特高頻雷達提供間單有效的比對實驗方法。本文介紹比對實驗的方法及數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 測量方法

2.1 特高頻雷達測量

特高頻雷達（型號RiverSonde 100）架設(shè)在東北某江邊，江面寬度約800 米。普通特高頻雷達架設(shè)在地面高度的測量距離在200 米左右。為了增加測量距離，雷達天線架設(shè)在27 米高處，機柜置于地面的機房里，天線與機柜間用50 米長的LMR600 電纜相連接。雷達的中心頻率為435MHz，線性掃頻頻寬ΔfBW=10MHz。距離分辯率由以下公式給出：

在以上的頻寬下距離分辨率為15 米。雷達的脈沖寬度選擇 為Δtp=8.3μs， 相 應(yīng) 的 最 大 測 量 距 離 為 dmax=（1/2）Δtpc=1245m，而有效最大測量距離為740m。多普勒頻譜的掃描周期為128 秒，相應(yīng)的流速分辨率為0.5cm/sec。為了提高信躁比，對頻譜進行平均，每5 分鐘輸出一組數(shù)據(jù)。

2.2 漂流浮標(biāo)測量

漂流浮標(biāo)用船只投放，投放點離雷達天線沿江距離為大約1000 米，漂至天線另一面距離1000 米處撈起。共5 只浮標(biāo)用來做比對實驗，浮標(biāo)離江岸的距離從幾十米到幾百米不等。浮標(biāo)的GPS 位置每秒自動紀(jì)錄，浮標(biāo)的南北，東西流速分量利用100秒內(nèi)的數(shù)據(jù)點通過最小二乘方求得：

其中θLon，θLat分別為經(jīng)、緯度以弧度為單位，Re為地球半徑。由于距離較小，以上為很好的近似。

3 測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)比對

由于潮汐效應(yīng)，測量江面的流向在一部分時間為逆流。在比對實驗中，一共進行了三組測量，一組在逆流時段，兩組在順流時段。漂流時間在21～34 分鐘之間。

圖1 漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)

圖1 顯示了漂流浮標(biāo)的實測數(shù)據(jù)，其中粗線表示江岸線，右上角顯示江流有一岔道。江中的實線代表逆流期間的數(shù)據(jù)，虛線和點虛線為順流時段的數(shù)據(jù)。黑實線代表的浮標(biāo)在漂流過程中被重新放置一次以避免其漂入支流。由圖可見順流的軌跡與江岸基本平行而逆流的軌跡受支流影響較大。

圖2 徑向流速數(shù)據(jù)

圖2 顯示其中的一組徑向流速的數(shù)據(jù)。圖中各矢量的原點為雷達天線的位置。矢量方向為徑向流速的方向，長度代表流速的大小。顯然在垂直江岸線的方向，徑向流速接近于零。該數(shù)據(jù)文件每5 分鐘生成一個，由經(jīng)過平均后的頻譜進行指向性分析后生成。

在特高頻雷達的正常應(yīng)用中，一般需要的測量量為江面垂直于江岸方向的流速分布。在安裝過程中需考慮安裝點處幾百米距離內(nèi)江岸線是平行的，這樣可以保證流向與江岸平行。在數(shù)據(jù)分析中畫出長邊與江岸平行的矩形，將矩形內(nèi)的徑向矢量進行平行及垂直于江岸方向的反投影的最小二乘方分析，從而得到該點的流速。

由于單臺特高頻雷達測量的原始數(shù)據(jù)為徑向流速，測量流場需要兩臺或兩臺以上的雷達。在本實驗中只有單臺雷達，因此只有徑向流速的生成。在該文中作數(shù)據(jù)比較時只用了順流漂流測量的數(shù)據(jù)，這樣在用特高頻雷達數(shù)據(jù)時，對每一個測量的徑向流矢量元，只需要進行對沿江岸方向的反投影便可與浮標(biāo)數(shù)據(jù)進行直接比較。

圖3 漂流浮標(biāo)（紅色）于特高頻雷達（藍色）流速對比（a）及兩者的差值（b）

實驗數(shù)據(jù)的對比從浮標(biāo)的位置信息開始，每30 秒的數(shù)據(jù)由式（4）和式（5）計算出速度。根據(jù)浮標(biāo)在此位置的時間而確定用哪一個徑向流速的文件，在徑向流速的文件中找出離此位置10米內(nèi)的所有徑向流速矢量，將這些流速矢量反投影到平行江岸線的方向，再取平均值。按照此方式算出的所有浮標(biāo)流速值及特高頻雷達流速值由圖3 顯示。由圖可知流速值的標(biāo)準(zhǔn)誤差在0.13m/s，說明在小尺度下流速并不穩(wěn)定。另外浮標(biāo)所測流速值與特高頻雷達所測值在標(biāo)準(zhǔn)錯差之類吻合良好。圖3 橫軸的中點接近于雷達天線的位置，在天線的下游吻合度稍差，可能是因為支流的效應(yīng)。圖3 的插圖顯示天線上游段流速值差的數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)得出流速差為0.08±0.01m/s。

4 結(jié)論

利用新反明的低成本漂流浮標(biāo)，我們進行了特高頻雷達的一種新比對實驗。由于成本的低廉，該方法簡單易行。比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果的差值為0.08±0.01m/s。作為后續(xù)工作，可利用兩臺特高頻雷達測量兩維流場，也可以在近海進行測量。