水文现代化：电波流速仪及新技术

电波流速仪是测量水面流速的非接触式流速测量仪器。可以长期自动测量水面流速。

2.3.3.1　工作原理和仪器类型

1.工作原理

电波流速仪也是一种利用多普勒原理的测速仪器，可以称为微波多普勒测速仪。前面所述的超声波多普勒流速仪，是利用超声波在水中很好的传播特性而测速，由于超声波在空气中传播时衰减很快，故不能应用于空气中较远距离的测量。而电波流速仪使用电磁波，频率可高达10GHz，属微波波段，在空气中传播时衰减很慢，可以很好地在空气中传播。因此，使用电波流速仪测量流速时，仪器不必接触水体，即可测得水面流速，属非接触式测量。

测速时，仪器架在岸上或桥上。电波流速仪测速示意图如图2.40所示，工作时电波流速仪发射的微波斜向射到需要测速的水面上。由于有一定斜度，所以除部分微波能量被水吸收外，一部分会折射或散射损失掉。但总有一小部分微波被水面波浪的迎波面反射回来，产生的多普勒频移信息被仪器的天线接收。测出反射信号和发射信号的频率差，就可以计算出水面流速。实际测到的是波浪的流速，可以认为，水的表面是波浪的载体，它们的流速相同。如前所述，按照多普勒原理有：

图2.40　电波流速仪测速示意图

1—电波流速仪；2—水面波浪放大；3—θ1为俯角、θ2为方位角；4—测流断面

式中：v为水面流速（垂直于测流断面）；C为电波在空气中传播速度，3×108m/s；θ为发射波与水流方向的夹角，应该是俯角θ1和方位角θ2的合成。

由式（2.16）可得：

式（2.17）和超声波多普勒测速的原理基本一致，只是电波流速仪的收发探头是一个，所以可用2cosθ代表，测得的也只有一个垂直于测流断面的流速分量。有的仪器设计为只能在桥上正对水流测速，方位角永远为零。正在发展扫描式电波流速仪，可以测量一个范围内的水面流速分布。

2.仪器类型

（1）一般测速的电波流速仪。这种仪器需要人工操作，一次测量水面某一点的流速。

（2）自动测速的电波流速仪。这类仪器能安装在某一固定点（如桥上），长期自动测记仪器对准水面处的水面流速，国内应用极少。

（3）自动扫描式电波流速仪。国外的电波流速仪发展很快，一些产品可以自动测得俯角，也有扫描式的产品，扩大了自动测速的功能。发展中的自动扫描式产品可以在海岸上扫描几平方公里甚至几十平方公里范围内的海面海流分布。海面上浪很高，有利于微波反射，测速要求也不会太高，所以可以这样扫描测速。在河流流速测量中，国外也在试用扫描式电波流速仪，可以固定安装在岸上、甚至装在直升机上进行水面流速自动测量。这些发展会对流速流量的自动测量、洪水监测产生重要的作用。

2.3.3.2　LD15—1型电波流速仪

LD15—1型电波流速仪国内使用较多，是一种人工操作的电波流速仪。电波流速仪如图2.41所示。

1.仪器的结构与组成

图2.41　电波流速仪

仪器由探测头、信号处理机、电池三部分组成。探测头上装有发射体和天线。探测头可手持或装在支架上，向水面发射微波，同时接收水面的反射波。信号处理机按照预定的设置，控制探测头发射微波，并处理接收到的反射波，计算频移fD，再根据俯角、方位角计算出水流速度。一般应在预定的时段中进行多次测量，从而计算和显示流速平均值。仪器具有多种自校和自我判别功能。在野外测流时，仪器能自动判别反射波是否稳定和有足够强度。如能保证测得数据的稳定，仪器才开始测量。如果反射波太弱或不稳定，不能满足测量要求，仪器会自动提示使用者，同时也不进行测速，以避免错误数据的产生。

2.技术性能

LD15—1型电波流速仪可以在岸上或桥上测量水面的点流速，不要求接触水面，能自动计算和显示出测量数据，也可以输出测量结果，供记录处理用。它的主要技术指标如下：

测量范围：0.5～15m/s；测量角度：俯角20°～60°，方位角0～30°，人工置入修正；测量时段：10～999s任选，仪器自动测量出该时段内的平均流速；测量精度：均方差±3%；测量距离：流速大于3m/s时，测量距离不少于20m；输出：四位LCD流速显示，单位m/s；电源：DC12V±10%，或AC220V；功耗：≤20W；工作环境温度：0～45℃；仪器工作频率：10GHz。(www.xing528.com)

国外产品较多，这里也列出一种产品，以供了解相应产品的技术性能。测速范围：1～13m/s；测速准确度：±0.03m/s；水平偏角范围：0～45°，人工置入修正；垂直俯角范围：0～45°，自动修正；速度平均功能：测速间隔5s，显示多次测量结果的平均值；架设方法：手持或架设；电波频率：24GHz；功率：10m W；电源：内置可充电电池；工作环境：－30～70℃。

2.3.3.3　电波流速仪的安装和应用

1.人工测速

（1）安装地点选择。以桥测为主要应用方式，架设在桥上，正对水流测速。尽量不要在岸上测速。要考虑到测速微波的波束角，再根据仪器离水面高度和俯角来估计波束在水面上的椭圆投影面，此投影面不能过大。

（2）仪器的安装。将仪器三角架固定置于地面，在三角架上安装电波流速仪，调好水平。按说明书要求连接电源、信号线。如果在吊箱上，或在不太稳定的状态下应用，要尽量保证俯角、水平方位角的稳定性。手持式电波流速仪是一体化仪器，只需手持对准水面就可测速。

（3）仪器的应用。人工测速时，每次测得一个测点流速，由人工按说明书操作进行。

2.自动测速

（1）安装地点的选择。同“人工测速”部分。

（2）仪器的安装。需要长期自动测量某水面点流速时，要将电波流速仪天线牢固地安装在固定基础上，使它对准测速点，尽量使俯角处于最佳位置（30°左右），水平方位角尽量小些。连接好电源控制记录器。长期应用时，必须有很好的遮蔽风雨、阳光的设施和防雷措施。

（3）仪器的应用。自动测速的电波流速仪将按预置的参数自动工作。定期取回测得数据，或遥测系统取得实测和存储的数据。

2.3.3.4　电波流速仪的特性和准确性分析

1.特性

电波流速仪是国内正式使用的唯一非接触式流速仪，它的最重要特点是可以不接触水体，远距离测量流体，测量速度很快。测速时不受水面、水内漂浮物影响，也不受水质、流态等影响。而且流速越快，漂浮物越多，波浪越大，反射信号就越强，更有利于电波流速仪工作。所以电波流速仪很适合于洪水时的巡测和桥测方式。电波流速仪架设方便，也很安全，仪器也能在很稳定的吊箱上工作。

电波流速仪测得的是水流表面流速，可以取代浮标测流。但不能取代常规的流速仪测流。它的低速测量性能不太好，流速测量范围的低速端较高，常在0.5m/s以上。为了得到较强的水面波浪迎波面的回波，希望能有较明显的波浪，这也是不适用于低速的原因。如果水面相当平滑，流速较高时仍不会有强反射，仪器也不能正常工作。不过，仪器会自动提示信号强度不够和不显示测得值。声束形成的水面投影随距离增大而增大，会降低测速准确性和反射信号强度，所以应该使测量距离尽可能短一些。除了很小的河流，也不要在岸上使用，要尽可能在桥上或很稳定的吊箱上使用。

2.准确性分析

电波流速仪没有较大的测量误差因素，影响测速准确度的是测量方法。

首先，它测得的是水面波浪迎波面或是水面漂浮物的反射波，波浪和漂浮物的速度并不等于水面流速，其差值因各种水流和漂浮物而不同。影响更大的是风速风向，其造成的测速误差不可忽视。波浪和漂浮物除了随水流运动外，它们自己也有运动，也会造成一些附加误差。

另外，雷达波束会有10°左右的波束角，斜向发射到水面上，会形成一个长圆形的水面投影。在此投影内，任意一处的强反射都可能被电波流速仪确认为是测点流速，使得测得流速所在位置有很大的不确定性，影响测速准确性。

电波流速仪测速时要用俯角和水平方位角的余弦进行流速计算，这些角度都是针对声束角中轴线而言的。这些角度会有1°～2°的测量误差。另外，声束有10°左右的声束角，在此范围内都有可能产生仪器接收到的测速回波信号。此回波信号的反射点和电波流速仪形成的俯角和水平方位角会发生几度的误差，将影响测得的流速准确性。

2.3.3.5　电波流速仪的定期检查与流速比测

1.定期检查

电波流速仪是电子仪器，并不下水工作，平时只需要定期检查其工作状态。

2.流速比测

在野外使用电波流速仪时，往往都要用转子式流速仪同步测速，以转子式流速仪测得值为准进行比对。要在断面上不同点、在不同流速段进行比测。比测时，确定电波流速仪的测速波束照准某一水面点。在这水面点（下）用转子式流速仪测量水面流速，用电波流速仪同步测量水面流速。比测结果应基本不超过允许范围。

这样的比测检定很可能会有一部分测点的比测误差超过电波流速仪误差允许范围。除了准确度分析中提到的原因外，还有转子式流速仪的测速位置问题。转子式流速仪测水面流速时仪器必须全部放到水下，要至少在水下10cm以上。测得流速和水面流速不会完全相同，加上转子式流速仪本身的误差，比测检定的结果超过电波流速仪的误差是很可能的。