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河图雷达长江表面流速特征观测,王才军,文必洋,河图是武汉大学最新研制的河流探测雷达,它利用超高频电磁波对水面的散射回波提取水面表面流速,是一种非接触水体的新兴的水文测验�
国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 变化大等,武汉大学在以往系统的基础上研发了河图系统,采用了目前最先进的全数字接收机 结构,可在线配置测量参数,以适应不同测量环境[213。河图相对美国 River Sonde主要优势 是仝数字雷达接收机、可配置能力强,相对美国 Riverrad优势是工作频率较低,雷达回波谱 的组成比较易于解释。 1河流回波谱解调理论 河图雷达系统采用线性调频(LFM)脉冲压缩波形,接收机结构采用“拉佴处理”结构 也称为“有源相关”或“去斜坡”,它木质上是一个针对大时间带宽积LFM波形的失配滤波 器。图1给出∫拉仲处理接收机结构框图,它包含如下步骤:首先,接收天线接收的雷达回波 信号与一个同样参数的线性调频波形的本振(LO)信号混频,该LO信号载频通常与雷达发 射信号相同;混频后的信号通过一个低通滤波器,得到差频信号,目标冋波延时与频率差一一 对应;然后对差频信号模数转换(ADC)及傅里叶变换(FFT),得到频谱,频谱频率正比于 目标回波延时,也即正比于目标距离。 frequenc Ime frequency LO ADO FFT frequency frequency turn 3 return 2 return 1 me T time 图1:IFM拉伸处理接收机结构框图 1.1距离解调 设雷达载频为f,线性调频信号带宽为B,周期为T,即扫频斜率为n=B/T,则雷达 发射波形可表示为: St(t)=cos(2rfot +at), 0<t<T 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 假设目标初始距离为R,以速度υ朝向雷达运动,则目标回波信号可表示为 S(t)=Acos 2T.fo(t-td)+ra(t-ta2I 2 其中A为距离哀减,正比于目标散射截面积,ta表示目标回波延时, 2R(t)2(B0-0t)2B2t 其中c表示光速。 本振信号为, ref(t)=cos(2rfrt+ crt2)r=fo S(t),0≤t≤T 混频器输出信号经过低通滤波器滤除不需要的和频后,得到差频信号,并将式(3)带入得, Sr(t)=Acos2r-fotd -atta +atd (5) Acos2TI-foto +(fo--ato)t 上式中考虑到v/c<<1,舍去了含1/c2和1/t2等相对较小的项。 由式(5)可得接收回波的瞬时相位及频率 20 Pi (t)=-2T foto+2(fc 6 1 d 20 f 2t dt r. 从式(6)可以看出,第·项∫2表示目标速度引起的频偏,第二项αto=α2n表示目标距离 延时引起的频偏,这说明单个线性调频波形解调后无法从回波中分离目标速度信息。同时,由 于距离延时引起的频偏远大于速度引起的频偏,即ato>>j,因此,单个线性调频冋波解 调后近似为目标距离引起的频偏,频偏大小与目标距离成正比,从而可提取目标距离信息。 现假设连续发射线性调频脉冲串,对于第n+1个脉冲,则回波延时可表示为, 2(Ro-u(t+nr)) 2ut2υ·nT td 0<t<T 将式(7)带入式(5)中可得, 2 2U S(t)=An cos2T-foto+fo--nf+(fo--ato+a-nT)t C 同理可得第n+1个脉冲目标回波瞬时相位及频率为, Pin(t)=(2r foto +2 fonr)+2T(fo 2U to t 22 fin= fo T 对比式(9)与式(6)可知,式(⑨)多了一项频偏c2n,这表示从一个脉冲到另一个脉冲,目标在 运动,运动的距离为vmT。 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 为了保留回波屮的相位信息,方便后续目标速度提取,河图雷达采用了IQ正交解调,因 此目标回波为复信号, fInt (1 其中9n=-2/o+2x20mT=90+2x02mT表示第n+1次脉冲的回波初始相位 对式(10)作傅里叶分析(FFT)可得, T/2 T/2 IO 已 dt= ae/pi dt T/2 AnT sin2T(f-fin)T/2 (11) C(- fin)T/2 AnT sin(f-fin)T n )0jo +j 2Tfo 2u nI 2丌(f-fn)T 式(11是一个中心频率在f=fn处的单边抽样函数谱,主峰半功率点宽度近似为1/,此即 为距离解调旳回波溍。特別的,对于河图雷达,其探测对象河流属于面目标,根据雷达距离分 辨率△B可将河流断面划分为一个个距离元,每个距离元都是一个目标,产生一个抽样函数 谱,因此河流的距离谱是一系列抽样函数谱的叠加,谱的幅度由距离哀减A灬决定。 1.2速度解调 观察同一距离元不同脉冲的回波(ato相同),假设共有N个线性调频脉沖串,从1个脉冲 到第n+1个脉冲(1≤m≤N),式(9)中f只有第三项amT在变化,雷达参数没计吋要求 在N个脉冲内日标不能跑出一个距离元,即2mT<△B=,从而可得a2mT<a2△B 即频率变化小于距离谱的3dB带宽,这表明在N个脉冲内回波幅度可近似相等,可用一中值 Km代替。 观察式(11)可知,多次扫频时,距离谱的相位φn在随m变化,每次变化间隔为扫频周期 T,因此,对同一距离元观测,可以将相位φn看作是在-x~N上的连续信号被1/T采 样所得,即 20 NT 9o+ 2fo 则同·距离元的信号可表示为, Sm(t)=Kmej9o+32 fo 2yt NT t≤ (13 对式(13)作FFT变换得, NT/2 NT/2 Sm(f d t=kme 2丌foe"te-j2丌t NT/2 -NT/2 (14 NT sinr(f-fo)N √f-f02)N 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 上式是一个中心频率在∫=02=2处的抽样函数谱(入为雷达波长),该频率正好对应于速 度为υ的朝向雷达的目标相对载频为f的雷达产生的多普勒频移,此即为速度解调的回波谱 特别的,对于河图雷达,其探测对象为水波,水波的速度谱由水波的相速度与水流流动速度线 性叠加而成,水波的相速度由朝向雷达和背离雷达的两列波浪散射产生,因此水波的速度谱可 表示为, fa=±=+ fB 入 (15) 其中V表示水波相速度,表示水流流速,fB=22又称Bra9频率,它是与雷达波长有关 的常数。从式(15)也可以看出,回波速度谱包含两个抽样函数谱,分别位于频率B+2和频 率一fB+3处。 2流速提取算法流程 河图雷达主要用于内陆淡水的流速测量,与海洋雷达(如高频地波雷达)测流方法类似 从功能上可划分为数据准备、信号增强、参数估计及径冋流图绘制等四个模块,如图2所示。 数据准备包括雷达哽件系统数据采集、仝数字接收机数字脉冲压缩及在距离维和多普勒维进行 的两次FFT处理,形成通道-距离-多普勒三维矩阵供后续信号处理使用。信号增强技术包括 通道校准、干扰抑制、一阶谱峰检测及划分等,主要目的是尽可能提高信噪比増强有效检测, 并去除船舶、静止目标(如房屋、树林等)、路上移动目标(如汽车)等干扰信号减少误判。参 数估计主要目的是从雷达回波中提取河流流速的位置、速度及方向(到达角),其中方位角的 佔计最为复杂,与雷达天线系统方向图直接相关。参数估计后的流速值是离散的单点测量结果, 要形成径向沇图需要对这些原始的点集进行汇总处理,离散点集一般都是疏密不均的,可能有 多个点集落入同一分辨单元,因此需要将多个径向流速合并融合成同一径向流速;而对于局部 范围内可能出现的空穴,应根据鸰近单元的流速数据进行局域插值处理;由于河流表面流速是 呈连续分布的,流速大小不会发生突变,因此需要使用中值滤波进行平滑处理,剔除一些奇异 值点 数据准备匚信号增强匚→参数估计→径向流图 数据采集 通道校准 距离估计 数据融合 数字脉压 干扰抑制速度估计 局域插值 双F处理—阶谱划分到达角估计 中值滤波 图2:河图信号处理流程 内陆河道周边环境远比海边环境复杂,流速变化特征也基本是无序的,不同于海流受潮汐 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 影响呈問期变化,这使得河图雷达流速提取区别于髙频海洋雷达(如OSⅥAR-S)。以外部干 扰为例,高频海洋雷达外部干扰主要是射频干扰、电离层干扰及船舶干扰,而河图雷达由于工 作在超高频段,分辨率较髙,河道周围的房屋、树林等静止目标会形成强的零频干扰,河道周 边道路上旳高速移动目标(如汽车)公产生速度混叠形成全频带干扰,除此之外,在河图探测 区域内,长江河道上的船舶数量及频次也远大于海洋雷达探测范围内的船舶。在河流回波一阶 谱特征方面,内陆河道ˉ般流速大而波浪小,或局域风速明显,这使得·阶谱展宽眀显、信噪 比降低、甚至越过零频正负一阶峰重合等,这给一阶谱的检测及划分带来很大的困难 3河图长江实验及回波谱特征 河图雷达系统于2013年10月在武汉长江大桥附近进行了现场测试,试验中雷达系统采 取三通道全数字接收机,收发天线均为8阵元八木天线,分别进行了斜向探测(即天线朝向下 游)和垂向探测(天线垂直河道)。图3给出了斜向探测试验收发天线现场架设情况,收发天线 位于长江边景观平台上,朝向长江下游发射和接收,接收天线间距为半波长,右侧为武汉长江 桥。图4所示为河图雷达观测到的距离多普勒谱,图中横轴代表归一化多普勒信息(相对于 布拉格频率∫归-化),对应水流流速;纵轴代表距离信息,对应观测距离,图中颜色深浅代 表回波信号强弱。从图4可以看出,回波信号最远可达600米左右,相对布拉格频率(±1处) 整体向左偏移,这是因为天线朝向下游,水流背离雷达运动所致;图中950米及1200米处两 个较深的红点疑似为通过长江航道的船只回波;2100米处横跨多普勒轴的条状无规则干扰信 号,疑似为长江大桥上汽车引起的干扰回波:零频附近的强干扰疑似为静止建筑的回波(试验 区域长江河道宽约1200米)。 图3:斜向探测收发天线 图4:斜向探测距离多普勒谱 图5所示给出了距离240米处的回波多普勒谱,相比于海洋回波及湖泊回波,长江回波谱 特征明显,从图中可以看岀,回波一阶谱展宽明显,最大信噪比可达40dB,谱峰向布拉格峰 左侧偏移。由于河道一般较窄,横断面流速变化明显,而雷达距离分辨率10米尽管相对海洋 雷达数公里来说已经很小,但对河流而言依然过大,一个距离分辨单元内落入了过多的流速, 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 流态稳定性较差,且虽然使用了定向天线接收,天线波束仍然过大,这都是导致谱峰展宽及分 裂的原因。谱峰展宽带米的问题包括两方面,其一为一阶谱的检测困难,尤其是流速较大一阶 谱越过零频后正负一阶谱重合的情况,或是受局部风速影响,一阶谱只存在单峰的情況;其 为回波能量分散导致雷达探测距离大大降低 图5:斜向探测回波多普勒谱(240米) 图6给出了雷达天线垂直河道时雷达观测的距离多普勒谱,对比图4可以看出,回波信号 相对布拉格频率没有明显的偏移,左右两侧均有较强信号,这是由于垂直探测吋,来自上游和 下游的回波信号均能被接收,因此既有朝向雷达的水流回波,又有背离雷达的水流回波:从最 大探测距离上看,垂直探测最大探测距离约450米,低于斜向探测,这是因为垂直探测时回波 谱展宽更严重,能量被过度分散所致。图7所示给出了垂向探测距离240米处的回波多普勒谱, 从中可以看出最大信噪比约为35dB,频谱展宽及分裂明显,布拉格左右两侧均有明显回波信 图6:垂向探测距离多普勒谱 图7:垂向探测回波多普拗谱(240米) 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4结论 河图雷达系统探测原理源于武汉大学研制的高频地波雷达 OSMAR-S系统,应用领域为 内陆河流、大江大湖等。由亍河流波浪较小,河图雷达系统工作频率提升到超高频段,以满足 小波浪探测;又因为河流季节性强、宽窄深浅不一,河图雷达系统设计了全新的硬件系统,采 用了射频直接采用全数字接收机,雷达参数可通过软件控制平台实时配置,很好的满足了不同 尺度的河流测量。通过对河图雷达系统现场试验结果的分析可知,河流回波谱有着与海洋回波 谱不同的特征,最明显的就是频谱展宽及分裂严重,不仅使得雷达探测距离降低,也给流速提 取带来了很大困难;回波干扰抑制冋样不同于海洋雷达,零频干扰、陆地移动目标干扰、河道 船舶扰等成为主要干扰源。河图雷达在长江中斜向探测最大距离可达600米,垂向探测可达 450米,对丁一般的河流(断面宽度约300米)己足够,但对长江等大江大湖还不够(长江最 窄处也大于1公里)。 参考文献( References) ]刘星,周树道,龙运华.陆地水文传感器的现状与发展趋势.气象水文海洋仪器. 30(01):124-128,2013 2徐立中,张振,严锡君,王慧斌,王鑫.非接触式明渠水流监测技术的发展现状、J.水利 信息化,(03):37-44+50,2013 3 Kazuhiko Fukami, Takayuki Yamaguchi, Hitoki Imamura, and Yoichi Tashiro. 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In Current, Waves and Tun balence measurements(cWTM, 2011 IEEE/OES 10th, pages 78-80, 2011 6王德芳,张家军,丁慧敏.三花间流量测验中YMCP-I型微波流速仪的应用J.人民黃 河,36(01):3334+38,2014 7]韦定国.厂西水文测验方式改革探讨(J广西水利水电,(04):58,2013. 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn ⑧徐翠飞,王瑞荣,王建屮,薛安克.一种基于水流流速的钱塘江涌潮检测方法[·杭州电 子科技大学学报,3303):5760,2013. ⑨郑应成,手持式电波流速仪在中小河流巡测中的可行性研究.水利信息化,(02):4147, 2013 [10 C.J. Wang B. Y. Wen, Z G. Ma, W. D. Yan, and X.J. Luang. Measurement of river surface currents with uhf fmcw radar systemsJ. Journal of Electromagnetic Waves and 4 pplication s,21(3):375386,2007 11 Zhigang Ma, Bi yang Wen, IIao Zhou, Cai jun Wang, and Wei dong Yan. Uhf surface currents radar hardware systeln designJ. Microwave and Wireless Cornponents Letters FFF,15(12):904906,2005 12S. Wang, B Wen, C. Wang, Z. Yan, K Li, and J. Yang Uhf surface dynamics parameters radar design and experimmentJ. Microwave and Wireless CoipoTeruts Letters, IEEE, 24(01):6567,2013 13 Dapeng Jiang, Biyang Wen, Caijun Wang, Ke Li, Zhisheng Yan, and Jing Yang. A new type full digital uhf radar system designJ]. IEICE Electronics Express, 10(11): 1-6. 2013

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