雷達(dá)液位計(jì)水位測量數(shù)據(jù)跳變問題的研究與解決

雷達(dá)液位計(jì)水位測量數(shù)據(jù)跳變問題的研究與解決方案

　　

摘要：在干灘、有漂浮物干擾的情況下進(jìn)行水文測量時，雷達(dá)液位計(jì)監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)會發(fā)生跳變，結(jié)果導(dǎo)致測量失敗。適當(dāng)增強(qiáng)雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射功率使反射波信號強(qiáng)度增大，可降低數(shù)據(jù)跳變的概率；通過常供電可保證設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行，減少數(shù)據(jù)跳變的幾率；采用數(shù)據(jù)多值平均可較好過濾掉跳變數(shù)據(jù)。將上述三種方式有效結(jié)合，可大幅度提高水文測流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　

引言

　　 雷達(dá)液位計(jì)目前較為廣泛的應(yīng)用于液灌的液位測量，其液位面平靜，雷達(dá)波反射較好，測量精度高。引入水利行業(yè)應(yīng)用后，在測量河、湖、水庫等水位時，若波浪不大或無明顯干擾物的狀態(tài)下，HZ雷達(dá)液位計(jì)測量精度高，安全可靠，不失為一種*的水位測量設(shè)備。但實(shí)際應(yīng)用中水環(huán)境較為復(fù)雜，設(shè)備常受到較大波浪、漂浮物、結(jié)冰、浮雪、干灘等因素干擾，出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)無法使用。

　　

針對水環(huán)境的復(fù)雜情況，對雷達(dá)液位計(jì)及附屬模塊的供電模式、發(fā)射功率及數(shù)據(jù)計(jì)算等幾方面進(jìn)行改造，可有效地降低以上干擾因素的影響，保證華尊雷達(dá)液位計(jì)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。經(jīng)多次試驗(yàn)，此方法穩(wěn)定可靠，改造后的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著。

　　

1 雷達(dá)液位計(jì)工作模式

　　 雷達(dá)液位計(jì)是基于時間行程原理的測量儀表，工作原理為其發(fā)射單元發(fā)出以光速運(yùn)行的脈沖雷達(dá)波，當(dāng)脈沖遇到液位表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器單元接收，并將距離信號轉(zhuǎn)化為液位信號，從而計(jì)算出液位深度。

　　

水利行業(yè)中的水位值測量也是基于此工作原理，其系統(tǒng)基本組成為：雷達(dá)液位計(jì)、RTU（Remote Terminal Unit，即遠(yuǎn)程終端控制單元）、DTU（Data Transfer unit，即數(shù)據(jù)傳輸單元）、立桿及基礎(chǔ)、供電單元、防雷接地單元等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　

由于水利行業(yè)的水位測量環(huán)境復(fù)雜，在水面平靜且無漂浮物等干擾時，雷達(dá)液位計(jì)可精準(zhǔn)的對水位進(jìn)行測量。但若有較大波浪、漂浮物、結(jié)冰、浮雪、干灘等諸多干擾的情況下，數(shù)據(jù)跳變的問題使得測量準(zhǔn)確度大大降低。

　　

2 數(shù)據(jù)跳變問題的分析與研究

　　2.1 數(shù)據(jù)跳變的原因分析

　　 雷達(dá)液位計(jì)的工作原理可簡單概括為如下：華尊雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射雷達(dá)波;水面反射雷達(dá)波;雷達(dá)液位計(jì)接收雷達(dá)波。在以上三個過程中，雷達(dá)液位計(jì)本身的技術(shù)指標(biāo)決定了發(fā)射與接收過程的信號質(zhì)量，而水面反射雷達(dá)波的過程對信號強(qiáng)度產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，在此過程中各種干擾因素會使反射波信號強(qiáng)度降低，使得華尊雷達(dá)液位計(jì)接收到的反射波太弱或接收不到反射波，導(dǎo)致水位測量失敗。

　　

2.2 解決數(shù)據(jù)跳變的?三步走

　　 （1）加大發(fā)射功率，增強(qiáng)信號反射。既然反射波的強(qiáng)弱決定水位測量的成敗，且不同的干擾物造成的影響不同，為更好地分析各類干擾的影響，我們模擬了平穩(wěn)的水環(huán)境、大波浪水面、有漂浮物水面、戈壁干灘等各種不同情況，采用30M量程發(fā)射功率的雷達(dá)液位計(jì)在10M 高度進(jìn)行測試，以保證信號反射的量程一致。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：平穩(wěn)的水環(huán)境基本能夠正常反射信號，而大波浪水面出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，有漂浮堆積物的水面、戈壁干灘則出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變。我們將發(fā)射功率加大到70M 量程，則基本不出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變的問題；經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，適當(dāng)加大發(fā)射功率可有效降低數(shù)據(jù)跳變概率。

　　 （2）改用常供電，保證工作狀態(tài)穩(wěn)定。野外監(jiān)測設(shè)備通常采用太陽能供電模式，為了能夠更好地保證系統(tǒng)用電，RTU會對雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行供電控制：一般數(shù)據(jù)采集頻次設(shè)置為不小于6 分鐘，在采集數(shù)據(jù)發(fā)射的間隔期，RTU將停止對雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行供電，且RTU自身也會進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗，在下一個數(shù)據(jù)采集周期RTU 自動蘇醒，并給雷達(dá)液位計(jì)供電。在雷達(dá)液位計(jì)經(jīng)幾十秒的加電預(yù)熱后，RTU 對其發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，獲取到回傳的數(shù)據(jù)后進(jìn)行發(fā)送。

　　 雷達(dá)液位計(jì)供電預(yù)熱的時長受外界氣溫的變化影響較大，一般高溫度（25℃以上）時在28 秒左右，低溫（-10℃以下）時會增長到45 秒左右，且RTU為雷達(dá)液位計(jì)加電的瞬間會產(chǎn)生較大的啟動工作電流，不但增加功耗，還將縮短雷達(dá)液位計(jì)的使用壽命。目前使用的RTU 和雷達(dá)液位計(jì)均采用低功耗元器件制造，因此適當(dāng)增加太陽能板和蓄電池的容量，可保證RTU和雷達(dá)液位計(jì)長時間工作，為增強(qiáng)其穩(wěn)定性，第二步實(shí)驗(yàn)采用常供電的模式：即RTU給雷達(dá)液位計(jì)持續(xù)加電，保證其一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。通過多次實(shí)驗(yàn)對比，低溫時常供電工作方式對雷達(dá)液位計(jì)數(shù)據(jù)測量效果突出，數(shù)據(jù)跳變的幾率降低60%以上，數(shù)據(jù)可用率得到了較大提高。

　　 （3）多次均值測量，過濾跳變數(shù)據(jù)。為了能夠更好地處理特例的數(shù)據(jù)跳變，第三步，我們對SCLD雷達(dá)液位計(jì)CPU內(nèi)固化的軟件程序進(jìn)行優(yōu)化，以此更大程度地避免跳變數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。CPU 內(nèi)固化的軟件程序原有數(shù)據(jù)處理模式為：發(fā)射脈沖波后并接收到反射波即迅速處理一組數(shù)據(jù)，作為測量數(shù)據(jù)回送給RTU，因此易將跳變數(shù)據(jù)作為正常數(shù)據(jù)來處理。通過常供電工作模式的調(diào)整，雷達(dá)液位計(jì)一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，

　　 CPU內(nèi)的程序可控制雷達(dá)液位計(jì)按照特定的周期發(fā)射脈沖波后進(jìn)行接收處理，獲得采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中按照每0.5 秒鐘發(fā)射一組雷達(dá)波，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，連續(xù)采集18 組數(shù)據(jù)，去掉4 組*大值和4 組*小值后，取平均值作為可用數(shù)據(jù)測量值返回給RTU，通過RTU 發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　 通過三步走的調(diào)整和優(yōu)化，雷達(dá)液位計(jì)工作穩(wěn)定可靠，經(jīng)過不同環(huán)境下的多次實(shí)驗(yàn)，改造后的雷達(dá)液位計(jì)很好地屏蔽了數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，可以應(yīng)用到生產(chǎn)過程中。

　　

3 應(yīng)用

　　 新疆地區(qū)的流域水資源整合項(xiàng)目中采用了300 余個雷達(dá)液位計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中均不同程度出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變問題，冬季時問題更為嚴(yán)重，依本文所中的解決方案改造后，目前各華尊雷達(dá)液位計(jì)均能正常工作。經(jīng)人工驗(yàn)證，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，證明方案切實(shí)可行。

　　

4 結(jié)語

　　 因精度高、安裝方便、維護(hù)簡單，雷達(dá)液位計(jì)作為水位測量設(shè)備已在水利行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，本文研究通過軟硬件結(jié)合調(diào)整的方式，很好地解決了雷達(dá)液位計(jì)受環(huán)境影響導(dǎo)致的數(shù)據(jù)跳變問題，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證，該方案可推進(jìn)雷達(dá)液位計(jì)在水利行業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用，也可為其他行業(yè)同類應(yīng)用起到很好的借鑒作用。