[实用新型]利用VHF/UHF雷达站监测河流流速参数的系统

说明书

技术领域

本实用新型总体上涉及雷达，更具体地，涉及用于利用VHF/UHF雷达站监测河流流速(river flow)参数的系统。

背景技术

河流流速(尤其是作为时间函数的经过一点的体积流量(volume discharge))的监测是一项可回溯至一个多世纪以前的、建立的很完善的技术。目前，在美国有数千种正在使用的河流(stream)测量系统。许多老百姓都依靠河流流量的可自由使用的可用性用于农业、洪水控制/监测、船只作业等的决策。不幸地是，传统方法都具有使用置于水下的传感器的缺点，因而它们的寿命是有限的且维护费用昂贵。由此，已经由包括美国地质测量局、州级机关等的很多机构明确表达了对“非接触”替换品的需求。现在，获取横穿河流的速度分布图(profile，分布)被认为是对估计整个河流流量的过程所设置的一个可以接受的输入数据。

高频(HF)雷达已经被广泛用来测绘海洋表面上的水流。其部分原因是因为高频雷达的长波长信号，当高频雷达的长波长信号由主要的海面波散射时，会产生十分简单的、稳健的物理的和现象的判读(interpretation)，而这种判读是不能通过使用更广泛地应用的微波雷达来得到的。水流或表面流模式(pattern)引起了来自布拉格散射波(即，移向雷达以及远离雷达的那些半雷达波长)的多普勒频移。已知的由波动引起的速度使得传送布拉格波的水流引入了额外的多普勒频移，而前者可以基于后者的信息而被提取。观测海上的同一点的海岸上的两个或多个雷达使得总的水平速度矢量被构造在从径向线开始的每个图面点处。美国专利第4,172,255号和第5,361,072号描述了HF雷达近岸流(coastal current)测绘雷达的技术，而美国专利第5,990,834号描述了如何使用高度紧凑的天线确定这些流测绘雷达的方位(bearing)。然而，观测河流表面的HF雷达并不适合，因为与HF波长对应的长布拉格波不存在于较小尺寸的河流和水道上。

其波长跨越数厘米的微波雷达已经被尝试用于河流速度的分布(profiling)。也可进行精确范围测量的多普勒方案(version)具有昂贵、并因此对于广泛应用来说具有较小吸引力的缺点。另一个缺点是由其非常短的波长造成的复杂的散射机制；这导致了水速度提取的不精确，因为在海上的HF和在河上的超高频(UHF)处工作良好的简单布拉格波散射关系是不可用的；故必须建立精确度较低的经验法则。另一方面，利用它们的抛物面反射器天线形成窄波束是一个容易理解的概念。可以在“Measurement of River SurfaceCurrents with Coherent Microwave System，”Plant等人，IEEE Trans.Geoscience & Remote Sensing，Vol.43，No.6，pp.1242-1257，2005中找到一个使用用于河流监测的微波雷达的实例。

为了实现与微波雷达拥有的UHF的窄波束宽度相同的窄波束宽度，需要一个大小为数十米的天线。这从结构尺寸和成本上都是相当难以接受的。如今具有通用的紧凑天线的HF海流测绘雷达已经通过为了宽阔的视野(大到360°)而交换(trade)高的方向性增益，避免了大尺寸的限制。美国专利第5,361,072号描述了由紧凑的、共处一地的交叉环和单极天线所组成的测向雷达系统。

“UHF Surface Current Radar Hardware System Design”Ma等人，IEEE Microwave and Wireless Components Letters，Vol.15，No.12，pp.904-906，2005中描述了一个UHF河流速度监测雷达的实例。这个系统在300MHz处工作，并且使用河岸上的八木(yagi)天线。然而，这个中国的系统具有两个主要的限制。第一，八木天线具有很宽的波束宽度。当在传统配置下单独使用时，它们产生具有严重降级的方位分辨率的速度分布图或示意图，从而会产生偏差。第二，该系统使用CW(连续波或非脉冲信号形式)，这会压迫(stress)接收机的动态范围。为了处理弱信号，Ma等人论述了对发送和接收独立的多个天线的需求，在这些天线之间具有降低干扰的防护装置(fence)。这对稳健的工作构成了严重的阻碍，因为他们的天线配置不再紧凑，且其不再是低成本的系统。

因此，为了实现UHF河流监测雷达提供的多种有益效果，由此发明人已经认识到了很多需要克服的障碍。本实用新型通过提供用于实时的河流速和流量监测的节省成本的VHF/UHF系统，解决了这些以及其他问题。