微波测流比测试验方法探讨分析

陈海燕 胡景远

（黄河水利委员会三门峡水文局，河南 三门峡 472000）

摘要：微波测流仪为水面流速非接触式测验仪器，其功能为我们的流速测量带来很大方便。因为微波测流仪测得的是水面流速，又是准备替代浮标的，因此我们很容易把它和浮标联系起来，试验的方法也自然采用类似浮标系数率定的方法。浮标系数的率定经过许多年漫长的历史，上世纪50～90年代一直在率定浮标系数，开展了几十年。随着科学技术发展，新仪器、新设备更新换代迅速，显然花几十年率定仪器流量系数是不现实的，探讨新仪器、新设备比测试验方法是必要的。

关 键 词：微波测流；比测；方法；探讨

1 问题的提出

微波测流仪为水面流速非接触式测验仪器，其功能为我们的流速测量带来很大方便。《河流流量测验规范》规定：“第5.6.2条 水面浮标系数的试验，关系曲线不应过多外延。并应逐年积累资料，增大比测试验的水位变幅。高水部分应包括不同水位和风向、风力（速）等情况的试验资料，试验次数应大于20次”^[1]。很多地方的试验资料要求达到30次以上。因为微波测流仪测得的是水面流速，又是准备替代浮标的，因此我们很容易把它和浮标联系起来，试验的方法也采用浮标系数率定的方法。我们知道，浮标系数的率定经过许多年漫长的历史，记得上世纪80、90年代还在率定浮标系数，当时已经开展了几十年。微波测流仪研制成功也有许多年了，目前还没有像流速仪那样投入应用，我们应该反思这个问题。如果像浮标试验那样，每个流量级至少试验20次，中小水容易完成试验，较大洪水，很多年难遇一次，很难完成试验工作。真正出现洪水需要微波测流仪时，我们又没有比测资料出来，仪器不能推广应用。这是我们仪器比测工作应该考虑的问题。

2 微波测流仪工作原理

YMCP-1型非接触式微波测流仪是利用雷达多普勒效应原理，非接触式测量水面流速的一种新型测流仪器。通过向水面发射大于37GHz频率的一束微波，部份电磁波能量折射入水中，一小部份能量被水面波浪反射回来（见图1-5），产生多普勒相移信息（频率信息）被仪器天线接收。波浪底下的水流是波浪的载体，所以波浪和水流的运动速度存在一定的关系，天线接收到的信号频率相对于发射频率有一定的偏移，其直接关系式为：

fa=|fo-fd| （1）

式中： fa——多普勒频率；

fo——发射频率；

fd——接收到的回波频率。

通过仪器接收天线经圆极化混频器后输出与水面流速呈一定关系的频率信号，其关系如下：

fd=2×v×cosφ1×cosφ2／λ （2）

式中： fd——多普勒频率；

V——水流速度；

φ1——俯角，发射波和水流方向在垂直面的夹角；

φ2——方向角，发射波和水流方向在水平面的夹角；

λ——波长系数，λ=f0/C；其中f0为发射的微波频率，C为电波在空气中的传播速度（3×10⁵m/s）；

通过倾角传感器自动测量角度，通过软件滤波和频谱分析计算出水流表面的流速。通过LCD显示，并通过短波电台和RS232通讯接口将测量数据传输到计算机进行分析计算处理，微波测流仪对测量数据进行固态存储。

3 目前微波测流仪比测试验方法

3.1 目前微波测流仪的比测原理

我们可以从浮标系数的推算公式入手，来分析微波测流仪的比测原理。

考虑空气阻力对浮标的影响时的浮标系数公式为^[2]：

（3）

式中： ——断面浮标系数；

——河槽改正系数；

——断面平均水面流速系数；

A ——浮标阻力分布系数；

——断面平均空气阻力参数。

由于微波测流仪只在一个断面测量，上式中的河槽改正系数为1。微波测流仪测得的水面流速应为实际值，即1m/s的流速就应该是1m/s的流速，不应该出现改正系数，A=1。使用微波测流仪时的微波系数（ ）应为：

（4）

如果无风时， =0

（5）

微波系数就是水面流速系数。可见，微波测流仪的比测实际就是水面流速系数的比测。

3.2 微波测流仪比测试验方法

目前，微波测流仪的比测方法多采用类似于浮标试验的全断面比较方法，即采用流速仪进行断面流量测量，计算出断面流量结果，该结果作为断面流量的真值。微波测流仪测得断面选定起点距（一般和流速仪测流垂线重合）的水面流速，该水面流速作为垂线虚流速，按照断面起点距、水深计算断面流量作为断面虚流量，断面流量真值除以断面虚流量作为微波系数。目前的比测试验方法可谓“推算断面平均水面流速系数”，

4 当前微波测流仪比测存在问题

4.1 试验的目标

微波测流仪试验的目标我们应该很清楚，就是达到测站流速测验使用。什么时候测站把它作为常规仪器使用了，我们的目的就达到了，目标就实现了。

我们以往的浮标测验，每年要准备许多浮标材料，堆一堆秸秆、麦草；夜明浮标要准备油料、灯光之类；要设立专门的投放设施；要有足够的通信设备；人员上更是最大的问题，一般需要6个人，小河站人员不够时往往需要随时雇人测流。如果使用微波测流仪，一般2个人就够了，一个人测流，一个人记录。如果是缆道站，采用无线型号的微波测流仪，一个人连操作缆道、测量、记录计算都干了。可以说微波测流仪是会受到测站欢迎的，应采取措施加快这一目标的实现。

4.2 试验的任务

微波测流仪试验的任务应该包括：

（1）仪器对环境的适应

仪器对环境的适应性是仪器可能投入应用的前提。例如，GPS可以定位坐标，很方便。如果你把它拿到山沟里就不行，收不到卫星信号，再好的仪器也没用。微波测流仪多在偏僻的河道上使用，受其他干扰信号的影响较小，对干扰信号的影响应该不存在。其他方面如狂风、暴雨、雷电等多发地区是否适用，应该怎样应对防范是要总结研究的问题。

（2）仪器安装与操作

微波测流仪虽然手持也可测量，但为了保证测量精度往往需要安装在其它平台上，安装高度、安装角度、平台的稳定性等对测量均有影响。根据资料显示，微波测流仪在小流速时安装高度离水面一般小于2～3m，流速较大时安装高度离水面一般采用8～20m，我们应尽可能保证这些条件，这些都是经过大量试验得出的结论，可以根据自己的情况选择最合适的安装及操作方法。

（3）仪器观测数据检验

仪器数据检验是检查仪器性能的重要工作。不管仪器介绍的怎么好，其结果必须是我们应该得到的结果。“是骡子是马必须牵出来溜溜”。但这项工作必须在较好的条件下来完成，必须保证我们用作真值的数据的正确，而不是测出一个数据就行了。洪水时期进行精度试验大部分情况下是徒劳无功的，但洪水时期进行能力试验还是应该的。譬如微波测流仪测到了10m/s以上的流速，我们可以估计这个流速的可信度，但计算它的精度是无意义的。

（4）特殊情况与处理方法

水文外业的情况是复杂的，不能以理想的认识去处理复杂的问题。譬如我们室内有时想象的水流表面是平整的，事实上是有波浪，有纵比降，有横比降，有顺流，有逆流。就是波浪，有向前传播的波浪，也有向后翻卷的波浪。我们不能看到问题就认为有错误，应该认真查找一下原因，寻求处理的方法。

5 微波测流仪有关问题的研究

5.1 仪器比测试验的技术能力

比测试验是科技创新成果推广应用必须经过的一个关隘，比测试验的结果决定科技创新成果能否推广应用。比测试验目前主要存在三个问题，即试验人员资格问题、比测真实性问题、比测的方法问题。

（1）比测人员的能力问题

仪器比测试验是一项积方法和技巧为一体的高水平技术工作，试验人员的工作能力往往对比测结果有决定作用。比测试验不像我们平时的工作即便有点误差也没有太多的影响。进行比测试验必须由专业的机构来组织，由较高比测技术及比测经验的人员来完成，比测的方法应该组织专家来审定，比测现场应该有专家进行检查和指导。

（2）比测试验的真实性问题

比测试验的真实性这里不是说比测过程中的弄虚作假，这个在实际工作中几乎是不存在的。比测试验的真实性这里是指比测的结果是否是科技创新成果的真实特性。在微波测流仪试验过程中，也要注意这方面的问题，要保证试验结果的真实性。

5.2 微波测流仪的精度试验问题

首先说，我们该不该每个站都进行微波测流仪精度试验的问题。微波测流仪测的是水面流速，与水体内部的成分无关，只要安装合理，操作正确，能反射回信号，说明仪器满足使用的基本条件。通过一部分水面流速对比观测，仪器不存在较大偏差，就应该决定仪器的使用了。

5.3 微波测流仪比测方法问题

目前，微波测流仪的比测方法可谓“断面流量系数法”，即进行断面流量进行比较。将流速仪测量计算的断面流量作真值除以微波测流仪测量计算的断面虚流量得出断面流量系数（微波系数），即公式（5） 。

如果每条垂线的微波系数为 ，则断面虚流量（Q_w）计算如下：

…… （6）

公式（6）才是微波测流仪断面虚流量计算的准确公式。

如果 = ，则公式（6）就变成了目前的虚流量计算公式：

…… （7）

如果 ≠ ，显然公式（6）就没法变成目前的虚流量计算公式（7）。

目前的计算方法是在公式（6）的基础上假设了条件简化过来的，其计算结果是存在误差的。既然如此，我们就没有必要让计算结果由准确变成不准确。

5.4 微波测流仪数值代表性问题

微波测流仪有时会测得非常正确的数据，也是非常严重的误差。说它非常正确是从它测量的数值本身来说的，他确确实实是客观存在的事实，但它不是我们应要的数据。我们在洪水时可以看到，有些波浪总体是向前流动的，但总会有一部分向后翻卷，如果测到的是这部分很小的特殊水体部分，流速会很小，我们会认为是仪器测量错误。实际上，仪器测得数据是正确的，但它没有代表性。

5.6 风力对水面流速系数的影响问题

风力对水面流速系数的影响一般分顺河风和逆河风，顺河风将使水面流速增大，逆河风将使水面流速减小。图1为黄河潼关水文站不同风向、风力微波测流仪的比测情况：

图1 风向对微波系数的影响

从图1可以看出，无风时微波系数在0.5～1.1之间，顺风时在0.7～1.3之间，逆风时在0.6～0.9之间。就是顺风时的微波系数大于逆风时的微波系数。

本来顺风时的水面流速增大，测得的虚流量应该大，微波系数应该小才对，为什么出现这种情况，还需要今后研究。

6 结论与建议

（1）微波测流仪是一种新型流速测验仪器，仪器采用远距离非接触方法测量水面流速，测量时不受水中含沙量、漂浮物等影响。使用微波测流仪不需要准备任何物资，可以连续快速的进行流速测量，微波测流仪应用后可以说是浮标测验的一次革命。

（2）微波测流仪试验的目标就是达到测站流速测验时正常使用。什么时候测站把它作为常规仪器使用了，我们的目的就达到了，目标就实现了。微波测流仪可以节约费用开支，提高工作效率，减少测量人员，很受测站欢迎，应采取措施加快这一目标的实现。

（3）微波测流仪试验的重点应该是仪器对环境的适应、仪器安装与操作及仪器观测数据检验。其中仪器对环境的适应性是仪器可能投入应用的前提，仪器安装与操作是仪器应用的关键环节，仪器观测数据检验是仪器投产的最后门票。

（4）我们该不该每个站都进行微波测流仪精度试验，这个问题应该认真讨论。规范规定了新仪器的比测试验，但并没说每个站都要试验。如果需要，也只需一个区域选一个站试验就行了，没必要每站都搞。选择代表站重点组织，重点试验，发挥精兵强将的作用将会取得更好的试验效果。

（5）微波测流仪实际是以测速为基础的仪器，我们比测试验的重点应放在测速部分。我们第一步需要比测它的测速，测速就是要一个点、一个点的对比。加入了垂线或断面后，本来垂线平均与水面流速的关系就不是很好，断面上的关系将更差，这些本来与仪器的性能无关，不应该把本不属于仪器的问题强加到仪器上。

（6）微波测流仪断面虚流量计算的准确公式应该是从垂线开始，以断面为单元的比测实际是以前技术落后情况下的无奈之举，在简化过程中加入了一些假定。这些假定将使成果产生误差。比测试验由以断面为单元的试验变成以垂线为单元比测的试验。这种改变将使比测工作量减少，工作效率提高，加快仪器的投产使用。

（7）微波测流仪有时会测得非常正确的数据，也是非常严重的误差。说它非常正确是从它测量的数值本身来说的，他确确实实是客观存在的事实，但它不是我们要要的数据。对这种情况，我们要研究处理的办法。在软件处理上，我们可以剔除严重偏小的数据，这与任意抛弃数据是不同的。

参考文献：

[1]水利部等. 河流流量测验规范.北京：中国计划出版社.1992年.第48～57页.

[2]水利部等. 河流流量测验规范.北京：中国计划出版社.2015年.第84～101页.

作者简介：陈海燕（1978－），男，河南民权人，工程师，主要从事水文测验技术研究。

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