專利名稱：利用vhf/uhf雷達站監(jiān)測河流流速參數(shù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及雷達，更具體地，涉及用于利用VHF/UHF 雷達站監(jiān)測河;危:i^速(river flow )參凄t的系纟克和方法。
背景技術(shù)：
河流流速(尤其是作為時間函數(shù)的經(jīng)過一點的體積流量 (volume discharge))的監(jiān)測是一項可回溯至一個多世紀以前的、 建立的4艮完善的4支術(shù)。目前，在美國有凄t千種正在4吏用的河流 (stream )測量系統(tǒng)。許多老百姓都依靠河流流量的可自由使用的 可用性用于農(nóng)業(yè)、洪水控制/監(jiān)測、船只作業(yè)等的決策。不幸地是， 傳統(tǒng)方法都具有使用置于水下的傳感器的缺點，因而它們的壽命是 有限的且維護費用昂貴。由此，已經(jīng)由包括美國地質(zhì)測量局、州級 機關(guān)等的很多機構(gòu)明確表達了對"非接觸，，替換品的需求?，F(xiàn)在， 獲耳又4黃穿河流的速度分布圖(profile,分布)^皮i人為是對估計整個 河流流量的過程所i殳置的 一個可以4妄受的輸入數(shù)據(jù)。
高頻(HF)雷達已經(jīng);故廣泛用來測纟會海洋表面上的水流。其部 分原因是因為高頻雷達的長波長信號，當高頻雷達的長波長信號由 主要的海面波散射時，會產(chǎn)生十分簡單的、穩(wěn)健的物理的和現(xiàn)象的 判讀(interpretation),而這種判讀是不能通過使用更廣泛地應(yīng)用的 微波雷達來得到的。水流或表面流模式(pattern)引起了來自布拉格散射波(即，移向雷達以及遠離雷達的那些半雷達波長)的多普 勒頻移。已知的由波動引起的速度使得傳送布拉格波的水流引入了 額外的多普勒頻移，而前者可以基于后者的信息而被提取。觀測海 上的同一點的海岸上的兩個或多個雷達使得總的水平速度矢量-皮
構(gòu)造在/^徑向線開始的每個圖面點處。美國專利第4,172,255號和 第5,361,072號描述了 HF雷達近岸流(coastal current)測繪雷達的 技術(shù)，而美國專利第5,990,834號描述了如何使用高度緊湊的天線 確定這些流測纟會雷達的方位(bearing )。然而，7見測河流表面的HF 雷達并不適合，因為與HF波長對應(yīng)的長布拉4各波不存在于4交小尺 寸的河流和水道上。
其波長跨越數(shù)厘米的微波雷達已經(jīng)被嘗試用于河流速度的分 布(profiling )。也可進行精確范圍測量的多普勒方案(version)具 有昂貴、并因此對于廣泛應(yīng)用來說具有較小吸引力的缺點。另一個 缺點是由其非常短的波長造成的復雜的散射機制；這導致了水速度 4是取的不4青確，因為在海上的HF和在河上的超高頻(UHF)處工 作良好的簡單布拉格波散射關(guān)系是不可用的；故必須建立精確度較 4氐的經(jīng)-驗法則。另一方面，利用它們的拋物面反射器天線形成窄波 束是一個容易玉里解的相克念?？梢栽?Measurement of River Surface Currents with Coherent Microwave System," Plant等人,IEEE Trans. Geoscience & Remote Sensing, Vol.43, No.6, pp.1242-1257, 2005中找 到 一個〗吏用用于河流監(jiān)測的孩t波雷達的實例。
為了實現(xiàn)與孩i波雷達擁有的UHF的窄波束寬度相同的窄波束 寬度，需要一個大小為數(shù)十米的天線。這從結(jié)構(gòu)尺寸和成本上都是 相當難以接受的。如今具有通用的緊湊天線的HF海流測繪雷達已 經(jīng)通過為了寬闊的3見野(大到360° )而交換(trade)高的方向性 增益，避免了大尺寸的限制。美國專利第5,361,072號描述了由緊 湊的、共處一地的交叉環(huán)和單極天線所組成的測向雷達系統(tǒng)。"UHF Surface Current Radar Hardware System Design" Ma寺 人,IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol.15, No. 12, pp.904-906， 2005中描述了 一個UHF河流速度監(jiān)測雷達的實例。這 個系統(tǒng)在300MHz處工作，并JM吏用河岸上的/^木(yagi)天線。 然而，這個中國的系統(tǒng)具有兩個主要的限制。第一，/\木天線具有 很寬的波束寬度。當在傳統(tǒng)配置下單獨使用時，它們產(chǎn)生具有嚴重 降級的方位分辨率的速度分布圖或示意圖，從而會產(chǎn)生偏差。第二， 該系統(tǒng)使用CW (連續(xù)波或非脈沖信號形式)，這會壓迫(stress) 4妄收4幾的動態(tài)范圍。為了處理弱信號，Ma等人論述了對發(fā)送和4姿 收獨立的多個天線的需求，在這些天線之間具有降低干4尤的防護裝 置(fence)。這對穩(wěn)健的工作構(gòu)成了嚴重的阻礙，因為他們的天線 配置不再緊湊，且其不再是低成本的系統(tǒng)。
因此，為了實現(xiàn)UHF河流監(jiān)測雷達提供的多種有益效果，由 此發(fā)明人已經(jīng)認識到了很多需要克服的障礙。本發(fā)明通過提供用于 實時的河流速和流量監(jiān)測的節(jié)省成本的VHF/UHF方法，解決了這 些以及其4也問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明才是供了用于利用VHF/UHF雷達站來監(jiān)測河流參凄t的多 個系統(tǒng)和多種方法。在一個實施例中，用于監(jiān)測河流參數(shù)的系統(tǒng)包 括具有至少一個天線陣列的雷達站，其與河岸定位成操作關(guān)系 (operative relationship );連4妄到至少 一個天線陣列的至少一個4妄收 信道；連接到至少一個接收信道的測向模塊；連接到測向模塊的去 混疊(de-aliasing)模塊；以及選自以下組的至少一個才莫塊,該組包 括連接到去混疊才莫塊且可才喿作以計算作為4黃^夸河流的距離的函凄t 的下游表面流速的分布圖的分布(profiling)才莫塊，以及連接到去 混疊塊且可才乘作以 -使用由雷達站測量的表面速度的子集來估計河 力充力充量的索虧1才莫塊(indexing module )。在另一實施例中，用于監(jiān)測河流參數(shù)的方法包括乂人與河岸定 位成操作關(guān)系的雷達站接收數(shù)據(jù)，預處理接收到的數(shù)據(jù)，將測向 (DF)算法應(yīng)用于預處理的lt據(jù)，將去混疊算法應(yīng)用于DF數(shù)據(jù)， 以及執(zhí)行以下步驟中的至少一個計算作為橫跨河流的距離的函數(shù) 的下游表面流速的分布圖；以及使用由雷達站測量的表面速度的子 集來估計河流流量。在又一實施例中，具有在其上記錄有計算;^幾程 序的計算機可讀介質(zhì)使計算機執(zhí)行一個或多個前面提到的步驟。
本發(fā)明提供了用于基于來自表面波的反向散射確定河流和/或 溪流流量的VHF/UHF雷達系統(tǒng)和方法。輻射頻率的多普勒頻移揭二 供了 一種可被雷達觀測到的河流表面上的每 一 點處的徑向速度的 度量。然后，這個徑向速度圖以及其信息可以被用于估計體積流量， 這是大多凄t用戶都關(guān)心的重要的量。雷達站可以位于河岸上，乂人而 克服了依靠置于水中的儀器的傳統(tǒng)的河流測量方法的缺點。它還提 供了比微波雷達更為穩(wěn)健的、節(jié)省成本的解決方案。
本發(fā)明的一個目的在于，提供一種使用VHF/UHF頻帶(代替 HF或孩i波)來匹配在河面上發(fā)現(xiàn)的粗糙之處的系統(tǒng)和方法。在一 個實施例中，使用大約介于200MHz到3GHz之間的頻率。VHF/UHF 還允i午4吏用布4立才各多普勒散射關(guān)系(Bragg Doppler dispersion relation )以從水流或流速中去除波速，這在樣t波頻率處是做不到的。
本發(fā)明的另一目的在于，4是供一種用于克月良通常在UHF處形 成并掃描窄波束所需的大天線尺寸的系統(tǒng)和方法。這個目的可以通 過，例如利用高效測向(DF)算法而非使用八木天線的傳統(tǒng)波束形 成(BF)來實現(xiàn)，從而可以降低尺寸、成本、以及通常與多普勒雷 達相關(guān)的復雜度。
本發(fā)明的又一目的在于，提供一種用于使數(shù)學模型適于來自河 岸上的UHF雷達的徑向圖(radial-map)速度凄t據(jù)的系統(tǒng)和方法。由于上面/>開的獨特的DF方法，這個徑向速度圖是冗余數(shù)據(jù)的豐 富來源，為關(guān)于岸間距離的河流速度的精確分布圖提供可能。
本發(fā)明的再一個目在于，克月艮由河流流速太強時發(fā)生的多普勒 混疊引起的限制，否則其將限制在這種溪流流量狀態(tài)下4是取徑向速 度的能力。
本發(fā)明的再一個目的在于，提供一種用于當不能從河流的一側(cè) 到另 一側(cè)連續(xù)地測量速度時計算河流體積流量的系統(tǒng)和方法?；?乂人所選河流地點處的經(jīng)—驗標定(calibration)導出水位流量關(guān)系曲線 (rating curve),這些4支術(shù)已^皮開發(fā)用于其他傳感器(例如，聲學多 普勒儀)，并且其^皮稱為索引(index)法。
術(shù)語"連接(couple )，，雖然不必是直接地、并且不必是機械地， 4旦是凈皮定義為連4妄(connect )。
術(shù)語"一個"^皮定義為一個或多個，除非本7>開另外明確要求。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的一樣，術(shù)語"基本上"、"近似
指定的。在一個非限制性的實施例中，術(shù)語基本上指在所指定的 10%以內(nèi)的范圍、優(yōu)選地在5%以內(nèi)、更優(yōu)選i也在1%以內(nèi)、以及最 優(yōu)選;也在0.5%以內(nèi)。
術(shù)語"包括(comprise)"(以及任何形式的"包括"，諸如，一 4殳現(xiàn)在時和進4亍時的"包4舌，，(comprises和comprising))、"具有 (have)"(以及任何形式的"具有"，諸如，一4殳現(xiàn)在時和進行時的 "具有，，(has和having ))、"包括(include )，，(以及任何形式的"包 括，，，諸如，一4殳現(xiàn)在時和進4亍時的"包括"(includes和including ))、"包含(contain)"(以及任何形式的"包含"，諸如， 一般現(xiàn)在時 和進4亍時的"包含"(contains和containing ))是開》文式的系動詞。 因此，"包括(comprises)","具有(has)"、"包括(includes )，，、或
"包含(contains)" —個或多個步驟或元件的方法或裝置具有那些 一個或多個步駛《或元件，zf旦不限于只具有那些一個或多個元件。同 樣地，"包括(comprises)","具有(has)"、"包括(includes )"、或
"包含(contains)" —個或多個4爭^正的一種方法的一個步驟或一個 裝置的一個元4牛具有那些一個或多個4爭4i， 4旦不限于只具有那些一 個或多個特征。此外，以某種方式配置的裝置或結(jié)構(gòu)至少以該方式
:故配置，^f旦也可以以未列出的方式配置。


為了更全面地理解本發(fā)明，現(xiàn)將參考以下附圖，在附圖中
圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的VHF/UHF雷達站；
圖1B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的信號處理系統(tǒng)的框圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例在UHF處為八木天線系統(tǒng) 預測的幅度與相位方向圖的曲線圖3示出了在用于描述本發(fā)明的某些實施例的不同流速下出現(xiàn) 的徑向速度與雷達處的方位角之間的關(guān)系曲線；
圖4是才艮據(jù)本發(fā)明的 一個實施例的河面上的徑向流速圖5是根據(jù)本發(fā)明的另 一 個實施例作為橫穿河流的距離的函數(shù) 的下游流速的分布圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例作為時間函數(shù)的雷達速度推導 出的河W"危速的時間關(guān)系曲線圖；以及
圖7是適用于實現(xiàn)本發(fā)明的某些實施例的計算沖幾系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
在以下的詳細描述中，將參考示出了本發(fā)明的示例性實施例的 附圖。足夠詳細地描述這些實施例，以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能 夠?qū)嵤┍景l(fā)明而不需過度的實驗。然而，應(yīng)理解，本文描述的實施 例和實例是只作為"i兌明而給出，而非為了限制。在不背離本發(fā)明4青 神的前提下，可以進行各種替換、修改、增加、和重新排列。因此， 下面的描述不應(yīng)當被認為是限制的意義，本發(fā)明的范圍只由所附的 權(quán)利要求限定。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖1A,根據(jù)本發(fā)明的一個實施例描述了 VHF/UHF雷達 站。三向八木-宇田天線陣列(YAGI) 100-102以及封閉式接電裝置 (enclosure )各自可以被連接到與河岸定位成纟乘作關(guān)系的天線竿上。 天線陣列100-102依靠其增益提供較高的靈敏度，從而提供比HF 所使用的全向天線更大的信噪比(SNR)。 VHF/UHF雷達站可以侵: 用脈沖調(diào)制和選通技術(shù)，以避免在接收的同時進行發(fā)射，從而消除 了對單獨的發(fā)射和接收天線的需要，并消除了彼此隔離它們以使它 們不相互干護G的方法的需要。
同樣，測向(DF)算法可用來提供良好的方向分辨率所希望的 窄波束寬度。在優(yōu)選實施例中，YAGI陣列100-102以約半波長的 間隔隔開，且兩個末端陣列100和102相對于中心元件101在方位 上傾斜約士30。。然而，作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本公開的啟發(fā)下 會立即發(fā)現(xiàn)，取決于特定應(yīng)用，其他結(jié)構(gòu)也可能是適合的。
12圖IB示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的信號處理系統(tǒng)的框 圖。這個系統(tǒng)的一個或多個元件可置于，例如圖1A中示出的封閉 式接電裝置中。來自源103的信號在104中被放大且經(jīng)過發(fā)射/接收 (T/R)開關(guān)105之后，通過中心YAGI陣列101被輻射。優(yōu)選地， 該陣列足夠短，以提供更大的波束寬度，從而使得其輻射的能量充 滿將要觀測的河流區(qū)域。信號被從水面上的波粗糙之處散射，而只 有4青確地為半雷達波長的波i普成分可以^皮散射回雷達。這種現(xiàn)象祐L 稱為布拍^各散射。移向和遠離雷達的波老卩會^皮;現(xiàn)測，而由它們的徑:
向速度引起的多普勒頻移可以通過傅立葉頻譜分析來分辨。在UHF 頻率和更^氐頻率處，這些"i普回波可以祐J皮此分離。傳送這些布4立格 波的潛流(underlying current)增加了由雷達測;得的額外的多普勒 頻移。在比UHF(即，孩i波)更高的頻率處，這些歲文應(yīng)變?yōu)轭l-潛上 混合的或疊加的，以至于它們的分離不再簡單易行、并且因此降《氐 了精確度和實用性。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過所有三個YAGI天線100-102 接收反向散射信號。這些信號通過三個相同的接收信道106-108。 當被信道106-108處理后，接收的信號通過與掃頻傳輸波形的復本 (replica)進4于混合而纟皮下變頻和解調(diào)。這個過程在美國專利第 5,361,072號中進行了描述，其結(jié)合于本文作為參考。優(yōu)選地，所期 望的信息可被包含于約2kHz的帶寬中，并由音頻帶^^莫數(shù)轉(zhuǎn)換器 109-111所數(shù)字化。
生成的lt字凄t據(jù)流通過一醫(yī)或才莫塊112-114,在那里，對它們進 行頻譜分析。在一個實施例中，頻譜分析包括雙FFT (快速傅立葉 變換)。第一 FFT分辨(resolve) 乂人雷達到河面上的雷達散射區(qū)域 的范圍；jt匕區(qū)i或中的回波落于圓形環(huán)面(annulus)內(nèi)。第二 FFT 產(chǎn)生多普勒頻譜，其頻率與速度相關(guān)。再次，該處理在美國專利第 5,361,072號中有描述。與微波實現(xiàn)不同，反向散射回波的每個譜倉(spectral bin)的 多普勒頻移都以4t確的方式與徑向流速相關(guān)。在較弱的流速狀態(tài) 下，該關(guān)系由下式《合出
其中，是零-多普勒位置(以Hz測得的多普勒頻移)的正側(cè)(上 部符號)和/或負側(cè)(下部符號)上的回波倉的多普勒頻移。存在來 自這兩個邊帶的冗余信息，所以這兩個邊帶中的任一個或全部都可 包含完整的速度分布才莫式(velocity pattern )。與這些多普勒頻移相 對應(yīng)的徑向速度v，可理解為當為正時指向雷達，且以單位米/秒的形 式給出。該雷達波長人是已知的，g是重力加速度。
對于基于公式(1)獲得的每個徑向速度倉，框或模塊115的 數(shù)字處理將測向(DF)算法應(yīng)用到來自三個天線的數(shù)據(jù)流。 一個示
(solution)中獲得了對該數(shù)據(jù)的最佳擬合，其在結(jié)合于本文作為參 考的美國專利第5,990,834號中有描述。該步驟實現(xiàn)了 YAGI的高增 益和高SNR，同時在方位角上實現(xiàn)了約1。的分辨率。DF算法的部 分應(yīng)用需要姊青確的天線方向圖(antenna pattern )(包4舌幅度和相4立)。 這可通過用環(huán)繞通過河流上方纟見野的發(fā)射應(yīng)答才幾測量(4交準)天線 來提供。可選地，精確地計算的天線方向圖是基于特定的YAGI天 線設(shè)計和陣列幾何結(jié)構(gòu)的。存儲的方向圖116被輸入到DF框或模 塊115中并被用在方位計算中。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實 施例在UHF處為YAGI天線系統(tǒng)預測的幅度和相位方向圖。
如果水流或溪流^L弱，則上述方法特別適用。當公式(l)右 側(cè)的第一項大于或等于第二項時，出現(xiàn)強和弱的分界。當這個情況 發(fā)生時，期望的流速的多普勒效應(yīng)大于已知的布拉才各波速的多普勒效應(yīng)(最后一項)，而所不希望的重疊區(qū)i或;陂稱作"混疊"。圖3示 出了 UHF處(在本情形中，例如，在350MHz處)隨著強河流流 速出現(xiàn)的多普勒混疊。最上方的面板示出了兩種可能的實例的河流 速度分布圖。這些代表作為橫跨200米寬的筆直水道的距離的函數(shù) 的下游表面速度分布圖。對這些曲線進行規(guī)格化，以使它們具有最 大值1。連續(xù)曲線表示不沿水道變化的恒定流。短劃線是更為實際 的實例分布圖，其在水道中央達到一致，^旦在河岸兩邊處降為零。
圖3的中間面^反以1米/秒的最大流速為實例。即，上部面才反中 的規(guī)格化的一致速度值代表1秒/米。在該中間面板中畫出了兩組曲 線。這些是多普勒頻移/^,其^皮看作乂人上游沿著河岸到下游觀測的 方位角(即，+90°到-90°)的函凄t。多普勒效應(yīng)的連續(xù)曲線與上部 面^反的恒定分布圖對應(yīng)，而短劃線代表了在河岸處降至零的分布 圖。上部兩條曲線對應(yīng)于上部符號，4戈表正多普勒回波區(qū)域，下部 兩條曲線從負多普勒區(qū)域開始與下部符號 一致。這兩條曲線被集中 于曲線L1上，曲線L1代表前面公式的第二項，來自布拉格波的固 有相位速度，其相對于角度為常量。這兩組曲線幾乎完全4皮此分離 (換言之，圖中繪出的水平線可能與一組曲線相交，但不會與另一 組相交)。這是"弱流"的情況，且對該最大流速不存在混疊的問 題。在這種情形中或者比此情形更弱的流速中，不需使用"去混疊"。
如果最大流速增加到3米/秒，則依據(jù)圖3的上部面板的規(guī)格化 分布圖，則最下面的面才反示出了回波多普勒效應(yīng)與方位角之間的關(guān) 系?，F(xiàn)在該情形凈皮嚴重地混疊了 。在DF方位測定之后，由雷達測 量的多個點聚合到曲線L3、 L4、 L5和L6周圍。如果選取給定的 徑向流速(對應(yīng)于縱軸上的給定的多普勒頻移)，則在圖中畫出的 水平線經(jīng)過兩個方位區(qū)域。這兩個區(qū)i成對應(yīng)于^表兩個重疊的布^立 才各頻譜區(qū)域的士符號。水平線應(yīng)只穿過一個區(qū)域。因此不能如利用 非混疊的中間面板來實現(xiàn)的那樣將徑向流速唯一地與單個方位聯(lián)系起來。這在兩個布拉格線速度(L7、 L8)之間的中間區(qū)域中是尤 其嚴重的，但是對于此區(qū)域外的相當大范圍同樣是正確的。
因此，當水流或溪流強時，可以通過4吏用在去混疊沖匡或才莫塊117 中所包含的過程來分離混疊的區(qū)域。通過識別布拉格散射(其導致 DF框115的輸出如圖3的下面4反上所示的聚合)的潛在物理特性， 本發(fā)明的一個實施例分辨并去除了才莫糊性。例如，基于本文揭示的 纟且織該多普勒方4立解(solution)的這個^口識和方式，去混疊算法凈皮 應(yīng)用以分離這兩個纟從向的區(qū)i或，在此之后混疊^皮去除。 一種實施該 操作的示例性方式是使用雙峰函數(shù)來擬合指定的方位倉中的多普 勒數(shù)據(jù)。例如，在從約18。到22。的角度區(qū)域中，可構(gòu)造雙峰模型以 擬合所有的多普勒數(shù)據(jù)點。接下來，該下部的峰將與前面等式的負 號相配，而上部的峰^1夸與正號相配，乂人而去除了才莫糊性。
在信號處理中，此時，多普勒/布4立4各等式已在去混疊之后#皮應(yīng) 用了，而河流表面上的流的徑向速度圖已凈皮構(gòu)造。在圖4中示出了 這種徑向速度圖的一個實例。在4吏用本文7>開的實施例、經(jīng)過15 分鐘的周期測量的實際徑向速度圖中，縱軸和縱向尺寸代表了從下 游河岸到相距200米的上游河岸的4黃穿河流的3巨離。水平軸是沿著 河流的距離。通常，河岸在短距離內(nèi)是足夠平4亍的，乂人而^f吏如此的 描述是現(xiàn)實的。
導致河流體積流量的 一 個優(yōu)選實施例以作為坤黃穿河流的3巨離 的函數(shù)的下游表面流速的分布圖開始，其在圖1的框或模塊118中 被計算。下面將描述用于得到橫穿河流分布圖的兩種示例性方法， 盡管本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以才艮據(jù)本公開輕易地想到其他」技術(shù)
也可能是類似地可應(yīng)用的。
在第一實施例中，如圖4所示3夸過才黃穿河流的方向，以所選角 度形成兩個人造波束401和402。從兩波束內(nèi)的給定范圍處的兩個徑向速度，可用三角學法求得向下游的和纟黃穿河流的速度。然后， 此向下游的分量被用在距河岸附近的特定距離處。在每個范圍處重 復該過程，直到分布圖被構(gòu)造。在此過程中4艮定，該流速在這些空 間尺度上不隨上/下游河流的距離而變化。由于由雷達測量的徑向速 度信息的巨大扇面，除了兩個示出的以外，可以產(chǎn)生^爭過^黃穿河流 方向的許多波束，以給出下游流速的冗余估計。可以對這些相同信 息的估計求平均，以提供更為穩(wěn)健的分布圖。
在第二實施例中，如圖4中所示產(chǎn)生平行于河岸的帶403。收 集所有落入這個帶中的徑向速度，并且所有這些徑向速度成為最小 二乘擬合(fitting)過程的數(shù)據(jù)向量。將被擬合的模型可包括向下 游的和4黃穿河流的流速；即，可以/人多個徑向速度4尋出的兩條孑言息。 這成為了超定的(over-determined )線4生最小二乘問題，該問題由 在大部分現(xiàn)代商用計算程序包中可用的子程序調(diào)用來解決。如果需 要，可以通過在模型中包含更多的參數(shù)來在這個最小二乘擬合過程 中得出額外的信息。例如，除由不隨著下游的距離變化所暗示的常 數(shù)項以外，還可4吏下游的和橫穿河流流速相只于下游的3巨離線性;也、 二次地等等變化。然后，可以從這條帶中的徑向速度數(shù)據(jù)向量得出 描述這個更復雜的流的額外的參數(shù)。因此，消除了隨著沿著河流距 離無變4匕的4艮i殳。
在附加的或可選的實施例中，可從徑向速度圖中提取其他變化 信息，例如，均方根(RMS)誤差、置信界限、以及速度分布圖中 的不確定性的其他測量。這些數(shù)據(jù)協(xié)方差的推導是線性最小二乘模 型擬合的一部分，其是由矩陣運算完成的。這些方法對于河流速度 分布具有有利的應(yīng)用。
在將一個或多個前述步驟應(yīng)用于框118處之后，可得到下游的 表面速度的分布圖?；趫D4的徑向速度圖，在圖5中示出了以上 述方式實際測量的和提取的 一 個實例。這個關(guān)于橫穿河流距離的速度的實例分布圖還包括如在定義向下游的速度分布的數(shù)據(jù)點上的
誤差棒(error bar)所示的RMS不確定性。
可通過將表面流速乘以約0.85來求得深度平均的流速。在框或 模塊119中，在橫穿河流的剖面的每個點處計算深度平均的流速。 河床剖面的形狀以及相對于參考基準("7jc位")的河流高度被存儲 在凄史l居庫121中，并#皮|#入到119。這些^皮用于計算4黃穿河流的7K 的截面面積。當這個一黃截剖面的每個7K4主(water column)祐j罙度 平均的流速所乘時，這些乘積的和或積分纟合出了經(jīng)過該點的期望的 水的體積(以立方米/秒為單位)。后者纟皮稱為河流流量120。
在某些情況下，來自雷達的速度分布圖不橫跨整個河寬。在這 些情況下，由框或才莫塊123所應(yīng)用的索引(indexing)方法可利用 雷達站能夠測量的表面速度的子集?；谒饕牧髁坑嬎阃ǔＰ枰?地點特定的標度。這些可包括通過4吏用獨立裝置以經(jīng)過1到2天時 間制作關(guān)于橫穿河流距離和深度的速度分布圖。例如，可以降低和 升高船配置的速度傳感器，或者當船橫穿河寬時，安裝在船上的垂 直聲學多普勒儀測量水流與深度的關(guān)系。從這些底部分布圖的獨立 測量和信息，獨立i也計算流量。而后，在VHF/UHF (或其4也索引 (index)傳感器)速度旁畫出該流量。這兩個之間的經(jīng)驗關(guān)系被稱 為"水位流量關(guān)系曲線"。下面將描述用于利用可用的VHF/UHF雷 達速度數(shù)據(jù)得出流量的兩個示例性的方法，盡管本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員可以才艮據(jù)本7>開輕易地想到其他才支術(shù)是類似地可應(yīng)用的。
在第一實施例中，確定了在0。方^f立處(即，乂人河岸上的雷達直 接離岸觀測)圖4中示出的曲線的斜率(slope )。此斜率已證明是 非常敏感的流量指示器。特別地，斜率越大，流量越大。從預校準 的存4諸于122中且^皮應(yīng)用于才匡123中的水位流量關(guān)系曲線獲得確切 的關(guān)系。生成的輸出124是所期望的流量。在第二實施例中，使用了^又在河流的固定部分之上的速度分布 圖或平均值。這部分可以;故經(jīng)-驗地選擇，以產(chǎn)生速度凄t據(jù)。例如，
在200米寬的河流中，40米和120米之間的部分產(chǎn)生了穩(wěn)健的、可 靠的速度平均值，其與"水位流量關(guān)系曲線"流量標定很好的匹配。 位置特有的標定會產(chǎn)生水位流量關(guān)系曲線，其被存儲于122中，且 由方?jīng)_醫(yī)123所應(yīng)用以產(chǎn)生流量124。
圖6中示出了來自UHF雷達和聲學4黃穿河流水下速度4義 (UVM)的平均速度的一個實例。UVM已就緒且由美國地質(zhì)測量 局在California的一個地方4吏用了多年，而其測得的速度已通過水 位流量關(guān)系曲線-故成功地與流量聯(lián)系起來。圖6示出了 UHF雷達 精確地再現(xiàn)UVM速度；在這種情況下，使用并比較了 40米和120 米之間的雷達平均表面速度。還示出了對于每15分鐘測量點的雷 達速度誤差纟奉或不確定性。在這種情況下，水道連4矣Sacramento三 角洲中兩條最大的河流，此處，流速是受由于一天兩次的相反的潮 沙影響的。
在一個實施例中，由樣t處理器或基于樣i處理器的裝置執(zhí)行在此 所描述的至少某些功能。實現(xiàn)本發(fā)明的多個實施例的軟件、計算機 程序邏輯、或^碼段可^皮存儲于計算一幾程序產(chǎn)品的計算一幾可讀介質(zhì) 中。術(shù)語"計算機可讀介質(zhì)"包括可存儲或傳送信息的任何介質(zhì)。 計算機程序產(chǎn)品的實例包括電子電路、半導體存儲裝置、ROM、閃 存、可纟察除ROM (EROM )、軟盤、壓縮盤CD-ROM、光盤、硬盤 等?？山?jīng)由諸如互連網(wǎng)等的計算機網(wǎng)絡(luò)下載代碼段。
圖7示出了適合使用本發(fā)明實施例的計算機系統(tǒng)700 (例如， 存儲和/或執(zhí)行與實施例相關(guān)的軟件)。中央處理器("CPU" ) 701 連接至系統(tǒng)總線702。 CPU701可以是任何通用的CPU。然而，本 發(fā)明的實施例并不限于CPU 701的體系結(jié)構(gòu)，只要CPU 701支持本 文描述的發(fā)明的才喿作?？偩€702連"l妄至隨才幾存取存^f諸器("RAM")703，其可為SRAM、 DRAM、或SDRAM。 ROM 704也連4妄至總 線702，其可為PROM、 EPROM、或EEPROM。
總線702還連接至輸入/輸出("I/O")控制器卡705、通信適配 器卡711、用戶4妄口卡708、以及顯卡709。 1/O適配器卡705將存 儲裝置706 (例如， 一個或多個-更盤驅(qū)動器、CD驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動 器、》茲帶驅(qū)動器)連4妄到計算4幾系統(tǒng)700。 I/O適配器705還連4妄到 印刷機(未示出)，這將使系統(tǒng)能夠打印諸如文檔、照片、文章等 信息的纟氏印本。應(yīng)注意，印刷才幾可以是打印才幾(例如，點陣打印才幾、 激光打印機等)、傳真機、掃描儀、或復印機。通信卡711適合于 將計算才幾系統(tǒng)700連4妄到網(wǎng)絡(luò)712 (其可為一個或多個電話網(wǎng)、局 域("LAN")和/或廣域("WAN")網(wǎng)、以太網(wǎng)、和/或互連網(wǎng))。用 戶接口卡708將用戶輸入裝置(例如，鍵盤713、點擊裝置707等) 連4妄到計算才幾系統(tǒng)700。顯卡709由CPU 701所驅(qū)動以控制顯示裝 置710上的顯示。
在一個實施例中，本發(fā)明有利地調(diào)整(scale)由HF雷達所偵L 用的頻率以將洋面水流繪制到在河流上找到的更小的距離和粗糙 度比例，因此充分利用了 VHF/UHF的頻帶。優(yōu)選地，由這里描述 的系統(tǒng)所使用的頻率范圍大約在200MHz到3GHz之間。因此，本 發(fā)明利用了某些HF原理，同時克服了否則會在這些較高的頻率處 遇到的若干障礙。
為了對水波利用高精度的一階多普勒關(guān)系(其應(yīng)用于UHF處 (在河流上)，但不能應(yīng)用于^f效波)，必須處理由本發(fā)明提出的若干 4兆戰(zhàn)。例如，當河流的流速高時(例如，大于0.8米/秒)，來自前 進的和后退的水波回波的頻譜區(qū)域會重疊，即，變?yōu)榛殳B的。這在 提取信息的過程中會引起嚴重的問題，除非可以應(yīng)用去混疊的某種 方法。如上面所詳細描述的，本發(fā)明的某些實施例解決了此混疊問 題。在使用測向技術(shù)獲得方位之后，河流表面流速的徑向速度圖可 具有數(shù)百個數(shù)據(jù)點。這不同于只在兩個方向上形成窄波束的微波雷
達。因此，對于本文7>開的UHF系統(tǒng)存在4艮多可利用的凄t據(jù)。然 而，這些數(shù)百個徑向速度組成了二維全速水流向量場的一維映射。 因此，適當?shù)哪Ｐ涂蛇m合此徑向速度場。該才莫型代表了被需要以估 計河流體積流量的流速的本質(zhì)。4吏用本文公開的某些實施例所獲得 的大量徑向速度數(shù)據(jù)點提供了流速的建立模型，其不僅僅是提供了 上/下游流速。以及，如上所詳細描述的，本發(fā)明的某些實施例考慮 到了比在現(xiàn)有技術(shù)中所使用的簡單的二波束概念更多信息的提取。
對于很寬的河流或在平靜的狀態(tài)下，測得的徑向速度可以不橫 越河寬。所測得的水流為什么不達到一岸或兩岸存在很多原因。在 這些情況下，不能構(gòu)造上/下游速度的岸間分布圖。典型地遭受這種 缺陷的現(xiàn)有技術(shù)儀表包括例如聲學多普勒儀(ADP)。在這些情況 下，仍可通過構(gòu)造"水位流量關(guān)系曲線"(即，通過在將流量與傳 感器數(shù)據(jù)的某些穩(wěn)健的測量聯(lián)系起來的每個雷達位置處執(zhí)行可控 的校準)獲得總體積流量。本發(fā)明的某些實施例提供了導致用于獲 耳又河流流量的穩(wěn)4t的索引方法的水位流量關(guān)系曲線才交準4支術(shù)。另 外，本文7>開的UHF雷達系統(tǒng)是"非接觸"的，這意p木著其不會 #皮腐蝕。
盡管本發(fā)明的某些實施例及其優(yōu)點已在本文中被詳細描述，但 應(yīng)該理解的是，在不背離由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神 和范圍的情況下，可以進行各種修改、替換、和改變。此外，本發(fā) 明的范圍并不應(yīng)當限于本文描述的過程、才幾器、產(chǎn)品、裝置、方法、 以及步驟的特定實施例。作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將很容易從本 公開中了解到，根據(jù)本發(fā)明可以使用現(xiàn)今存在的或不久將被開發(fā)的 與本文描述的相應(yīng)實施例執(zhí)行基本上相同的功能或達到基本上相 同的結(jié)果的其他過程、機器、產(chǎn)品、裝置、方法、或步驟。因此，
21所附權(quán)利要求旨在包括在這樣的過程、機器、產(chǎn)品、裝置、方法、 或步驟的范圍之內(nèi)。
參考文獻
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權(quán)利要求
1. 一種用于監(jiān)測河流流速參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括雷達站，其具有至少兩個與河岸定位成操作關(guān)系的天線陣列；至少一個接收信道，其連接到每個天線陣列；測向模塊，其連接到所述至少一個接收信道；去混疊模塊，其連接到所述測向模塊；以及選自下組的至少一個模塊，該組由以下模塊組成分布模塊，其連接到所述去混疊模塊且可操作以計算作為橫穿河流的距離的函數(shù)的下游表面流速的分布；以及索引模塊，其連接到所述去混疊模塊且可操作以使用由所述雷達站測得的表面速度的子集來估計河流流量。
2. 才艮據(jù)4又利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述雷達站包括三個間隔 開大約半個波長的八木-宇田天線陣列，以及其中，兩端陣列 相對于中心陣列在方位上傾斜約士30。。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述雷達站在大約200 MHz和3 GHz之間運壽爭。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，每個接收信道可4乘作以對 從所述天線陣列接收的信號進行下變頻、解調(diào)、數(shù)字化、以及 頻i普分析。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，接收信道可操作以分辨河 面上的散射區(qū)域范圍，以及生成將頻率與河流速度聯(lián)系起來的 多普勒頻i普。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述測向才莫塊可操作以將 測向算法應(yīng)用到來自天線陣列的數(shù)據(jù)流，用于增加方位角分辨 率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，進一步包括存儲的方向圖數(shù)據(jù) 庫，其連接到所述測向模塊，并且可操作以向所述測向模塊提 供預測的幅度和相位方向圖，用于方位計算。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述測向模塊確定對從一 個或多個徑向速度處的單角和雙角方位解所獲得的數(shù)據(jù)的最 佳擬合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括開關(guān)，其連接到天 線陣列的至少一個元件，所述開關(guān)用于對所發(fā)射的和4妄收的信 號進4于爿永沖調(diào)制和選通。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括水位流量關(guān)系曲線 數(shù)據(jù)庫，其連接到所述索引模塊，并且可操作以存儲預校準的 水位流量關(guān)系曲線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括深度平均模塊，其 連接到所述分布模塊，并且可操作以計算橫穿河流的一點或多 點處的深度平均的流速。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進一步包括河流數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫， 其連接到所述深度平均模塊，并且可操作以儲存用于計算橫穿 所述河流的7K的截面面積的河流l史據(jù)。
13. —種用于確定河流流速參凄t的方法，所述方法包4舌接收來自與河岸定位成操作關(guān)系的雷達站的數(shù)據(jù)； 預處理所接收的數(shù)據(jù)； 將測向算法應(yīng)用于預處理過的數(shù)據(jù)； 將去混疊算法應(yīng)用于測向凄t據(jù)；以及 執(zhí)行以下步驟中的至少一個計算作為片黃穿河流的距離的函#t的下游表面流速的 分布；以及使用由所述雷達站測得的表面速度的子集來估計河流流量o
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述雷達站在大約200 MHz和3 GHz之間運專爭。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述預處理所接收的數(shù) 據(jù)包括對所接收的數(shù)據(jù)進行下變頻、解調(diào)、數(shù)字化、以及頻譜 分析。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述頻譜分析包括分 辨河面上的散射區(qū)域范圍，以及生成將頻率與河流速度聯(lián)系起 來的多普勒頻-潛。
17. 才艮據(jù)4又利要求13所述的方法，其中，所述測向算法可才喿作以 增加方位角分辨率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括計算橫穿所述河 流的一點或多點處的深度平均的流速，以使用下游表面流速的 分布確定河流流量。
全文摘要
描述了用于使用與河岸定位成操作關(guān)系的VHF/UHF雷達來監(jiān)測河流和水道的表面流速和體積流量的多個系統(tǒng)和多種方法。這個頻率區(qū)域使得能夠?qū)Σ祭癫ㄋ龠M行精確估計和移除；這個頻率還與存在于河面上的短風浪的粗糙度周期相匹配，以便使操作在幾乎所有時間都是可能的。還公開了方位確定方法。在雷達覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)千個點處，可以從來自單個雷達的徑向速度分量圖構(gòu)造出上/下游表面速度分布與橫穿河流的距離之間的關(guān)系。還示出了在高流速條件下補償多普勒混疊的方法。
文檔編號G01S13/58GK101504461SQ20081009509
公開日2009年8月12日 申請日期2008年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月5日
發(fā)明者卡爾文·蒂格, 唐納德·巴里克, 彼得·利勒博 申請人:科達海洋傳感器有限公司