RISMAR-U雷达在线流速监测系统

　　RISMAR-U雷达在线流速监测系统

　　一、前言

　　非接触式水文流速监测技术，具有使用安全便利的特点，雷达探测方法是非接触式测量的主要方法，是水文流速流量监测技术的重要发展方向之一。目前阶段，雷达非接触式河流探测技术主要由基于X波段的“电波流速仪”技术和超高频(UHF)雷达探测技术。前者适合中小河流，受风和降雨等因素干扰误差较大，后者可以覆盖大型和超大型河流，误差较小。

　　UHF雷达具有良好的机动性、灵活性、实时性，以不接触水体测量的优势，可以胜任复杂地质条件和外部恶劣气候条件下的水体表面信息测量，以最小的测量成本达到的探测效率和最广的探测范围，并且拥有全天候的测量能力，具有广阔的应用前景。我国河流众多，年径流量超过1500亿立方米的河流就有4个。目前，市场上缺乏对河流进行现场实时在线监测的有效手段。此外，水文数据关系国家安全，属于保密数据。而国外产品通常通过在线方式维护，使得水文数据的安全性存在极大隐患。因此，开发具有自主知识产权的国产产品，意义重大。

　　目前，国外只有美国CODAR公司的RiverSonde雷达系统能够实现250米以上河宽大型河流在线非接触流速流量监测。该型雷达是一种岸基、非接触式的超高频雷达测验系统，可用于测量江、河、渠道的表面流速，连同已知的河道断面和水位计算出总流量。Riversonde在日常条件下，可安装在河边或的地方，并可安装在汽车上进行移动巡测；在气候恶劣或高洪条件下，可抢测洪峰流量，应付紧急事件（如洪水、溃坝、决口、截流等）。RiverSonde在各种不同的地理环境、不同水文条件下进行了大量比测试验，流量测量结果和标称结果误差范围在5%以内。

　　二、成果简介

　　在多年试验基础上，武汉大学雷达与信号处理实验室经过多年科学探索和实践积淀，于2017年初将UHF河流探测雷达技术固化，定型为超高频雷达产品RISMAR-U，以非接触的方式获得大范围的河流表面矢量流场和断面流量。该产品采用全数字接收机技术、紧凑的八木天线阵列和超分辨方位估计技术，极大地简化了雷达系统硬件结构；采用太阳能和市电互补供电方案，降低了电源依赖性，大大提高了雷达的环境适应性；天线阵列小型化，降低了建站要求和维护成本；全天候工作，实时性好，每十分钟可以得到一场的河流流量信息；先进的软硬件设计，优化了系统电路结构，提高了系统的可靠性和易维护性，大大提高了雷达的性价比；具有远程监控功能，使雷达站可以真正实现。

　　RISMAR-U产品可以单基地或双基地配置。顺直河道以单基地方式配置即可满足流量监测要求。复杂河道需要双基地配置，以获取矢量表面流。RISMAR-U目前实测探测距离为500m，测量的流速精度为2.0cm/s，流速范围可达4m/s。实际销售的产品中，国内其他同类产品不能提供径向流场与矢量流场数据，并且数据误差较大，特别是0.5m/s的低流速，准确度不能保证。国外同类型雷达只能提供径向流场数据。RISMAR-U能提供径向流场（单站安装条件）和矢量流场数据（双站安装条件），并且数据误差小于2%。目前，RISMAR-U已应用于国内长江、汉江的流速流量在线实时监测。国外也已应用于老挝湄公河的在线流速流量实时监测，经现场比测，流量误差小于2%，现场流速监测可达0.2m/s。

　　三、成果拥有单位

　　武汉大学自1988年开始研究高频雷达海洋表面流场探测理论与技术研究，开发的多种高频地波雷达系统，已形成OSMAR系列产品，在国内销售运行多年，得到海洋系统的高度认同，高频地波雷达技术两次获得国家教育部科技进步一等奖。在高频地波雷达海洋探测技术获得成功后，武汉大学尝试将高频地波雷达海洋探测技术移植到河流探测。2005年武汉大学自行研制了一套单通道UHF相干雷达原理样机，其工作频率为310MHz。2005年7月、10月、12月，利用该雷达样机分别在武汉汤逊湖、黄冈马家潭水文站和宜昌高坝洲水文站完成了河水流速探测的原理性现场实验，结果表明，UHF能有效探测300-500m范围内的河水流速。在随后的十年中，研究小组不断改进超高频雷达系统，将其扩展为多通道，在汉江、长江等地进行了多次现场试验，证明UHF雷达可以实现河水表层矢量流场的探测，并于2017年RISMAR-U成功问世。

　　四、拟推广应用计划

　　计划2019年在山东省内选取两条河流的桥测断面布设RISMAR-U雷达在线流速监测系统，在风、雨、雪等不同环境下与传统的转子式流速仪和声学多普勒流速剖面仪进行比测，分析数据误差及影响因素，不断提高监测数据的准确度以满足水文测验规范要求。

　　在此基础上对实验过程及实验数据进行系统整理，形成论文及科技成果，在、省级核心期刊上发表，在水文监测技术相关推介会上参展宣传，争取进入水利部科技推广中心产品目录，进入水利市场。

　　五、预期推广效益

　　随着科技的进步，水文监测技术已逐渐实现现代化，如雨量、水位监测数据可通过无线传输，将现场数据直接传送至中心站。墒情、蒸发等参数监测相关技术也在不断发展，正在逐渐实现监测站点的。河流断面流量测量目前主要还是通过传统的转子式流速仪垂线测量以计算流量，另外，先进地区逐步推广声学多普勒海流剖面仪（ADCP）直接进行流量测量，定点式ADCP可固定安装于水面以下某个位置，但运行维护成本较高，走航式ADCP仍然需要占用较多人力资源。雷达在线流速监测系统恰恰解决了以上问题。

　　流量测验由传统的“固守断面”模式，向的遥测进行转变，已成为大势所趋，在线测量已成为水文数据采集的一种重要手段。开展在线测量后，一是将水文职工从偏远的水文测站解放出来，改善了水文职工的工作环境，提高了水文职工的获得感和幸福感；二是长期驻站人员减少了，降低了运行成本；三是流量监测数据实时传输，提高了工作效率。该项目的推广，对于深化水文事业改革，改善水文测验条件，促进水文现代化建设具有特别重要的意义，具有显著的经济效益和社会效益。