浅谈雷达在线自动测流 系统的建设与应用

李刚

江苏水迅通信息科技有限公司 江苏南京

摘要： 随着水利信息化技术的不断进步和国家对水利信息化的日益重视，雷达在线自动测流系统已在我国罐渠自动监测、水文监测、防汛抗旱等领域得到了广泛的应用，非接触式雷达测流是以雷达传感器为核心，采用连续测量方式，用非接触式测定开放河流和渠道的流量。它将两种非接触式雷达技术结合在一个系统里。一方面水位是由雷达信号的传播时间测量的；另一方面表面流速同时由多普勒频率偏移原理测量。这个测量项目在内部结合起来，并输出一个使用测量站点独有水力模型校正后的流量，该系统不仅造价成本低，安装方便，同时维护成本很低，在水利自动化监测中具有独特的技术优势。

关键词：雷达在线测流 建设 应用 自动.

前言

传统的流量测量方法，一般是通过水位流量过程曲线推算得出。因此，确定水位流量关系曲线受到很大的不确定性影响。只有同时附加了流速信息，才允许在这些困难情况下准确计算出准确流量，在线测流系统所包含流速测量传感器就解决这个问题。

一、雷达流量计工作原理

（1）雷达测流速原理

雷达流速监测传感器采用多普勒效应原理来测量流体表面流速。在声音传播过程中，当发声体与声音接收体之间有相对运动时，接收体回声的频率将发生变化，这种频率的变化被称之为频移，该效应即多普勒效应。

（二）雷达测水位原理

雷达水位传感器通过发射电磁波和接收电磁波，通过测量发射和接收时间差Δt，计算出被测液面与雷达传感器之间的距离H2=（c*Δt）/2,输出的水位值h=H1-H2。H1为渠底至水位计的高度。

二、系统设计

（一）系统结构

系统主要由阵列式多垂线雷达波测流监测站、通信网络和管理中心等组成。

（二）通信组网

系统通信组网采用WSN、GPRS/GSM、Internet等混合组网方式，垂线雷达测速点采用有线通信方式。

三、雷达流量监测站设计

（一）结构组成

系统整体结构如下图所示。

雷达波流量监测站组成示意图

主要由1台雷达流量计（主机）、RTU、DTU、和太阳能供电系统等组成。

（二）主要功能

1、基本功能

1）数据采集与传输功能

自动采集与定时自报：设备（RTU）按照预先设置好的时间隔，通过GPRS链路信道向中心站发送当前实时监测的数据，同时包括遥测站站码、蓄电池电压等参数。

加报：设备在规定的时段内当水位或流量的变化量超过预先设定值，同时设定的定时报时间间隔未到时，设备将自动向中心站发送数据。

查询应答：流量监测设备可实时响应中心站的查询指令，并通过远程指令读取实时监测数据，监测数据读取成功后通过数据发送通道返回中心站。

时间窗口：设备可通过编程，实现指定时间范围内自动上线的功能，从而实现远程控制。

主备信道功能：设备在发送监测数据时，当主通讯信道发送失败时，设备将自动切换到备用信道进行发送。当流量监测数据变化没有达到预先设定好的上报条件时，遥测站将不予发送，等定时报时间间隔到达时一并上报。

2）防雷功能

遥测站点一般都安装到野外，容易遭受雷电，系统在设计时充分考虑到雷电影响，并进行了有针对性的改进,使得本系统可以实现无人看管，同时具有防盗和防破坏功能。

2、报警监控功能

1）水位越限报警

2）供电不足报警

3）设备事故报警

4）遥测站校正时钟、开关机。

（三）数据上传方式

系统采用自报式和查询应答兼容的混合工作模式，当系统被设置为查询应答工作模式时，系统将在自报的同时可实现远程查询应答；

定时自报模式：根据用户需要，预先在遥测设备上设置好自报时间间隔，系统将在所设定的时间间隔到达后设备监测数据将自动报送。

加报模式：当被监测的流量发生变化时，同时该变化幅度大于预设值（如水位涨落l厘米，同时与上次发送流量数据的时间间隔大于规定的值 （一般为 5 分钟）即设备将自动向中心发送一次监测数据；

定时自报模式：设备在每隔预先设定好的时间间隔到达后，不管流量或水位有无变化，立即向中心站报送一次数据。

应答式/查询：通过中心站机房的数据采集软件向远程设备发送查询命令，遥测站将自动响应，当远侧遥测站点接收到查询命令后，能实时采集流量或水位数据并发送回中心站。

（四）设备清单

1、雷达流量计（主机）1 台

2、RTU遥测终端 1台

3、DTU通讯终端 1台

4、太阳能电池板1块（40W）

5、免维护蓄电池1块（65Ah）

6、信号避雷器1 块

7、电源避雷器1 块

8、安装支架1套

9、三防机箱1套

10、大断面测量1 处

11、流量率定1点

12、辅材1套

（五）主要设备技术参数

• 测速范围：0.10~20米/秒

• 测速精度：0.01米/秒；±1%FS

• 雷达流速仪频率：24GHz

• 雷达流速仪波束角：12°

• 测距范围：30m、70m可选

• 测距精度：±2mm

• 测距分辨率：1mm

• 雷达水位计频率：26GHz

• 雷达水位计波束角：7°

• 功耗：工作电流<120mA@12V

• 供电范围：DC6~30V

• 信号输出：Modbus协议，RS485；可自定义协议

• 防护等级：IP68

• 工作温度：-35℃~+70℃

四、安装及防雷设计

（一）安装位置

为了保证测量的准确性，并减少桥墩分流对于流态的影响，安装点建议选择在下游一侧的桥梁侧壁上，单台测流设备立杆安装或支架安装，探头照射方向为迎水安装。

（二）安装高度计算

雷达流量传感器安装完成后，必须保证测流速传感器发射的雷达波能全部照射到水面上，否则将不能保证测量精度。下图为雷达传感器发射的雷达波照射到水面上的示意图。

雷达波照射到水面示意

假定雷达流速仪安装高度为h，雷达流速仪测流速探头发射的雷达波照射到水面形成椭圆长轴为b（单位：米），则

安装时需根据现场环境，调整安装高度，使雷达流速仪发射的雷达波全部照射到水面。

五、结语

目前在天然河道这种不规则断面建设的其他测流系统，主要有 HADCP 和轨道式雷达波测流这两种。而诸如底座式 ADCP（安装在河底，缺点：悬浮物覆盖、安装维护难度极高等），时差法（安装在河道两侧，缺点：需要有护坡平面、需断流安装、需河底布设线缆、需定期维护等）等测流系统，因为在野外坏境适用性较差，不在本文论述范围内。雷达测流固定式测流系统相对于其他测流方式有着全方位的优势。

参考文献：

《水文自动测报系统技术规范》SL61-2015

《河流流量测验规范》GB50179-2015

《水位观测标准》GBT50138-2010
《水资源监测数据传输规约》SZY206-2012

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