雷達液位計的介紹以及在波浪監測中的應用

摘要
摘要雷達測高儀除了傳統的測波傳感器如壓力表、載波浮標、電平表等外，在波浪監測中應用越來越廣泛。今天各種商用雷達高度計被用作液位計，例如在化學工業中。通過水槽試驗，對兩種常用的、價格相對低廉的傳感器在波浪監測中的適用性進行了實驗研究。第一個分析表明，需要在空間和時間分辨率方面改進商用雷達高度計。當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
在現場和在波流中對波的測量是用不同的技術進行的。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)
•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的無線電波信號之間的相位差，一個從傳感器發射到水面，
另一個從水面反射到傳感器(雷達液位計)[2]
與傳統的壓力表、電平表、載波浮筒等傳感器相比，雷達液位計作為一種遠程測量系統，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)，因此具有優勢。然而，在使用標準雷達液位計進行海浪監測時仍存在一些問題:
•需要安裝(與乘波浮標相比)。
•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。
•雷達的足跡具有平均效應。
•無線電波脈沖的反射取決于水面的坡度。
因此雷達水平指標的適用性在波槽波監測測試“Schneiderberg”(星期)和“Großer Wellenkanal”(GWK) FRANZIUS-INSTITUT在漢諾威,德國,比較傳統的電動水平指標(GHM波高計,西城代爾夫特)與兩種不同的商業雷達水平指標(VEGAPLUS,織女星,KALESTO OTT)(圖2)。

理論背景
雷達液位計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基于雷達脈沖行程時間(左)或調制連續雷達波束相移(右)[4]的雷達液位計測量原理
距離測量的光學方法的較簡單的方法是確定的運輸時間∆t短脈沖光的反射的遠程目標,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產生距離三米的分辨率。
一種更精確的方法是利用光學相位測距。對發射的連續無線電波的頻率進行調制，如圖1(右)所示。因此相移∆f之間的反射波接收和發射波發生。將發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的實測值:

在調頻調制頻率和∆fmax發射機頻率的偏差。
兩種雷達液位計在均質反射面[6]的情況下，在0 ~ 30m范圍內的液位測量精度均可達1mm。對于粗糙的表面，例如不規則波浪的水面，由于光束受表面粗糙度[7]的傾角的調節，測量誤差增大。

試驗裝置
圖2顯示了安裝在WKS和GWK中的不同傳感器。每個雷達傳感器都靠近傳統的GHM傳感器，以便對測量系統進行較優比較。

圖2水槽WKS(左)和GWK(右)實驗設置

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

圖4不規則波情況下GHM波高儀(黑色)、VEGAPLUS雷達液位計(紅色)、KALESTO雷達液位計(藍色)時域(左側)和頻域(右側)測得的水位高程(d = 0.80 m, Hs = 0.25 m, Tp = 3 s)對儀器進行了不同波浪條件(波高、波周期、規則波/不規則波)和水位的測試。WKS的參數集包括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，對傳感器的行為進行了研究。圖3為規則波和圖4為不規則波，給出了WKS中采集的數據集示例。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量上相同，但在數量上存在較大差異。圖3(左)給出了應用雷達液位計存在的問題的初步印象，如KALESTO雷達的信號尖峰，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的內部濾波來提高信噪比。在頻域(圖3(右)和圖4(右))，KALESTO問題產生的白噪聲導致了對地表高程譜幅值的高估，而VEGAPLUS問題導致了對譜幅值的低估。雷達傳感器可以準確地測量波周期和譜峰。
GHM傳感器和雷達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進行了詳細的分析。采用歸零穿越法在時域內確定了平均波高。閾值∆被選為4%的有效波高Hs振幅譜年代的計算(f):

與表面高程ζi的離散時間序列。

結果
圖2為規則波，圖3為不規則波，給出了波周期對GHM傳感器與雷達傳感器測得的波高比的影響。

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

圖6雷達液位計測得的有效波高與經時域(左)和頻域(右)分析得到的GHM波高計測得的不規則波高之比(Hs = 0.15 m)
KALESTO(藍色)高估了由歸零穿越法確定的平均波高。對于規則波，從Hm、Radar/Hm、GHM = 1.3到1.2，對于不規則波(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過低，對高波周期的幅值估計過高。雖然不規則波的譜幅比變化不大，但規則波的譜幅比在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常規波情況下(T = 3 s)，雷達液位計測得的有效波高與GHM波高計在時域(左)和頻域(右)分析得到的有效波高比值

圖8雷達水準儀測得的有效波高與GHM波高計分析得到的不規則波時域(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為規則波，圖8為不規則波。波高和振幅的比值光譜的峰值大約是VEGAPLUS常數(≈0.55)。KALESTO的變化范圍在0.9到1.3之間。
如上所述，上述效應與KALESTO的信噪比較低以及VEGAPLUS的濾波有關。天線的孔徑越大，雷達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。

結論
VEGAPLUS和KALESTO雷達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，尚不能用于波浪監測。未來在FRANZIUS-INSTITUT波浪流場計劃的實驗將有助于克服這一不足，特別是通過改善雷達天線的方向性。