雷達(dá)液位計(jì)的介紹以及在波浪監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要
摘要雷達(dá)測高儀除了傳統(tǒng)的測波傳感器如壓力表、載波浮標(biāo)、電平表等外，在波浪監(jiān)測中應(yīng)用越來越廣泛。今天各種商用雷達(dá)高度計(jì)被用作液位計(jì)，例如在化學(xué)工業(yè)中。通過水槽試驗(yàn)，對兩種常用的、價格相對低廉的傳感器在波浪監(jiān)測中的適用性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。第一個分析表明，需要在空間和時間分辨率方面改進(jìn)商用雷達(dá)高度計(jì)。當(dāng)今傳感器的常見問題是噪聲水平高，需要較大的平均間隔，以及傳感器占用空間大。

介紹
在現(xiàn)場和在波流中對波的測量是用不同的技術(shù)進(jìn)行的。常用傳感器通過測量來推算水面高程:
•傳感器(壓力表)[1]上方水柱的壓力
•浮舟在水面上游動時的加速度(載波浮標(biāo))
•兩個金屬電極之間的水柱電阻(電液表)
•無線電波脈沖從傳感器到水面來回的傳播時間或兩個連續(xù)的無線電波信號之間的相位差，一個從傳感器發(fā)射到水面，
另一個從水面反射到傳感器(雷達(dá)液位計(jì))[2]
與傳統(tǒng)的壓力表、電平表、載波浮筒等傳感器相比，雷達(dá)液位計(jì)作為一種遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)，由于不直接接觸水體(不存在腐蝕問題，傳感器不受波浪沖擊)，因此具有優(yōu)勢。然而，在使用標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行海浪監(jiān)測時仍存在一些問題:
•需要安裝(與乘波浮標(biāo)相比)。
•海水的鹽度和海冰覆蓋會影響無線電波脈沖在水中的穿透。
•雷達(dá)的足跡具有平均效應(yīng)。
•無線電波脈沖的反射取決于水面的坡度。
因此雷達(dá)水平指標(biāo)的適用性在波槽波監(jiān)測測試“Schneiderberg”(星期)和“Großer Wellenkanal”(GWK) FRANZIUS-INSTITUT在漢諾威,德國,比較傳統(tǒng)的電動水平指標(biāo)(GHM波高計(jì),西城代爾夫特)與兩種不同的商業(yè)雷達(dá)水平指標(biāo)(VEGAPLUS,織女星,KALESTO OTT)(圖2)。

理論背景
雷達(dá)液位計(jì)是基于上述兩種不同的測量原理之一。這兩個原理如圖1所示。

圖1基于雷達(dá)脈沖行程時間(左)或調(diào)制連續(xù)雷達(dá)波束相移(右)[4]的雷達(dá)液位計(jì)測量原理
距離測量的光學(xué)方法的較簡單的方法是確定的運(yùn)輸時間∆t短脈沖光的反射的遠(yuǎn)程目標(biāo),即水面(圖1(左)。水面到傳感器的距離d由

以光速c。一個高精度測量所需的時間6.6⋅10 - 12 s產(chǎn)生距離三米的分辨率。
一種更精確的方法是利用光學(xué)相位測距。對發(fā)射的連續(xù)無線電波的頻率進(jìn)行調(diào)制，如圖1(右)所示。因此相移∆f之間的反射波接收和發(fā)射波發(fā)生。將發(fā)射信號與反射信號混合，得到低頻信號(拍頻)，可提供高精度[5]距離d的實(shí)測值:

在調(diào)頻調(diào)制頻率和∆fmax發(fā)射機(jī)頻率的偏差。
兩種雷達(dá)液位計(jì)在均質(zhì)反射面[6]的情況下，在0 ~ 30m范圍內(nèi)的液位測量精度均可達(dá)1mm。對于粗糙的表面，例如不規(guī)則波浪的水面，由于光束受表面粗糙度[7]的傾角的調(diào)節(jié)，測量誤差增大。

試驗(yàn)裝置
圖2顯示了安裝在WKS和GWK中的不同傳感器。每個雷達(dá)傳感器都靠近傳統(tǒng)的GHM傳感器，以便對測量系統(tǒng)進(jìn)行較優(yōu)比較。

圖2水槽WKS(左)和GWK(右)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖3常規(guī)波情況下GHM波高儀(黑色)、VEGAPLUS雷達(dá)傳感器(紅色)、KALESTO雷達(dá)傳感器(藍(lán)色)時域(左側(cè))和頻域(右側(cè))測得的水位高程(d = 0.80 m, H = 0.30 m, T = 4 s)

圖4不規(guī)則波情況下GHM波高儀(黑色)、VEGAPLUS雷達(dá)液位計(jì)(紅色)、KALESTO雷達(dá)液位計(jì)(藍(lán)色)時域(左側(cè))和頻域(右側(cè))測得的水位高程(d = 0.80 m, Hs = 0.25 m, Tp = 3 s)對儀器進(jìn)行了不同波浪條件(波高、波周期、規(guī)則波/不規(guī)則波)和水位的測試。WKS的參數(shù)集包括0.80 m - 1.00 m的水位、0.05 m - 0.40 m的波高和1 s - 6 s的波周期。在GWK中，在水位為3.00 m - 5.00 m，波高為0.60 m - 1.20 m，波周期為3.5 s - 9.5 s的情況下，對傳感器的行為進(jìn)行了研究。圖3為規(guī)則波和圖4為不規(guī)則波，給出了WKS中采集的數(shù)據(jù)集示例。這兩個例子分別在時域(左)和頻域(右)給出。
不同傳感器測得的地面高程時間圖雖然在質(zhì)量上相同，但在數(shù)量上存在較大差異。圖3(左)給出了應(yīng)用雷達(dá)液位計(jì)存在的問題的初步印象，如KALESTO雷達(dá)的信號尖峰，是由于信噪比差，相移以及VEGAPLUS測得的波幅減小造成的。后者是通過VEGAPLUS的內(nèi)部濾波來提高信噪比。在頻域(圖3(右)和圖4(右))，KALESTO問題產(chǎn)生的白噪聲導(dǎo)致了對地表高程譜幅值的高估，而VEGAPLUS問題導(dǎo)致了對譜幅值的低估。雷達(dá)傳感器可以準(zhǔn)確地測量波周期和譜峰。
GHM傳感器和雷達(dá)傳感器的偏差取決于波的特性。下面分別對不同傳感器的平均波高或峰值幅值的傳遞函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。采用歸零穿越法在時域內(nèi)確定了平均波高。閾值∆被選為4%的有效波高Hs振幅譜年代的計(jì)算(f):

與表面高程ζi的離散時間序列。

結(jié)果
圖2為規(guī)則波，圖3為不規(guī)則波，給出了波周期對GHM傳感器與雷達(dá)傳感器測得的波高比的影響。

圖5常規(guī)波情況下(H = 0.20 m)，雷達(dá)液位計(jì)測得的波高與GHM波高計(jì)分析得到的時域(左)和頻域(右)波高比

圖6雷達(dá)液位計(jì)測得的有效波高與經(jīng)時域(左)和頻域(右)分析得到的GHM波高計(jì)測得的不規(guī)則波高之比(Hs = 0.15 m)
KALESTO(藍(lán)色)高估了由歸零穿越法確定的平均波高。對于規(guī)則波，從Hm、Radar/Hm、GHM = 1.3到1.2，對于不規(guī)則波(JONSWAP譜)，從Hm、Radar/Hm、GHM = 2.0到1.0，隨著波周期T或Tp從1 s增加到6 s，高估的程度降低。分析幅值譜中的峰值時，卡斯托對低波周期的幅值估計(jì)過低，對高波周期的幅值估計(jì)過高。雖然不規(guī)則波的譜幅比變化不大，但規(guī)則波的譜幅比在0.5到1.5之間。
與KALESTO相比，VEGAPLUS總是低估平均波高和譜幅值。平均波高比和譜幅值比從約x開始分別增大。在有規(guī)則波的情況下，從0.15到0.95，從大約x。0.10 ~ 0.80，波周期由1 s增加到6 s。

圖7常規(guī)波情況下(T = 3 s)，雷達(dá)液位計(jì)測得的有效波高與GHM波高計(jì)在時域(左)和頻域(右)分析得到的有效波高比值

圖8雷達(dá)水準(zhǔn)儀測得的有效波高與GHM波高計(jì)分析得到的不規(guī)則波時域(左)和頻域(右)的有效波高比值(Tp = 3 s)
波高對平均波高比和譜幅值的影響小于波周期的影響，圖7為規(guī)則波，圖8為不規(guī)則波。波高和振幅的比值光譜的峰值大約是VEGAPLUS常數(shù)(≈0.55)。KALESTO的變化范圍在0.9到1.3之間。
如上所述，上述效應(yīng)與KALESTO的信噪比較低以及VEGAPLUS的濾波有關(guān)。天線的孔徑越大，雷達(dá)波束在海面上的足跡越小，可以改善濾波特性。使用更高的無線電頻率(如24 GHz而不是9 GHz[8])也能獲得同樣的方向性改善。

結(jié)論
VEGAPLUS和KALESTO雷達(dá)已可用于測量緩慢水位變化(水位表/潮汐表)[9]，但不具備傳輸功能，尚不能用于波浪監(jiān)測。未來在FRANZIUS-INSTITUT波浪流場計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)將有助于克服這一不足，特別是通過改善雷達(dá)天線的方向性。