雙軌循環(huán)式雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左念 徐典 范亮

摘要：利用現(xiàn)有流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備（水文纜道、拖曳式ADCP）在對(duì)流速快、陡漲陡落的山溪性河流進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)操作極為困難且歷時(shí)不可控?？紤]到移動(dòng)雷達(dá)波不直接接觸和擾動(dòng)（或破壞）水流結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確監(jiān)測(cè)，研究設(shè)計(jì)了一種雙軌循環(huán)式雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)。該測(cè)流方式安全快捷，尤其適用于河道高洪流量測(cè)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)水文斷面流量的即時(shí)、穩(wěn)定在線監(jiān)測(cè)，能夠解決水文測(cè)站人員不足、工作強(qiáng)度大、高洪期間測(cè)驗(yàn)工作較為危險(xiǎn)等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：在線流量監(jiān)測(cè)； 雷達(dá)； 雙軌循環(huán)； 非接觸測(cè)流

中圖法分類號(hào)： P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

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

0引 言

中國(guó)流域面積在200 km2以上有防洪任務(wù)的中小河流有9 000多條。近年來(lái)極端天氣事件多發(fā)，中小河流洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生，多地發(fā)生洪澇地質(zhì)災(zāi)害，造成較為嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，中小河流在線流量監(jiān)測(cè)重要性更顯突出［1］。河流在線流量監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)掌握可用水資源，可通過(guò)水閘水庫(kù)等調(diào)配流域水量，了解水資源走向，為水資源調(diào)度提供決策依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外流量在線監(jiān)測(cè)主要采用時(shí)差法、二線坡能法、ADCP、非接觸雷達(dá)波在線測(cè)流法等，雖各方法在特定斷面成功應(yīng)用，但都存在固有邊界條件。其中，非接觸雷達(dá)波是通過(guò)電磁波多普勒頻移探測(cè)表面流速，借用大斷面數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)水位，反演斷面流量。有學(xué)者提到利用簡(jiǎn)易雙軌纜道搭載雷達(dá)波流速儀［2］，但未考慮風(fēng)速風(fēng)向?qū)走_(dá)波探頭的影響。

本文設(shè)計(jì)了一套雙軌循環(huán)式纜道雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)，該系統(tǒng)摒除固定式雷達(dá)波系統(tǒng)多探頭、需要依賴橋梁等弊端，采用自驅(qū)移動(dòng)式探頭掃測(cè)測(cè)驗(yàn)斷面并耦合了多種環(huán)境及系統(tǒng)干擾因素，可以有效提高水文流量監(jiān)測(cè)獲取水平。

1雙軌循環(huán)式雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雙軌循環(huán)式纜道雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循無(wú)人值守、簡(jiǎn)單可靠、方便維護(hù)、功能完善的原則，采用雷達(dá)波施測(cè)多條垂線測(cè)速，同步采集相應(yīng)水位，結(jié)合借用斷面數(shù)據(jù)，按部分面積法計(jì)算流量，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

支持遠(yuǎn)程手動(dòng)測(cè)流和遠(yuǎn)程遙測(cè)等功能：河道的斷面、垂線、水位計(jì)高程、測(cè)流歷時(shí)、低水停測(cè)、低溫停測(cè)、大風(fēng)停測(cè)、加報(bào)段制、加報(bào)水位及加報(bào)變幅等。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并記錄雷達(dá)多普勒流速傳感器信號(hào)頻譜分布，進(jìn)而優(yōu)選優(yōu)化測(cè)流參數(shù)，顯著提高了流速測(cè)量質(zhì)量，做到了流速測(cè)量可溯源、可選擇。

系統(tǒng)架設(shè)渡河平行鋼絞循環(huán)索，索上固定智能移動(dòng)小車，小車隱藏安裝有雷達(dá)多普勒流速傳感器及無(wú)線設(shè)備，循環(huán)索由安裝于岸邊的直流電機(jī)控制行進(jìn)，從而進(jìn)行不同垂線的流速測(cè)量?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1雷達(dá)波測(cè)流原理

雷達(dá)波測(cè)流是利用多普勒效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)向水面發(fā)射電磁波，電磁波遇到運(yùn)動(dòng)的水面會(huì)發(fā)生散射，并構(gòu)成回波，由于接收到的回波頻率相對(duì)于發(fā)射頻率發(fā)生一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速。一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)在雷達(dá)傳感器產(chǎn)生一個(gè)低頻輸出信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的頻率取決于移動(dòng)速度，幅度取決于安裝的距離、反射率和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的尺寸大小。其中多普勒頻率F和運(yùn)動(dòng)速度成正比關(guān)系［3-6］。

1.2數(shù)據(jù)處理模型

雙軌循環(huán)式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)中包括多普勒流速儀瞬時(shí)姿態(tài)、水體表面風(fēng)速、水體表面流速耦合模型，解決了流體表面流速采集精度難題；行進(jìn)式掃射斷面方法，實(shí)現(xiàn)了斷面流態(tài)全覆蓋探測(cè)，解決了大跨度河道斷面多頻次測(cè)量難題；實(shí)時(shí)監(jiān)控流速信號(hào)頻譜分布分析方法，可智能分析流速信號(hào)質(zhì)量并復(fù)測(cè)。與傳統(tǒng)移動(dòng)式雷達(dá)測(cè)流設(shè)備對(duì)比，該系統(tǒng)運(yùn)行更為平穩(wěn)可靠，耦合了多種環(huán)境及系統(tǒng)干擾因素，流速計(jì)算更為精準(zhǔn)可靠。

2結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

大跨度雙軌循環(huán)式雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)包括主控箱、岸基塔頂和智能測(cè)速小車。主控箱包括主控系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制觸控大屏、水雨情采集子系統(tǒng)、電力蓄控和通信模塊，通信模塊為L(zhǎng)ora無(wú)線通信模塊、GPRS/GSM通信模塊和串行通信模塊;岸基塔頂包括動(dòng)力控制模塊，該模塊控制直流電機(jī)和編碼計(jì)數(shù)模塊，岸基塔頂還設(shè)有雙規(guī)循環(huán)式纜道;智能測(cè)速小車包括小車智能測(cè)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)連接Lora無(wú)線通信模塊、電子陀螺儀、超聲波風(fēng)速儀、雷達(dá)波測(cè)速儀和動(dòng)能模塊，動(dòng)能模塊包括太陽(yáng)能電板、充電控制器和免維護(hù)蓄電池［2］。

2.1主控系統(tǒng)

為適應(yīng)水文行業(yè)對(duì)穩(wěn)定性的超高要求，本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)采用TI低功耗32位MCU作為主控芯片，配置低漂移RTC、高精度差分AD轉(zhuǎn)換電路、大電流可控電源以及固態(tài)存儲(chǔ)芯片，并預(yù)留擴(kuò)展I/O口用于更新系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)芯片，正常工作溫度在-40～80 ℃之間，滿足國(guó)內(nèi)所有地區(qū)的使用條件［7］。

主控系統(tǒng)控制智能小車與驅(qū)動(dòng)模塊采集并分析探頭縱橫搖、水面流速、信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)質(zhì)量、測(cè)流位置、設(shè)備電壓、氣象參數(shù)等要素，進(jìn)而反演測(cè)驗(yàn)斷面流量。該系統(tǒng)可提供實(shí)時(shí)測(cè)流、遠(yuǎn)程測(cè)流、自動(dòng)測(cè)流、手動(dòng)測(cè)流等多種方式。

為充分利用該系統(tǒng)可以在斷面上隨意移動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了蠕動(dòng)式的斷面全覆蓋流域探測(cè)，不再采用在某點(diǎn)停頓的測(cè)量方式，而是在當(dāng)前位置發(fā)射雷達(dá)波束之后，不做停頓，直接運(yùn)動(dòng)至前方來(lái)接收斜射回來(lái)的雷達(dá)波束，這樣即可完成動(dòng)態(tài)的全斷面流速測(cè)量。同時(shí)，在測(cè)流時(shí)可以導(dǎo)入本斷面的歷史資料，可以使該系統(tǒng)能夠迅速測(cè)完死水區(qū)，而在大流速的測(cè)點(diǎn)可以放慢行進(jìn)速度，以此保證測(cè)量精確度。蠕動(dòng)式的雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)相比于走航式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流范圍更廣，精度更高，速率更快。

2.2驅(qū)動(dòng)控制

通過(guò)兩岸的直流電機(jī)自動(dòng)控制小車行進(jìn)速度，根據(jù)目標(biāo)垂線與當(dāng)前位置距離自動(dòng)生成變速曲線，使得啟動(dòng)時(shí)以及接近目標(biāo)垂線時(shí)速度自動(dòng)變化，提高了位置精度，并減少對(duì)纜道的沖擊。計(jì)米輪直接測(cè)量循環(huán)索行進(jìn)距離，同時(shí)輔助采用電機(jī)圈數(shù)計(jì)數(shù)，二者相互比較，以消除打滑、失步等帶來(lái)的距離計(jì)數(shù)誤差。

電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的循環(huán)索速度為V1，計(jì)米輪計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的循環(huán)索速度為V2，ΔV=V1-V2；實(shí)際速度為V=f（V2，ΔV），其中f為卡曼濾波。

2.3智能測(cè)速小車

智能測(cè)速小車由Lora無(wú)線通信模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、電子陀螺儀、超聲波風(fēng)速儀、雷達(dá)波測(cè)速儀組成，小車智能測(cè)速系統(tǒng)從Lora通信模塊接收控制指，令采集測(cè)點(diǎn)表面流速、風(fēng)速風(fēng)向及小車當(dāng)前橫縱搖姿態(tài)（圖2）。

智能測(cè)速小車通過(guò)內(nèi)部隱藏安裝的雷達(dá)多普勒流速傳感器來(lái)獲取下方水面流速。通過(guò)小車上安裝的Lora無(wú)線通信模塊，將測(cè)量的流速數(shù)據(jù)同步傳輸至主控系統(tǒng)，并接受主控系統(tǒng)的反饋指令來(lái)完成之后的測(cè)流動(dòng)作。

為了確保智能測(cè)速小車反饋的測(cè)量結(jié)果的精確性，在小車上加裝了電子陀螺儀與超聲波風(fēng)速儀。通過(guò)電子陀螺儀能夠獲取小車X、Y、Z軸的數(shù)據(jù)變化，從而推斷出小車當(dāng)前姿態(tài)，考慮到姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的延時(shí)性在計(jì)算時(shí)引入PID算法，對(duì)于小車未來(lái)姿態(tài)也進(jìn)行判斷以此得到更加精準(zhǔn)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。而超聲波風(fēng)速儀可以獲取當(dāng)前斷面風(fēng)速，通過(guò)耦合上述數(shù)據(jù)可以建立瞬時(shí)姿態(tài)、水表風(fēng)速、水表流速耦合模型，以此消除水表風(fēng)速與小車姿態(tài)對(duì)于流量測(cè)驗(yàn)精度的影響。

3流量反演

天然河流受邊界條件的影響，過(guò)流斷面流速分布不均，各測(cè)速垂線位置的流速并不相同，因此采用部分面積法計(jì)算流量。將斷面按照雷達(dá)距離分辨率劃分為n個(gè)面積單元，分別計(jì)算各個(gè)面積單元的部分流量，然后累加出斷面總流量。則斷面流量Q為

Q=ni=1Qi

（1）

式中：Qi為部分流量，Qi與部分面積Ai、平均流速Vi的關(guān)系為Qi=AiVi。

在垂線間隔無(wú)限縮小的情況下，可以認(rèn)為其表面流速與河底高程恒定，其平均流速計(jì)算公式為

V=1hmax∫h max0V（h，V0）dh

（2）

式中：hmax為最大水深。

拋物線模型流速分布關(guān)系為

V（h，V0）=V0-（hmax-h）22P

（3）

式中：P為焦參數(shù)。

將上式代入得出斷面流量為

Q=ni=1AiV0i-h2maxi6P

（4）

考慮其平均流速計(jì)算的先決條件：在垂線間隔無(wú)限縮小的情況下，可以認(rèn)為其表面流速與河底高程恒定。在實(shí)際斷面測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)利用移動(dòng)式測(cè)速探頭的便捷性，對(duì)相鄰流速變化較大或河底起伏較大區(qū)域適當(dāng)增加垂線測(cè)量密度。

4遠(yuǎn)程測(cè)流模式

為了保證該系統(tǒng)能夠跟上水文現(xiàn)代化的發(fā)展，圍繞這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)在線接收管理計(jì)算服務(wù)軟件和雷達(dá)原創(chuàng)在線系統(tǒng)。

4.1數(shù)據(jù)在線接收管理計(jì)算服務(wù)

數(shù)據(jù)在線接收管理服務(wù)程序部署運(yùn)行后，必須考慮未來(lái)大量終端數(shù)據(jù)接入情況，因此需對(duì)高并發(fā)請(qǐng)求進(jìn)行妥善處理。數(shù)據(jù)在線接收管理服務(wù)程序接收處理遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)請(qǐng)求過(guò)程如圖3所示。

處理過(guò)程包括3個(gè)部分：

（1） 完成端口（存放重疊的I/O請(qǐng)求）、客戶端請(qǐng)求的處理，等待者線程隊(duì)列（即一定數(shù)量的工作者線程，一般采用CPU×2個(gè)）。

（2） 完成端口中的［端口］為一個(gè)通知隊(duì)列，由操作系統(tǒng)把已經(jīng)完成的重疊I/O請(qǐng)求的通知放入其中。當(dāng)某項(xiàng)I/O操作一旦完成，某個(gè)可以對(duì)該操作結(jié)果進(jìn)行處理的工作者線程就會(huì)收到一則通知。

（3） 通常情況下，創(chuàng)建一定數(shù)量的工作者線程來(lái)處理這些通知，為避免頻繁地打開(kāi)、關(guān)閉線程，進(jìn)而提高線程的利用率（因?yàn)榫€程是不斷地再循環(huán)獲取完成端口上的請(qǐng)求，理論上說(shuō)只要完成端口的請(qǐng)求不為空，線程的利用率就是100%），故而采取線程池進(jìn)行管理。線程數(shù)量取決于應(yīng)用程序的特定需要。理想的情況是，線程數(shù)量等于處理器的數(shù)量，不過(guò)這也要求任何線程都不應(yīng)該執(zhí)行諸如同步讀寫、等待事件通知等阻塞型的操作，以免線程阻塞。每個(gè)線程都將分到一定的CPU時(shí)間，在此期間該線程可以運(yùn)行，然后另一個(gè)線程將分到一個(gè)時(shí)間片并開(kāi)始執(zhí)行。如果某個(gè)線程執(zhí)行了阻塞型的操作，操作系統(tǒng)將剝奪其未使用的剩余時(shí)間片并讓其他線程開(kāi)始執(zhí)行。也就是說(shuō)，當(dāng)前一個(gè)線程沒(méi)有充分使用其時(shí)間片時(shí)，應(yīng)用程序應(yīng)該準(zhǔn)備其他線程來(lái)充分利用這些時(shí)間片［8-10］。

4.2雷達(dá)遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)

雷達(dá)遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)是一套基于SpringMVC開(kāi)發(fā)的雷達(dá)數(shù)據(jù)信息展示系統(tǒng)，SpringMVC的工作流程如圖4所示。

（1） DispatcherServlet是一種前端控制器，由框架提供，統(tǒng)一處理請(qǐng)求和響應(yīng)。除此之外還是整個(gè)流程控制的中心，由DispatcherServlet來(lái)調(diào)用其他組件，處理用戶的請(qǐng)求［11］。

（2） HandlerMapping是處理器映射器，由框架提供。根據(jù)請(qǐng)求的url、method等信息來(lái)查找具體的Handler（一般來(lái)講是Controller）。

（3） Handler（一般來(lái)講是Controller）是處理器，在DispatcherServlet的控制下，Handler對(duì)具體的用戶請(qǐng)求進(jìn)行處理。

（4） HandlerAdapter是處理器適配器，由框架提供。根據(jù)映射器找到的處理器Handler信息，按照特定的規(guī)則去執(zhí)行相關(guān)的處理器Handler［12-14］。

（5） ViewResolver是視圖解析器，由框架提供。ViewResolver負(fù)責(zé)將處理結(jié)果生成View視圖。ViewResolver首先根據(jù)邏輯視圖名解析成物理圖名，即具體的頁(yè)面地址，再生成View視圖對(duì)象，最后對(duì)View進(jìn)行渲染，將處理結(jié)果通過(guò)頁(yè)面展示給用戶。

（6） View為視圖，View接口的職責(zé)就是接收model對(duì)象、Request對(duì)象、Response對(duì)象，并渲染輸出結(jié)果給Response對(duì)象。雷達(dá)遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)主要用于對(duì)基于在線雷達(dá)系統(tǒng)的控制、查詢、展示，系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模塊：登錄、首頁(yè)、流速查詢、流量查詢、大斷面信息、流速系數(shù)及系統(tǒng)日志等功能模塊。

5結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙軌循環(huán)式雷達(dá)波纜道在線測(cè)流系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)測(cè)驗(yàn)工作和流程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)

化、數(shù)字化管理，對(duì)于具有暴漲暴落特征的山溪性河流、漂浮物較多的水文斷面效果尤為顯著。雙軌循環(huán)式雷達(dá)波纜道在線測(cè)流系統(tǒng)為水文測(cè)站的正常運(yùn)行與生產(chǎn)管理提供技術(shù)保障，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證實(shí)了該系統(tǒng)的實(shí)用性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

但是也存在一定問(wèn)題：① 與傳統(tǒng)雷達(dá)波流速一樣，該系統(tǒng)低流速測(cè)量精度不高，但惡劣天氣對(duì)流速測(cè)量的影響較小，還需要持續(xù)關(guān)注雷達(dá)波技術(shù)的發(fā)展，選取合適的雷達(dá)波探頭進(jìn)行升級(jí)換代。

② 對(duì)于雷達(dá)波數(shù)據(jù)的處理還需要進(jìn)一步優(yōu)化，可以嘗試其他不同的處理方法，對(duì)于測(cè)算結(jié)果進(jìn)行比較，選擇最適合雷達(dá)波測(cè)流的算法。

③ 對(duì)于操作平臺(tái)目前還只能在固定的環(huán)境下進(jìn)行使用，操作起來(lái)不夠便利，不該拘泥于一種模式，后續(xù)將推出兼容Android、ios以及Harmony等多平臺(tái)的控制系統(tǒng)。

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（編輯：謝玲嫻）