非接觸式冰厚和水位一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置研發(fā)

張寶森 李春江 崔海濤

摘 要：為解決冬季結(jié)冰河道冰厚和水位一體化連續(xù)監(jiān)測難的問題，研發(fā)了非接觸式冰厚和水位一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置。該裝置主要由空氣耦合雷達(dá)、環(huán)境溫度傳感器、水面/冰面溫度傳感器、高清紅外夜視儀、避雷器、GPS模塊、遠(yuǎn)程開關(guān)控制和遙測模塊、太陽能和風(fēng)力供電互補(bǔ)系統(tǒng)、硅能電池、超長橫桿和三角鋼架等組成。集成后的裝置可監(jiān)測冰厚、水位、環(huán)境溫度和冰面/水面溫度等相關(guān)參數(shù)及全天候的視頻圖像數(shù)據(jù)，通過采用4G模塊將數(shù)據(jù)回傳至控制中心并自動解譯雷達(dá)圖譜。該裝置已安裝應(yīng)用于黃河內(nèi)蒙古托克托縣什四份險(xiǎn)工彎道處，完整監(jiān)測了2019—2020年度凌汛期冰厚和水位變化過程，采集了大量的溫度和凌汛視頻圖像數(shù)據(jù)。該裝置為冰期水文遠(yuǎn)程非接觸式監(jiān)測提供了新的模式和技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全年無人值守智能監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：冰厚;水位;空氣耦合雷達(dá);一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測;黃河

Abstract：In order to solve the problem of continuous monitoring of ice thickness and water level in frozen river in winter， a non-contact remote monitoring device for ice thickness and water level was developed. It was mainly composed of air-coupled radar measuring ice thickness， ambient temperature sensor， water surface or ice surface temperature sensor， high-definition infrared night vision instrument， lightning arrester， GPS module， remote switch control and telemetry module， solar and wind power supply complementary system， silicon energy battery， super long crossbar and triangular steel frame. The integrated device could monitor the ice thickness， water level， ambient temperature， ice surface or water surface temperature and other relevant parameters， as well as the video image data of the whole day. By using 4G module， the data could be sent back to the control center and the radar atlas could be automatically interpreted. At present， the equipment has been installed and applied in Shisifen section of the Yellow River in Tuoketuo County of Inner Mongolia. It had completely monitored the ice thickness and water level change process of the bend during the ice flood period from 2019 to 2020 and also collected a large number of temperature and ice flood video data. The equipment has provided a new model and technology for remote non-contact monitoring of hydrology during ice period and realized unattended intelligent monitoring.

Key words： ice thickness; water level; air-coupled radar; integrated remote monitoring;Yellow River

1 技術(shù)背景

黃河寧蒙河段防凌形勢嚴(yán)峻，冰凌災(zāi)害給兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失，防凌減災(zāi)研究勢在必行。野外原型觀測是開展各種防凌減災(zāi)研究的基礎(chǔ)，可為冰凌災(zāi)害評估提供技術(shù)保證，為室內(nèi)物理模型研究提供原型參照，為數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。黃河內(nèi)蒙古段冰情野外原型觀測技術(shù)和設(shè)備相對落后，觀測次數(shù)及斷面少，實(shí)時性較差，智能無人值守程度低，存在原始數(shù)據(jù)不連續(xù)、不全面等問題[1-4]。目前，用于黃河主河道冬季結(jié)冰期的氣介自動水位計(jì)[5]可實(shí)現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程自動監(jiān)測，但不能監(jiān)測冰厚。監(jiān)測冰厚的設(shè)備主要有地面接觸式地質(zhì)雷達(dá)[6-7]、冰水情一體化雙頻雷達(dá)[8]、底面浮筒[9]等接觸式監(jiān)測設(shè)備，但接觸式的監(jiān)測方式僅能在河道穩(wěn)封期進(jìn)行，流凌期和開河期監(jiān)測無法保證人員及設(shè)備安全。

黃河水利科學(xué)研究院研發(fā)的非接觸式冰厚和水位一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置，可以實(shí)現(xiàn)冰厚和水位的一體化連續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以全年全天候監(jiān)測，還可以利用裝置附加的溫度傳感器采集環(huán)境溫度、冰表面溫度及水表面溫度，利用高清紅外夜視儀自動采集河道全天候視頻圖像數(shù)據(jù)。

2 裝置技術(shù)方案

2.1 裝置系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括空氣耦合雷達(dá)（以下簡稱“雷達(dá)”）、高清紅外夜視儀、環(huán)境溫度傳感器、水表面/冰表面溫度傳感器、GPS模塊、4G數(shù)據(jù)傳輸模塊、硅能電池、遠(yuǎn)程開關(guān)控制與遙測模塊、風(fēng)電光電互補(bǔ)控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板等組件，見圖1。

2.2 雷達(dá)

雷達(dá)是該裝置的核心組件，可以非接觸式監(jiān)測冰厚及水表面（無冰情況）/冰表面（有冰情況）距雷達(dá)的距離，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

雷達(dá)硬件主要包括雷達(dá)控制器、脈沖發(fā)射機(jī)、脈沖接收機(jī)和超寬帶天線等，其硬件構(gòu)成和監(jiān)測冰厚、水位的原理見圖2。雷達(dá)工作方式是通過4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，向雷達(dá)發(fā)送采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、疊加次數(shù)和采集間隔時間等參數(shù)指令，雷達(dá)接收指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并回傳雷達(dá)圖譜數(shù)據(jù)。

2.2.1 雷達(dá)控制器

雷達(dá)控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有工作時序并完成以下功能：數(shù)據(jù)接口通信、產(chǎn)生發(fā)射機(jī)觸發(fā)信號、產(chǎn)生接收機(jī)步進(jìn)取樣時鐘和接收機(jī)輸出信號模數(shù)轉(zhuǎn)換等。雷達(dá)控制器電路見圖3。

2.2.2 脈沖發(fā)射機(jī)

毫微秒脈沖信號的產(chǎn)生，采用階躍恢復(fù)二極管（SRD）和雪崩三極管等特種元器件。設(shè)計(jì)出微分結(jié)構(gòu)和Marx級聯(lián)結(jié)構(gòu)等電路結(jié)構(gòu)，提高毫微秒脈沖發(fā)射機(jī)輸出脈沖幅度，使毫微秒脈沖波形前沿滿足雷達(dá)的成像要求。

毫微秒脈沖信號可以由真空氣體開關(guān)器件和固態(tài)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生。真空氣體開關(guān)器件特點(diǎn)是可以產(chǎn)生峰值幅度達(dá)數(shù)千伏的毫微秒脈沖信號，但其脈沖寬度和重復(fù)周期難以控制，并且體積較大。固態(tài)半導(dǎo)體器件（雪崩管和場效應(yīng)管等器件）的特點(diǎn)是脈沖寬度和脈沖重復(fù)周期易于控制。由雪崩三極管和SRD器件構(gòu)成滿足雷達(dá)系統(tǒng)要求的脈沖源電路。

2.2.3 脈沖接收機(jī)

雷達(dá)接收機(jī)受到ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的輸入帶寬和采樣位數(shù)限制，通常采用等效取樣方式重建雷達(dá)回波信號。等效取樣是一種變換取樣，利用接收信號的周期性特點(diǎn)或準(zhǔn)周期性重復(fù)特點(diǎn)，在每個周期內(nèi)僅進(jìn)行一次或若干次取樣，經(jīng)過信號多個重復(fù)周期之后，獲得能夠重建信號一個周期內(nèi)波形的所有樣本。

對于探地雷達(dá)發(fā)射的皮秒或納秒量級脈沖信號，接收機(jī)如果直接對回波信號進(jìn)行采集，將對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求極高，不僅成本很高，而且在信號中心頻率大于400 MHz時實(shí)現(xiàn)難度極大。因此，需要采用等效采樣技術(shù)對信號進(jìn)行降頻處理，降頻后的回波信號為音頻信號。

接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖見圖4。它主要由兩部分組成：一是接收機(jī)前端，保護(hù)接收機(jī)并對輸入回波信號進(jìn)行調(diào)理;二是采樣保持電路。圖4 等效取樣接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖.

2.2.4 超寬帶天線

根據(jù)超寬帶天線技術(shù)現(xiàn)有發(fā)展水平，重點(diǎn)考慮Bow-tie等結(jié)構(gòu)相對簡單、體積較小的天線形式。在理論仿真和實(shí)驗(yàn)測量基礎(chǔ)上，通過綜合對比各類超寬帶天線性能，同時考慮天線體積盡量小，研制出適合該雷達(dá)使用的天線單元。

根據(jù)超寬帶天線理論與技術(shù)，超寬帶雷達(dá)天線的工作帶寬與中心頻率之比不小于1。對于Bow-tie天線及其變形結(jié)構(gòu)的UWB天線，為了實(shí)現(xiàn)脈沖波在天線輻射體上無反射傳播，即超寬帶特性，需要在天線輻射體上從饋電端至終端依照Wu-King阻抗加載方法對天線進(jìn)行加載，以便吸收傳輸?shù)教炀€末端的電流，進(jìn)而抑制電流在天線末端產(chǎn)生的發(fā)射。

2.3 風(fēng)電光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)

風(fēng)電光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)由太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)電光電互補(bǔ)控制器和硅能電池組成。首批裝置安裝于黃河內(nèi)蒙古托克托縣河段，該地區(qū)平均高程1 132 m，年平均每天日照時間5.6 h，近5 a冬季晴天和多云天氣占比84%，陰、雨、雪天氣占比16%，最大連續(xù)陰、雨、雪天數(shù)為4 d，近5 a風(fēng)力統(tǒng)計(jì)見表2。該地區(qū)3級以上風(fēng)的天數(shù)平均每月20 d以上，風(fēng)力資源較為豐富，平均有效風(fēng)功率密度為150 W/m2。

2.3.1 太陽能電池板選擇

太陽能電池板的功率應(yīng)該滿足無風(fēng)情況下每天產(chǎn)生的電量能夠維持裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。計(jì)算時，應(yīng)考慮組裝、溫度和傳輸?shù)确矫鎿p失。在不考慮充電余量的情況下，太陽能電池板的最低功率計(jì)算公式如下：

經(jīng)評估，裝置每天耗電量約為240 W·h，裝置所在地年平均每天日照時間5.6 h，但考慮主要是在冬季使用，h取0.8倍年平均日照時間，即4.5 h，利用式（1）計(jì)算得出所選太陽能電池板最低功率p1為89.6 W?？紤]在售太陽能電池板型號，最終選用100 W的太陽能電池板。

2.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇

選用200 W風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其功率輸出曲線見圖5?；诒?中的當(dāng)?shù)仫L(fēng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，加權(quán)平均計(jì)算得到該地區(qū)使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均輸出功率p2：通過上述計(jì)算分析可知，采用風(fēng)電光電互補(bǔ)供電方式能夠滿足該裝置對于電力的需求。

2.3.3 風(fēng)電光電互補(bǔ)控制器選擇

風(fēng)電光電互補(bǔ)控制器主要有兩大類：PWM控制器和MPPT控制器。PWM控制器采用脈寬調(diào)制的方式來控制其對蓄電池的充電電壓，此方法實(shí)現(xiàn)電路相對簡單，充電效率一般為80%左右。MPPT控制器的全稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking）太陽能控制器，其能夠?qū)崟r偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值（VI），使系統(tǒng)以最大功率輸出對蓄電池充電，它能夠有效地協(xié)調(diào)太陽能電池板、蓄電池和負(fù)載的工作，實(shí)現(xiàn)電路相對復(fù)雜，充電效率能夠達(dá)到95%，通常為98%左右。MPPT技術(shù)雖然比較復(fù)雜，但是經(jīng)過多年的改進(jìn)已經(jīng)比較成熟，該裝置使用MPPT控制器對蓄電池進(jìn)行電源管理，可以更高效率地利用電能。

2.3.4 硅能電池選擇

考慮到當(dāng)?shù)囟究赡艹霈F(xiàn)極端低溫天氣，該裝置使用比鉛酸電池更耐低溫的硅能電池。硅能電池能在氣溫低于-50 ℃時正常工作，在-40 ℃情況下，硅能電池的容量能保持在80%以上。安裝時將硅能電池埋設(shè)在地下1.5 m起防凍作用，避免在極冷情況下降低電池續(xù)航能力。

2.4 4G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

4G數(shù)據(jù)傳輸模塊用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程無線通信，建立數(shù)據(jù)鏈接，例如：發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)，接收雷達(dá)波譜數(shù)據(jù)。

2.5 GPS模塊

GPS模塊為雷達(dá)系統(tǒng)提供秒脈沖信號（PPS）和時間信息。雷達(dá)根據(jù)PPS信號進(jìn)行計(jì)時，來控制雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集間隔時間，可以根據(jù)實(shí)際需要遠(yuǎn)程設(shè)定間隔時間。GPS提供的UTC時間信息也將記錄在雷達(dá)的回傳波譜數(shù)據(jù)中，給回波數(shù)據(jù)打上時間標(biāo)簽，使得雷達(dá)數(shù)據(jù)可以根據(jù)時間回溯。

2.6 遠(yuǎn)程開關(guān)控制與遙測模塊

遠(yuǎn)程開關(guān)控制與遙測模塊利用移動通信平臺（GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程開關(guān)控制、電壓/溫度等遙測信號采集、攝像監(jiān)控等功能。

3 冰面和冰水分界面層位追蹤算法

雷達(dá)回傳數(shù)據(jù)后，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)利用層位追蹤算法可計(jì)算出冰蓋厚度和水面（無冰情況）或冰面（有冰情況）距雷達(dá)距離。此算法主要是利用反射波波形及強(qiáng)度特征，通過同相軸的追蹤，來捕獲冰與水界面和冰/水與空氣界面的變化情況，從而計(jì)算出冰蓋厚度和水面、冰面距雷達(dá)距離。其基礎(chǔ)是提取發(fā)射層，而識別同一地層反射波的標(biāo)志為其波譜的同相性和相似性，利用這兩種性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對反射層的追蹤。

（1）同相性。對比雷達(dá)波譜相鄰道上反射波，把不同道上同一反射波組相同相位連接起來的線稱為同相軸。同一波組的相位即波峰和波谷的位置沿測線緩慢變化。

（2）相似性。相鄰道上同一分層反射波的波形、波幅、周期及其包絡(luò)等主要特征有一定的相似性。

4 應(yīng)用案例

2019年11月15日至20日，黃河水利科學(xué)研究院聯(lián)合萬家寨集團(tuán)公司和大連中?？萍脊镜南嚓P(guān)技術(shù)人員，在黃河內(nèi)蒙古托克托縣什四份險(xiǎn)工彎道處安裝了一套非接觸式冰厚和水位一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置。裝置安裝中創(chuàng)新使用了25 m超長可旋轉(zhuǎn)的懸掛橫桿來固定雷達(dá)和溫度傳感器，使其能監(jiān)測到主河道內(nèi)冰厚和冰表面溫度變化。風(fēng)電光電互補(bǔ)系統(tǒng)尚未調(diào)試完成，但恰逢凌汛期開始，為保證能監(jiān)測到整個凌汛期冰情信息，該年度未安裝風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，而是多安裝1塊太陽能電池板來提供更多電能。安裝完成后的裝置見圖6。

目前，該裝置已安全運(yùn)行一個凌汛期（2019—2020年度），經(jīng)歷了10級大風(fēng)、暴雪、大霧、低溫（-31 ℃）等惡劣天氣。運(yùn)行過程中，于2019年12月7日8時發(fā)出什四份彎道封河預(yù)警信息，通過遠(yuǎn)程視頻和現(xiàn)場巡河人員確認(rèn)什四份彎道上下游均已封河并留有清溝，雷達(dá)正下方未封凍為清溝，當(dāng)天監(jiān)測到水位為989.12 m;12月14日監(jiān)測到水位為990.20 m;2020年1月15日監(jiān)測到冰厚為0.377 m，當(dāng)天人工打孔比測冰厚為0.390 m，兩者相差0.013 m;2月12日監(jiān)測到冰厚為0.561 m;2月25日監(jiān)測冰厚減小到0.395 m;2月26日監(jiān)測冰厚減小到0.378 m;2月29日通過該裝置的攝像頭監(jiān)測到彎道開河預(yù)警信息：29日9時冰面顏色變化明顯，呈褐黃色，16時彎道下首主槽局部消融見到明流，18時雷達(dá)監(jiān)測到冰蓋消失。圖7和圖8詳細(xì)記錄了該裝置2019—2020年度凌汛期監(jiān)測成果，監(jiān)測了凌汛期水面變化過程、冰厚變化過程，環(huán)境溫度變化過程和水表面（無冰時）/冰表面（有冰時）溫度變化過程。

5 結(jié)論與建議

（1）研發(fā)的非接觸式冰厚和水位一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)了冰厚和水位的一體化監(jiān)測，有冰蓋時監(jiān)測冰面高程和冰底高程，無冰蓋時監(jiān)測水面高程，還能監(jiān)測環(huán)境溫度和水表面（無冰時）/冰表面（有冰時）溫度，同時全天候自動采集整個凌汛期河道凌情變化視頻影像。此裝置的研發(fā)應(yīng)用將進(jìn)一步提升黃河防凌監(jiān)測能力，完善野外觀測技術(shù)，減少冰凌災(zāi)害，特別是預(yù)防冰壩和冰塞引起的水位壅高而出現(xiàn)的潰壩或決堤等險(xiǎn)情，最大限度降低人民生命財(cái)產(chǎn)損失，提高公共安全保障能力。

（2）該裝置核心部件為400 MHz空氣耦合雷達(dá)，可將其懸掛于離監(jiān)測目標(biāo)20 m范圍內(nèi)的懸臂支架或橋梁上，實(shí)時監(jiān)測冰厚和水位等冰情參數(shù)。該空氣耦合雷達(dá)突破了雷達(dá)在空氣和冰蓋界面耦合測量的技術(shù)瓶頸。此雷達(dá)還能掛載于無人機(jī)上探測河道整個斷面的連續(xù)冰厚，解決冰塞和冰壩監(jiān)測難的問題。

（3）該裝置采集雷達(dá)波譜自動解譯的功能是基于馬爾科夫模型來建立層位的監(jiān)測與跟蹤算法而實(shí)現(xiàn)的。該算法可自動監(jiān)測出冰面與空氣的界面和冰面與水面的界面，提高解譯速度。

（4）全過程冰情野外原型觀測是防凌研究的基礎(chǔ)，建議進(jìn)一步研發(fā)監(jiān)測冰塞冰壩堆積過程、冰塞厚度、冰下流速和河床變化等特征參數(shù)的原型觀測技術(shù)及設(shè)備，并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)和聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測冰力學(xué)參數(shù)，建立雷達(dá)圖譜與冰層結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性的對應(yīng)關(guān)系。

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【責(zé)任編輯 許立新】