雷達液位計水位測量數據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行水文測量時，雷達液位計監測的水位數據會發生跳變，結果導致測量失敗。適當增強雷達液位計發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廣泛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下，SC雷達液位計測量精度高，安全可靠，不失為一種優秀的水位測量設備。但實際應用中水環境較為復雜，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。

         針對水環境的復雜情況，對雷達液位計及附屬模塊的供電模式、發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定可靠運行。經多次試驗，此方法穩定可靠，改造后的系統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，工作原理為其發射單元發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。

         水利行業中的水位值測量也是基于此工作原理，其系統基本組成為：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。

         由于水利行業的水位測量環境復雜，在水面平靜且無漂浮物等干擾時，雷達液位計可精準的對水位進行測量。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，我們模擬了平穩的水環境、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：平穩的水環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，保證工作狀態穩定。野外監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 對其發送數據采集指令，獲取到回傳的數據后進行發送。
        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給雷達液位計持續加電，保證其一直處于穩定的工作狀態。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定工作狀態，
        CPU內的程序可控制雷達液位計按照特定的周期發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 秒鐘發射一組雷達波，進行一次數據處理，并將數據進行存儲，連續采集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 發送數據。
        通過“三步走”的調整和優化，雷達液位計工作穩定可靠，經過不同環境下的多次實驗，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中得到了廣泛應用，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的進一步應用，也可為其他行業同類應用起到很好的借鑒作用。