雷达潮位仪在海洋潮位观测中的技术应用

雷达潮位仪在海洋潮位观测中的技术应用
摘要:雷达潮位仪是应用遥感技术进行潮位观测的新型验潮仪器。

本文介绍了雷达潮位仪的测量原理、结构组成、设计思路,论述了雷达潮位在潮位观测中的实际应用,预测了雷达潮位仪在国内的应用前景。

关键词:雷达潮位仪潮位观测测绘遥感
当前,我国潮位测量技术发展滞后,仍然采用固定站位进行潮汐观测,该种观测方法存在一定的测量误差,首先海洋的围填海工程减少了近岸与海湾的面积,滩涂露出水面,而部分地区观测站的验潮井设立于近岸,基准面无法确定;其次长期使用的浮子验潮仪,由于机械磨损、水尺生锈等原因将增加测量误差,造成潮位长期测量的不准确,影响潮位资料的记录及相关预报。

本文雷达潮位仪研究的目的就是为了改进我国目前潮位观测方法,提高验潮仪器测量精度和采样频率,将海洋测量尤其是潮位测量水平从原来的简单、费时发展到自动化、数字化、无人值守,既提高了验潮精度,又节省了人力成本。

1 雷达潮位仪测量原理
雷达潮位仪测量潮位技术前提要求根据实际水文气象要素,设定一个测站基准面Hb。

雷达潮位仪主机发射微波信号,经天线聚束照射
到海面,海面将电磁波反射回雷达,接收天线收集海面反射的回波[1],经接收机放大,混频,检波等一系列处理,测量电磁波的往返延迟时间,运用Ha=1/2△t×c,求出雷达潮位仪距离海面的实时高度[2]。

该高度结果为一种模拟信号,经过模数变换、无线传输等技术传入终端计算机。

这时海面潮位的实时数据即为T=Hb—Ha。

2 雷达潮位仪测量方案设计
测量仪器距离自由海面的高度是潮位仪进行测量的主要内容。

雷达接收到的调频连续波可以在其工作的同时进行实时处理,并将处理后准确的潮位信息向终端输出。

输出到终端的潮位数据可以在计算机上显示并记录储存(见图1)。

雷达潮位仪测量系统分为四部分,雷达潮位仪主机、电压信号模数转换器(以下简称A/D转换器)、无线传输设备以及终端计算机。

雷达潮位仪主机负责发射、接收雷达回波信号,并将回波信号处理成4～20 mA的电流信号,传入A/D转换器。

该电流信号的大小表征雷达到海面的高度。

A/D转换器经过A/D转换[3],将模拟信号数字化,以满足远距离无线传输的要求。

最后无线传输设备利用GPRS无线网络[4],
将数据传入安装在实验室的终端计算机,从而实现了从验潮站到终端计算机的无线、双向数据通信。

终端计算机安装了分析、处理软件,用于对潮位数据进行显示、分析和储存(见图2)。

3 雷达潮位仪在实际观测中的应用
为了验证雷达潮位仪测量系统的准确性和稳定性,进行了为期一个月的验证实验。

3.1 实验设计流程
(1)在验潮站进行雷达潮位仪的安装、调试。

(2)进行为期一个月的,无人值守的潮位资料记录。

(3)将雷达潮位仪记录、保存的潮位资料与验潮站的传统验潮仪测量数据进行比对,并进行测量精密度分析。

3.2 结果分析
(1)仪器准确性验证。

由于验潮站潮位资料的保密性,仅取其中48 h数据作图对比,以考察雷达潮位仪测量潮位值的准确性。

利用贝塞尔公式
计算出雷达潮位仪潮位数据的均方差=±2.04 cm。

主要是由于浮子式验潮仪整点时刻潮位数据由前后五分钟潮位数据的平均值求出。

由于雷达潮位仪每秒记录两个潮位数据,因此,在整点时刻上,本次雷达潮位仪实验采用整点时刻内潮位数据的平均值。

(2)仪器测量精密度。

利用平潮时,潮位处于相对稳定状态,对雷达潮位仪仪器测量的精密度进行了分析。

选取实验后24 h高高潮前后的平潮时期,进行雷达潮位仪测量精密度的实验。

根据浮子式验潮仪的验潮数据,当天高高潮时刻为7:42分,潮高406 cm,平潮期间从7:33～7:50,共18 min。

由于雷达潮位仪每秒钟记录两个数据,数据较丰富,因此本实验将平潮时间均分为9段,每段 2 min。

由标准差公式:
雷达潮位仪在平潮期间各时间段平均潮位数据的标准差为σ=0.331。

数据表明,雷达潮位仪测量系统能够达到潮位测量的精度要求,可
以用于潮位的测量。

在一个月的连续观测中,雷达潮位仪系统运行良好,仪器工作稳定,说明雷达潮位仪测量系统达到了设计时提出的无人值守的要求。

4 结语
雷达潮位仪是以遥感技术为核心,利用雷达发射、接收调频连续波,计算雷达到海面距离的新型潮位测量设备。

它能够将数据通过模数变换、无线传输等技术连入终端计算机,进行潮位的实时观测。

通过与浮子式验潮仪测量数据比较,表明雷达潮位仪潮位测量数据是可信的,测量系统满足设计方案要求,具有广阔的推广空间。

参看文献
[1]Skolnik M I.Introduction to Radar Systems[M].McGraw-Hill,NewYork,1962:648.
[2]刘杰.线性调频连续波(FMCW)雷达信号线性度分析和工程应用[J].大众标准化,2009(S1).
[3]/view/2618365.htm.
[4]赵刘强.基于嵌入式系统和GPRS的远程监控系统研究及实现
[D].保定:河北电力大学,2009.。