雷達(dá)技術(shù)在水文測驗上的應(yīng)用

李 忱 ，王志毅 ，張 越

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，江蘇 南京 210039；（2. 水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

經(jīng)過 100 多 a 的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)在理論、體制、實現(xiàn)方法及技術(shù)應(yīng)用等方面都已取得很大的進(jìn)展[1]。雷達(dá)應(yīng)用于氣象探測已經(jīng)超過 50 a，但在水文測驗中的應(yīng)用只有 10 余 a 的歷史[2]。水文測驗已經(jīng)有數(shù)千年的歷史[3]，主要是快速準(zhǔn)確地觀測與河流流量有關(guān)的降雨、水位、流速（流量）、斷面等參量，近年來，利用雷達(dá)實現(xiàn)水文測驗成為研究熱點。各種頻率下運行的天基、空基、地基雷達(dá)可用于觀測降雨，測量地表水的范圍、深度、流速、流量，還可探測土壤濕度、冰厚和地下水位。相比傳統(tǒng)的觀測儀器設(shè)備，雷達(dá)更容易實現(xiàn)高可靠、全天候、長時間、快速、連續(xù)工作及無人值守，投入資金相對較少，測驗結(jié)果不容易受人為因素影響。隨著雷達(dá)在水文測驗應(yīng)用的不斷深入，新的觀察結(jié)果及海量數(shù)據(jù)將影響新的水文理論、公式和基本理解。

2015 年，HONG 等[4]提出雷達(dá)水文應(yīng)用的概念，重點研究雷達(dá)定量測量降雨。ZHANG[5]193在雙偏振天氣雷達(dá)定量測量降雨方面做了大量研究，指出雙偏振天氣雷達(dá)能提高降雨量測量的準(zhǔn)確性。牛睿平等[6]1設(shè)計了一種采用脈沖體制的雷達(dá)水位計。齊國清[7]58設(shè)計了利用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)測量相位變化的高精度液位測量雷達(dá)。文必洋等[8]提出采用超高頻雷達(dá)測量河流表面流速并計算得到流量。這些雷達(dá)技術(shù)從水文測驗的特點出發(fā)，豐富了雷達(dá)水文應(yīng)用的概念和內(nèi)涵，已經(jīng)成為近年來民用雷達(dá)的研究熱點，因此回顧雷達(dá)技術(shù)在水文測驗應(yīng)用方面取得的科學(xué)成就，有利于后續(xù)研究的發(fā)展。

1 雷達(dá)水文應(yīng)用基本概念

1.1 雷達(dá)水文應(yīng)用的內(nèi)涵

雷達(dá)技術(shù)在水文測驗中發(fā)展十分迅速，短短10 余 a 已經(jīng)形成以雷達(dá)作為探測工具研究水文的一門學(xué)科，主要研究利用雷達(dá)技術(shù)觀測水循環(huán)中各種變量和變化過程，形成對水文學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響的測驗和預(yù)報能力。

1970 年初，Barrick 等[9]提出水表面的一階和二階散射截面方程，為雷達(dá)探測海洋表面狀態(tài)建立了堅實的理論基礎(chǔ)，后來該理論推廣到河流表面狀態(tài)的研究中，成為雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于水文測驗的基礎(chǔ)理論的一部分。在水文循環(huán)中，降雨、蒸發(fā)、地表徑流等均可以利用雷達(dá)進(jìn)行測量，不同的微波頻段在水文測驗中有著不同的應(yīng)用，依據(jù)的原理不盡相同。各種微波頻段可能測量的水文參量如表 1 所示。

1.2 水文雷達(dá)的品種

根據(jù)設(shè)備搭載的觀測平臺不同，雷達(dá)分為以下3 種：

表1 不同微波頻段在水文測驗中的應(yīng)用

1）星載雷達(dá)。衛(wèi)星搭載的雷達(dá)主要是合成孔徑雷達(dá)（SAR），通過成像處理獲取河流水面寬度、水面流速、土壤墑情等[10]。典型產(chǎn)品有：歐洲遙感衛(wèi)星（ERS），C 波段工作，分辨率為 25 m；加拿大的 RadarSat，C 波段工作，分辨率為 8～100 m；美國的 AirSAR，采用干涉合成孔徑雷達(dá)工作方式（InSAR），C 波段工作，分辨率為 13 m。

2）機(jī)載雷達(dá)。機(jī)載雷達(dá)水文監(jiān)測同樣利用SAR 技術(shù)完成，近年來無人機(jī)廣泛應(yīng)用，在水文測驗中的應(yīng)用也在增多。最著名的是美國的無人駕駛飛行器合成孔徑雷達(dá)（UAVSAR），UAVSAR 采用InSAR 技術(shù)，是一種用于研究地震、火山、植被、水文和其他特征的機(jī)載雷達(dá)。也有將地基雷達(dá)直接安裝在飛機(jī)上進(jìn)行機(jī)載水文測驗[11]，這種做法實際上并沒有改造雷達(dá)。

3）地基雷達(dá)。地基雷達(dá)與星載和機(jī)載雷達(dá)相比，具有造價低、測量精度高和全天候工作的優(yōu)點，技術(shù)發(fā)展迅速，品種也在不斷增加。地基水文雷達(dá)可依據(jù)所用的頻段、探測信號形式、信息獲取方式等劃分品種，也可根據(jù)雷達(dá)探測的目標(biāo)進(jìn)行分類。目前地基水文雷達(dá)主要有以下 4 類：

a. 雨量雷達(dá)。利用雷達(dá)進(jìn)行降雨觀測，估計影響地面徑流的降雨量。氣象部門一般采用作用距離比較遠(yuǎn)的 S 或 C 波段雷達(dá)，估計降雨量是其中的一個功能；水文部門則更傾向于采用專用雷達(dá)實現(xiàn)定量降雨觀測，多采用 X 波段雷達(dá)。

b. 水位雷達(dá)。利用雷達(dá)進(jìn)行水位測量，早期多采用 X 波段，目前采用 24 GHz 的較多，35 和 77 GHz也有應(yīng)用。一般來說，頻率越高，精度越高。

c. 流速雷達(dá)。通過測量河流表面的多普勒速度獲取表面流速，有獲取河流表面某一點流速的雷達(dá)，也有獲取一個斷面表面流速的雷達(dá)，并能獲取河流表面流場。

d. 探地雷達(dá)（GPR）。探地雷達(dá)可用來測量河流斷面及冰厚，也可測量地下水位，估計土壤含水量等。估計土壤含水量的方法很多，傳統(tǒng)方法有烘干法、時域反射法（TDR）、頻域分解法（FDR）等[12]，獲得的是小尺度數(shù)據(jù)；衛(wèi)星遙感則屬于大尺度方法，分辨率較低。探地雷達(dá)作為一種中尺度估計土壤含水量的方法，越來越受到水文學(xué)家的重視。應(yīng)用探地雷達(dá)估計土壤含水量的方法主要有反射波法、地面波法、地表反射系數(shù)法、鉆孔雷達(dá)等[13]。隨著探地雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，速度測量精度提高，模型反演得到的介電常數(shù)和含水量估計的準(zhǔn)確度也在提高，前景廣闊。

目前雨量、水位、流速 3 種水文雷達(dá)已經(jīng)有進(jìn)入實際應(yīng)用的產(chǎn)品。地基雷達(dá)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，表 1 中各頻率雷達(dá)都將應(yīng)用在水文測驗中，新的雷達(dá)品種也將不斷出現(xiàn)。

1.3 雷達(dá)應(yīng)用于水文的優(yōu)勢與不足

在水文測驗方面，雷達(dá)技術(shù)與其他技術(shù)相比，優(yōu)勢體現(xiàn)在以下 3 個方面：

1）提供大數(shù)據(jù)分析方法。無論是雨量雷達(dá)還是流速、探地雷達(dá)，在測量的時間和空間密度上都較傳統(tǒng)的水文測驗方式有巨大進(jìn)步。

a. 在降雨量觀測方面。傳統(tǒng)方法采用地面雨量站網(wǎng)完成空間采樣。如果用雷達(dá)采樣，按照 150 m距離和 1° 方位等分辨率考慮，1 臺掃描半徑為 150 km雷達(dá)的作用，約相當(dāng)于 25 萬個雨量計同時采集數(shù)據(jù)（當(dāng)然雨量資料的準(zhǔn)確性有差別），雷達(dá)監(jiān)測降雨信息更加豐富，能觀測到雨帶的分布和移動，易于做出短臨預(yù)報等。

b. 在河流流速測量方面。傳統(tǒng)方法采用纜道、測船測流，每次測量的耗時以小時計，由于需要人工操作，測次少，測流成本高；采用水位-流量關(guān)系曲線查詢流量，數(shù)據(jù)實時性差，對關(guān)系穩(wěn)定的依賴性強(qiáng)。采用流速雷達(dá)則可在幾分鐘內(nèi)完成一個斷面的表面流速數(shù)據(jù)的采集，而且完全無人值守，不受天氣影響。

這些方法的變革，一方面能獲得海量的實時數(shù)據(jù)，另一方面還能得到目標(biāo)變化動態(tài)過程中的高時間空間分辨率數(shù)據(jù)，使得大數(shù)據(jù)分析方法和多維數(shù)據(jù)提取成為可能，為使用大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。

2）提高可靠性與安全性。雷達(dá)測量是非接觸式測量，人員和設(shè)備均不必涉水測量。人員不涉水，有利于人員的安全，特別是在高洪期和應(yīng)急狀態(tài)時，能保障操作人員的人身安全，在界河的流量測量時，雷達(dá)測量更顯示出其他測量手段無法比擬的優(yōu)勢；設(shè)備不涉水，測量過程不會影響船舶航行，能適應(yīng)低水位或者季節(jié)性河道測量，不受含沙量、漂浮物影響，測量設(shè)備不易損壞，并且測量過程不改變被測目標(biāo)的形態(tài)，這樣獲取的數(shù)據(jù)可信度更高。雷達(dá)測量是同時照射到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)，同時獲取各距離上的目標(biāo)參數(shù)，因此各點的數(shù)據(jù)在時間上同步，能夠反映出某一時刻在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)態(tài)勢狀態(tài)。

3）優(yōu)化業(yè)務(wù)流程。應(yīng)用雷達(dá)完成水文測驗，可極大地減輕水文站測驗的工作量，將水文站的主要工作由繁重的測驗勞動轉(zhuǎn)為對數(shù)據(jù)的分析處理，將優(yōu)化水文站的業(yè)務(wù)流程。

雷達(dá)在水文測驗方面的不足之處主要表現(xiàn)在：雷達(dá)發(fā)射的電磁波在水中衰減較大，對于河流測驗只能獲取表面流速，還需要建立復(fù)雜的水文模型，才能得到流量。另外，河流測驗時雷達(dá)探測需要錄取一定時間長度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行積累才能進(jìn)行處理，而且雷達(dá)波束有寬度，因此雷達(dá)獲得的是一段時間內(nèi)一定面積中的目標(biāo)特征統(tǒng)計值，這與目前的流量測驗規(guī)范有很大的不同。

2 雨量測量

水文測驗一直對雨情監(jiān)測和降雨預(yù)報有強(qiáng)烈的需求，可以為防洪、城市積水等提供預(yù)警時間，從而降低災(zāi)害影響。中國氣象局在全國建設(shè)了由 216 部新一代天氣雷達(dá)組成的觀測網(wǎng)，可以獲取大面積降雨分布。天氣雷達(dá)定量降雨估計（QPE）的發(fā)展歷史比較長，但用于水文測驗則是近年來的熱點[14]。水文部門對降雨量的測量精度和落點準(zhǔn)確度要求很高，目前氣象部門要求雷達(dá)得到的回波強(qiáng)度誤差為1 dB，這在降雨量上誤差就會達(dá)到 15% 左右。

2.1 雨量雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)降雨估計是對降雨量的間接測量，受云及其特性影響較明顯，需要利用雨滴譜儀、雨量計或其他設(shè)備進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。隨著距離的增加，雷達(dá)波束高度、大氣衰減、氣象目標(biāo)的波束充塞程度都在變化，QPE 的不確定性也隨之增加，因此對雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定和結(jié)果訂正是雨量雷達(dá)能夠滿足水文使用要求的重要方面。雨量雷達(dá)技術(shù)大致分為模型法和統(tǒng)計法 2 類，模型法主要依賴于降雨的物理模型，統(tǒng)計法是利用雨量計觀測值的反饋導(dǎo)出結(jié)果。

2.1.1 模型法

雨滴的尺寸分布和形狀是推導(dǎo)基于物理模型的降雨量算法的基本要素?；谟甑畏植寄Ｐ鸵验_發(fā)了多種用雷達(dá)測量值估計降雨的算法，最簡單的一種算法是Z-R關(guān)系，即直接根據(jù)反射率因子 Z 的值估計降雨強(qiáng)度R，公式如下：

式中：α和β是常數(shù)系數(shù)。美國 WSR-88D 雷達(dá)所使用的Z-R關(guān)系有[5]194：Z= 300R1.4（對流降雨）；Z=200R1.6（夏季層狀雨）；Z= 250R1.2（熱帶雨）；Z=130R2.0（美國東部冬季層狀降雨）；Z= 75R2.0（美國西部冬季層狀降雨）。

據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)在已有 200 個以上Z-R關(guān)系，太多的關(guān)系就意味著沒有關(guān)系，這種方法很難準(zhǔn)確定量估計降雨[5]194。由于單偏振氣象雷達(dá)效果有限，現(xiàn)在更多采用雙偏振雷達(dá)。在降雨估計中，最常用的偏振測量值是Z、差分反射率因子Zdr及比差分相位Kdp。

雙偏振雷達(dá)降雨估計算法可大致歸納為 3 類，即R（Z，Zdr），R（Kdp）和R（Kdp，Zdr）。基于反射率的算法需要獲得精確的雷達(dá)常數(shù)信息，這會由于絕對標(biāo)定時的誤差而產(chǎn)生偏差。Zdr是相對值，可以不受系統(tǒng)絕對標(biāo)定誤差的影響，但是，利用它進(jìn)行降雨估計則需要結(jié)合Z或Kdp使用。

氣象水文學(xué)家們對雙偏振雷達(dá) QPE 的物理法進(jìn)行了研究[15]。利用雙偏振技術(shù)可以非常容易地區(qū)分降雨類型，應(yīng)用時選擇降雨估計算法的種類很重要。雙偏振雷達(dá)得到更多信息，更能反映降雨的微物理特征，同時雙偏振雷達(dá)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量更好。ZHANG[5]197給出同一雷達(dá)采用單偏振與雙偏振參數(shù)時 QPE 估計結(jié)果的對比，可以看到雙偏振雷達(dá)的結(jié)果準(zhǔn)確性更好，相關(guān)性從 0.70～0.80 提高到 0.97～0.98，方差也降低到 2.01 和 1.67 mm/h。采用雙偏振技術(shù)設(shè)計雨量雷達(dá)已經(jīng)成為共識。

2.1.2 統(tǒng)計法

統(tǒng)計法是利用雷達(dá)數(shù)據(jù)及雨量計的反饋值得到降雨率或累積降雨量的最優(yōu)估計值，主要有以下2 種技術(shù)[16]：

1）概率匹配法（PMM）。PMM 是推導(dǎo)雷達(dá)測量值與地面降雨率平均關(guān)系的一種統(tǒng)計方法。通過對R和Z的累積分布函數(shù)進(jìn)行匹配，得到一個Z-R關(guān)系。只要使用相同的雷達(dá)和雨量計估算R-H(Z)關(guān)系，就可以得到一致的結(jié)果。顯然，概率匹配法也可以應(yīng)用在雙偏振雷達(dá)的測量上。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降雨率算法?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的工程方法發(fā)展至今就是基于人工智能（AI）的工程方法。地面上的降雨通常與空中降雨的 4 維結(jié)構(gòu)（即 3 維空間和時間）有關(guān)，理論上存在一個降雨率與雷達(dá)空中 4 維觀測結(jié)果之間的函數(shù)關(guān)系，通過大樣本數(shù)據(jù)集的機(jī)器學(xué)習(xí)，可以得到用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述的雷達(dá)觀測值與地面降雨率觀測值之間函數(shù)的近似關(guān)系。

統(tǒng)計法所關(guān)心的主要是對地面降雨的精確估計，它以雨量計某種形式的反饋值為基礎(chǔ)，通過簡單的調(diào)整算法系數(shù)實現(xiàn)，或通過推導(dǎo)一個非參數(shù)Z-R關(guān)系實現(xiàn)，或訓(xùn)練一個復(fù)雜的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。采用反饋機(jī)制后，降雨估計是無偏的。但是，當(dāng)關(guān)注的是單場暴風(fēng)雨組成的降雨，或需要進(jìn)行短時降雨估計（如強(qiáng)降雨可能導(dǎo)致山洪暴發(fā)）時，使用模型法的效果可能是最好的?，F(xiàn)在更多的算法是將模型法與統(tǒng)計法相結(jié)合，以期獲得好的效果。

2.2 雨量雷達(dá)波段

傳統(tǒng)的 S 和 C 波段天氣雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)，成本高，在探測遠(yuǎn)距離的近地面降雨時效果難以滿足使用要求，于是采用 X 波段雷達(dá)。世界上有幾個小組開展了 X 波段氣象雷達(dá) QPE 應(yīng)用，其中最著名的是美國的 CASA（協(xié)同自適應(yīng)傳感網(wǎng)絡(luò)）計劃，用低成本、低功耗、短程的 X 波段雷達(dá)探測 30 km 半徑內(nèi)的降雨，多臺 X 波段協(xié)同觀測，研究復(fù)雜地形下的熱帶降雨及由此引發(fā)的洪水和山體滑坡[17]。日本于 2003 年開始在東京周圍建設(shè)由 8 部 X 波段雷達(dá)組成的監(jiān)測網(wǎng)；比利時將布設(shè)在魯汶的 X 波段雷達(dá)監(jiān)測信息與地面雨量計觀測資料結(jié)合，修正雷達(dá)估測降雨，并輸入排水模型，拓展了 X 波段雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域。我國研制了由 4 部 X 波段雙偏振雷達(dá)組成的網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)，實現(xiàn)了對重點關(guān)注區(qū)域更高時空分辨率的觀測[18]；水文部門則在大理等地區(qū)使用 X 波段雨量雷達(dá)構(gòu)建了高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)（PRS-11 系統(tǒng)），并進(jìn)行了長時間的試驗[19-20]，觀測結(jié)果如下：雨量雷達(dá)測量數(shù)據(jù)與自動雨量站的數(shù)據(jù)在整體趨勢上保持一致，在單場次累計雨量超過10 mm 的情況下，雙方數(shù)據(jù)對比誤差約為 20%。X波段雷達(dá)必須進(jìn)行降雨估計衰減訂正，雙偏振雷達(dá)則可以通過比差分相移進(jìn)行衰減訂正。

國際上還有采用船用雷達(dá)改造成雨量雷達(dá)獲取降雨量的產(chǎn)品，LAWR 系列是最著名的產(chǎn)品之一。由于 X 波段雷達(dá)的雨衰較大，因此 LAWR 使用不同的校準(zhǔn)方法[21]。

3 水位測量

水位測量雷達(dá)又稱雷達(dá)水位計，通過發(fā)射到水面的雷達(dá)射頻信號對水位進(jìn)行測量。由于雷達(dá)與水面有一定距離，因此不受水中溫度梯度、污染物及沉淀物的影響，測量結(jié)果準(zhǔn)確，并且無需定期校正，使用簡單方便。

早期雷達(dá)水位計多采用 X 波段，體積和重量都較大，現(xiàn)在多采用 24，35 和 77 GHz 的產(chǎn)品。雷達(dá)水位計采用脈沖或調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）2 種體制。FMCW 雷達(dá)通過發(fā)射頻率調(diào)制的連續(xù)波信號從回波信號中提取目標(biāo)距離信息，具有距離分辨率高，發(fā)射功率小，便于集成化等優(yōu)點，適合用于水位測量。FMCW 雷達(dá)的頻率調(diào)制方式有多種，雷達(dá)水位計多采用線性調(diào)頻（LFMCW），線性調(diào)頻方式適合于用 FFT（快速傅里葉變換）算法測量頻率。

水文測驗要求水位測量距離最大到 100 m，水位變幅為 10 m 時，水位測量精度要達(dá)到 2 cm 以內(nèi)，分辨力達(dá)到 1 mm 或 1 cm。由于測量精度要求較高，因此對雷達(dá)的頻率穩(wěn)定度和線性度要求極高，并且必須具有較寬的帶寬。

直接根據(jù) FFT 得到的離散頻譜峰值測量距離的分辨力取決于掃頻帶寬，例如信號帶寬為 1 GHz，則對應(yīng)的距離分辨力為 15 cm。為提高距離測量精度使之滿足水位測量要求，需要在不改變掃頻重復(fù)周期的前提下，提高頻率估計精度才能提高距離測量精度。頻率插值和細(xì)化方法可以在一定程度上提高FFT 的頻率估計精度，但需要很高的信噪比。利用FMCW 雷達(dá)差拍信號的 FFT 在最大譜線處的相位實現(xiàn)頻率（距離）高精度估計是一種有效的方法[7]58。差拍信號的 FFT 幅度最大處的相位隨距離變化，因此可以提高頻率（距離）估計精度?？紤]到 FFT 相位測量的 2 π 模糊問題，可利用分段 FFT 的相位差消除相位測量模糊。距離估計誤差 1 mm 對應(yīng)的相位測量誤差約為 24°，因此利用這種方法很容易達(dá)到距離估計精度在 1 mm 之內(nèi)。以此為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了多種改進(jìn)的方法，如采用粗估計加精估計的三譜線合理結(jié)合算法等[22]。

工作在脈沖體制的雷達(dá)水位計采用納秒級窄脈沖工作模式[6]1，通過雷達(dá)天線向水面發(fā)射脈沖，收到水面反射回波后，比較發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差，得到水面距離信息。主要技術(shù)難點在于對窄脈沖信號的調(diào)制并發(fā)射，以及形成兩路具有穩(wěn)定頻差的脈沖信號，發(fā)射脈寬一般為 2～3 ns，游標(biāo)脈沖與發(fā)射脈沖的頻差一般在幾赫茲到幾十赫茲左右。

4 流量測量

河流的實時流量是水文、水資源管理及水利工程中最重要的資料。受天氣條件、測驗手段、測驗安全性、測流歷時等限制，流量測驗一直是當(dāng)今水文測驗的難點?；谒?流量關(guān)系曲線獲取流量，在 20 世紀(jì)應(yīng)用廣泛，但由于水位-流量關(guān)系曲線大都缺乏高水位時的流量資料，因此這種方式很難得到滿意的流量精度，而高水位流量資料往往是最受關(guān)注的。雷達(dá)作為一種非接觸式測流技術(shù)，近幾年在河流流速測量方面進(jìn)行了大量應(yīng)用，主要目的是解決惡劣天氣、高水位、復(fù)雜水體、應(yīng)急監(jiān)測等特殊情況下的流量測驗問題[23]1。流速測量雷達(dá)主要有點流速測量和側(cè)掃測流 2 種雷達(dá)，這 2 種雷達(dá)都是獲取河流表面流速，再根據(jù)水文模型反演出流量的。

4.1 點流速測量雷達(dá)

國內(nèi)外生產(chǎn)的點流速測量雷達(dá)，常稱為電波流速儀。電波流速儀對安裝位置要求較高，需要借助橋梁或者懸臂支架安裝在水面上方，以獲取最大的多普勒速度。由于電波流速儀只能獲得單點流速數(shù)據(jù)，如果河面較寬，需采用多個電波流速儀沿河斷面布置同時工作。

電波流速儀通過解析多普勒頻移與相對速度之間的關(guān)系，測量流體表面流速，并可測出流向的正反。將電波流速儀與雷達(dá)水位計相結(jié)合，即成為雷達(dá)流量計。雷達(dá)流量計獲得表面流速及水位高度后，對于規(guī)則的渠道斷面，運用常規(guī)數(shù)學(xué)公式計算得到流量結(jié)果；對于不規(guī)則河道斷面，運用描點法和微積分計算得到流量結(jié)果。

目前電波流速儀多采用 24 GHz 頻率，也有采用 35 和 77 GHz 頻率的產(chǎn)品，最小可監(jiān)測 0.1 m/s 的表面流速。具有代表性的是 RQ-24 和 30 非接觸式流量計，它們在歐洲廣泛使用，在中國也有大量應(yīng)用。美國的手持式雷達(dá)電波流速儀（SVR），因其良好的準(zhǔn)確性和簡易的操作性而在國內(nèi)外河流測速中廣泛使用。但由于工作頻率高，出于成本考慮，目前市場上的電波流速儀設(shè)計相對簡單，較少增加雨譜剔除及雨衰補償?shù)却胧?，所以在有大雨時，測速性能受較大影響。

4.2 側(cè)掃測流雷達(dá)

側(cè)掃測流雷達(dá)安裝在河岸上，從水流方向的側(cè)面獲取河流表面斷面線的分段流速，也可先得到水面的流場分布，再處理得出河流表面斷面線的分段流速。一般以 5～40 m 作為分段，與機(jī)械式流速儀不同的是，側(cè)掃測流雷達(dá)獲取的是分段距離內(nèi)的平均流速，而不是某一點的流速。側(cè)掃測流雷達(dá)架設(shè)簡單，可連續(xù)自動測驗河流表面流速，使傳統(tǒng)技術(shù)難以完成的洪水?dāng)y帶漂浮物、淺灘過水、河面結(jié)冰等高難度的流量測驗任務(wù)變得簡單易行。側(cè)掃測流雷達(dá)的工作頻率一般選擇在 UHF 頻段，天氣變化對雷達(dá)的探測性能影響小，雨衰可以忽略，因此可以認(rèn)為雷達(dá)是全天候工作。

國內(nèi)最早開展側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)研究的是武漢大學(xué)[24]，美國某公司將此技術(shù)商品化，在我國進(jìn)行了推廣[25]1[26]。第 1 個通過水利部鑒定的側(cè)掃測流雷達(dá)設(shè)備[23]6正在推廣應(yīng)用中。

4.3 斷面測量雷達(dá)

完成一條河流的斷面流量測量，必須測量斷面的橫截面幾何形狀，一般需要測量河兩岸 20～30 點的深度，再連接得到斷面。斷面幾何形狀測量，可以使用超聲波測深儀，也可采用探地雷達(dá)完成[25]2。

探地雷達(dá) GPR 向地面發(fā)射電磁脈沖，接收從具有不同介電特性材料的界面反射回來的回波，再通過處理，獲取橫截面數(shù)據(jù)。GPR 一般需要將天線懸浮在水面上方移動。從文獻(xiàn)報道的試驗結(jié)果看，GPR 探測河流截面存在探測深度不足，圖像識別難度大，無法識別河流邊緣的陡峭堤岸，側(cè)向反射干擾強(qiáng)，以及橋梁支撐或甲板等大型金屬物體的反射干擾等問題[25]3，解決這些技術(shù)問題需要更多的試驗和新的處理方法。

5 總結(jié)與展望

近幾年來，雷達(dá)應(yīng)用于水文測驗的研究工作取得了實質(zhì)性進(jìn)展，已有多種產(chǎn)品進(jìn)入實際使用，但大范圍應(yīng)用推廣仍有較大的改進(jìn)空間。在水文測驗中，理論研究成果到實際系統(tǒng)應(yīng)用還有很大距離，雷達(dá)有更多更廣闊的空間可以發(fā)揮作用。

5.1 新型產(chǎn)品研制

雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在測量降雨量、水位、表面流速等方面有了較多應(yīng)用，但在其他方面的應(yīng)用還有待開發(fā)。除了探地雷達(dá)測量河流斷面外，還可利用地面雷達(dá)實現(xiàn)冰下流速、雪深測量等。利用雷達(dá)衛(wèi)星遙感測量河水含沙量、地表土壤含水率、蒸發(fā)量等，則是水文測驗內(nèi)容的進(jìn)一步擴(kuò)充。這些新產(chǎn)品的需求量巨大，尚有多個技術(shù)瓶頸問題要解決。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、試驗條件的改善，以及國內(nèi)外研究應(yīng)用經(jīng)驗的不斷積累，雷達(dá)測量將成為水文測驗中一種更加有效的手段。

5.2 新技術(shù)應(yīng)用

雷達(dá)技術(shù)本身一直在不斷發(fā)展，將新的雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到水文測驗上，對于拓展雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于水文測驗的理論和實踐有著巨大意義。相控陣、多輸入多輸出（MIMO）、超視距、量子探測、太赫茲等技術(shù)都有可能在水文測驗領(lǐng)域中顯露身手：目前對于超寬河面的流量測驗還是采用人工方法，將相控陣和超視距技術(shù)融合起來，就可利用雷達(dá)完成超寬河面或者湖泊的流速、流向及流量的測量；量子探測、太赫茲等新技術(shù)，可以將非接觸測量技術(shù)推廣到水文測驗中進(jìn)行物理和化學(xué)特性的監(jiān)測；將雷達(dá)技術(shù)與人工智能信息技術(shù)結(jié)合，在電磁頻譜上形成水文信息感知的微波視覺，將帶動多產(chǎn)業(yè)-應(yīng)用的發(fā)展。

5.3 目標(biāo)特性分析

雷達(dá)目標(biāo)特性是雷達(dá)探測獲取目標(biāo)信息的基礎(chǔ)，同時對雷達(dá)設(shè)計具有很大的現(xiàn)實指導(dǎo)價值。利用雷達(dá)測量水文中各種目標(biāo)，雷達(dá)信號與目標(biāo)相互作用機(jī)理，不同目標(biāo)對微波信號的調(diào)制作用及衰減，對這些內(nèi)容的研究是目標(biāo)探測與識別的理論基礎(chǔ)。因此，在開發(fā)新的技術(shù)或產(chǎn)品時，水文目標(biāo)散射特性研究是相關(guān)技術(shù)研究探索過程中必不可少的重要內(nèi)容。

5.4 接口分析

雷達(dá)對目標(biāo)的探測、測量和成像，獲取時間短，得到目標(biāo)變化過程的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以說是一種微觀信息。傳統(tǒng)水文應(yīng)用的重點在水資源分配和抗洪防災(zāi)等方面，可以說是一種宏觀物理量信息。研究雷達(dá)獲取的微觀信息與宏觀物理量信息之間的對應(yīng)，以及如何將宏觀問題轉(zhuǎn)化為微觀問題來解決，即微觀雷達(dá)操控與宏觀探測應(yīng)用的接口是雷達(dá)技術(shù)走向水文測驗實際應(yīng)用需要解決的一個重要問題。此外，由于雷達(dá)探測獲取的是目標(biāo)的統(tǒng)計信息，而水文延續(xù)千年的是精確測量，這二者的處理結(jié)果如何統(tǒng)一，也是一項具有很大挑戰(zhàn)的工作。

這幾個方面的基本問題，具有重要的學(xué)術(shù)研究價值，如有突破將對雷達(dá)技術(shù)在水文測驗中的發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用。總體來說，雷達(dá)技術(shù)將給傳統(tǒng)水文測驗技術(shù)帶來新的、跨越式的發(fā)展。