雷達液位計水位測量數據跳變問題的分析及解決方案

摘要：在干灘、有漂浮物干擾的情況下進行水文測量時，雷達液位計監(jiān)測的水位數據會發(fā)生跳變，結果導致測量失敗。適當增強雷達液位計發(fā)射功率使反射波信號強度增大，可降低數據跳變的概率；通過常供電可保證設備長期穩(wěn)定運行，減少數據跳變的幾率；采用數據多值平均可較好過濾掉跳變數據。將上述三種方式有效結合，可大幅度提高水文測流數據的準確性。
 
引言
         雷達液位計目前較為**的應用于液灌的液位測量，其液位面平靜，雷達波反射較好，測量精度高。引入水利行業(yè)應用后，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，SC雷達液位計測量精度高，安全可靠，不失為一種***的水位測量設備。但實際應用中水環(huán)境較為復雜，設備常受到較大波浪、漂浮物、結冰、浮雪、干灘等因素干擾，出現數據跳變，導致測量數據無法使用。
 
         針對水環(huán)境的復雜情況，對雷達液位計及附屬模塊的供電模式、發(fā)射功率及數據計算等幾方面進行改造，可有效地降低以上干擾因素的影響，保證三暢雷達液位計的穩(wěn)定可靠運行。經多次試驗，此方法穩(wěn)定可靠，改造后的系統(tǒng)在實際應用中效果顯著。
 
1 雷達液位計工作模式
         雷達液位計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)出以光速運行的脈沖雷達波，當脈沖遇到液位表面時反射回來被儀表內的接收器單元接收，并將距離信號轉化為液位信號，從而計算出液位深度。
 
         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：雷達液位計、RTU（Remote Terminal Unit，即遠程終端控制單元）、DTU（Data Transfer unit，即數據傳輸單元）、立桿及基礎、供電單元、防雷接地單元等，其結構如圖1所示。雷達液位計測量水位結構圖
 
         由于水利行業(yè)的水位測量環(huán)境復雜，在水面平靜且無漂浮物等干擾時，雷達液位計可**的對水位進行測量。但若有較大波浪、漂浮物、結冰、浮雪、干灘等諸多干擾的情況下，數據跳變的問題使得測量準確度大大降低。
 
2 數據跳變問題的分析與研究

2.1 數據跳變的原因分析
         雷達液位計的工作原理可簡單概括為如下：三暢雷達液位計發(fā)射雷達波—水面反射雷達波—雷達液位計接收雷達波。在以上三個過程中，雷達液位計本身的技術指標決定了發(fā)射與接收過程的信號質量，而水面反射雷達波的過程對信號強度產生至關重要的影響，在此過程中各種干擾因素會使反射波信號強度降低，使得三暢雷達液位計接收到的反射波太弱或接收不到反射波，導致水位測量失敗。
 
2.2 解決數據跳變的“三步走”
        （1）加大發(fā)射功率，增強信號反射。既然反射波的強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)射功率的雷達液位計在10M 高度進行測試，以保證信號反射的量程一致。多次實驗結果表明：平穩(wěn)的水環(huán)境基本能夠正常反射信號，而大波浪水面出現數據波動，有漂浮堆積物的水面、戈壁干灘則出現數據跳變。我們將發(fā)射功率加大到70M 量程，則基本不出現數據跳變的問題；經過反復驗證，適當加大發(fā)射功率可有效降低數據跳變概率。

        （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會對雷達液位計進行供電控制：一般數據采集頻次設置為不小于6 分鐘，在采集數據發(fā)射的間隔期，RTU將停止對雷達液位計進行供電，且RTU自身也會進入休眠狀態(tài)以降低功耗，在下一個數據采集周期RTU 自動蘇醒，并給雷達液位計供電。在雷達液位計經幾十秒的加電預熱后，RTU 對其發(fā)送數據采集指令，獲取到回傳的數據后進行發(fā)送。
        雷達液位計供電預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為雷達液位計加電的瞬間會產生較大的啟動工作電流，不但增加功耗，還將縮短雷達液位計的使用壽命。目前使用的RTU 和雷達液位計均采用低功耗元器件制造，因此適當增加太陽能板和蓄電池的容量，可保證RTU和雷達液位計長時間工作，為增強其穩(wěn)定性，第二步實驗采用常供電的模式：即RTU給雷達液位計持續(xù)加電，保證其一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。通過多次實驗對比，低溫時常供電工作方式對雷達液位計數據測量效果突出，數據跳變的幾率降低60%以上，數據可用率得到了較大提高。

        （3）多次均值測量，過濾跳變數據。為了能夠更好地處理特例的數據跳變，第三步，我們對SCLD雷達液位計CPU內固化的軟件程序進行優(yōu)化，以此更大程度地避免跳變數據的出現。CPU 內固化的軟件程序原有數據處理模式為：發(fā)射脈沖波后并接收到反射波即迅速處理一組數據，作為測量數據回送給RTU，因此易將跳變數據作為正常數據來處理。通過常供電工作模式的調整，雷達液位計一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，
        CPU內的程序可控制雷達液位計按照特定的周期發(fā)射脈沖波后進行接收處理，獲得采集數據。實驗中按照每0.5 秒鐘發(fā)射一組雷達波，進行一次數據處理，并將數據進行存儲，連續(xù)采集18 組數據，去掉4 組zui大值和4 組zui小值后，取平均值作為可用數據測量值返回給RTU，通過RTU 發(fā)送數據。
        通過“三步走”的調整和優(yōu)化，雷達液位計工作穩(wěn)定可靠，經過不同環(huán)境下的多次實驗，改造后的雷達液位計很好地屏蔽了數據跳變現象，可以應用到生產過程中。
 
3 應用
        新疆地區(qū)的流域水資源整合項目中采用了300 余個雷達液位計，在實際應用中均不同程度出現數據跳變問題，冬季時問題更為嚴重，依本文所中的解決方案改造后，目前各三暢雷達液位計均能正常工作。經人工驗證，數據準確無誤，證明方案切實可行。
 
4 結語
        因精度高、安裝方便、維護簡單，雷達液位計作為水位測量設備已在水利行業(yè)中得到了**應用，本文研究通過軟硬件結合調整的方式，很好地解決了雷達液位計受環(huán)境影響導致的數據跳變問題，并在實際生產中得到了驗證，該方案可推進雷達液位計在水利行業(yè)的進一步應用，也可為其他行業(yè)同類應用起到很好的借鑒作用。


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