CN116125459B - 一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法 - Google Patents

一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，包括：获取流速单元数据；判断动态流速单元有效性，得到各流速单元的位置指数；判定水面信号质量，获取信号强度对于测流准确度的影响程度；实时判定各单元流速有效性，获取对应的流速偏离指数；结合得到的多个因子判断侧扫雷达单元流速有效性。本发明通过对测速单元进行多方面判定，量化其有效性，从而能够去除侧扫雷达干扰单元数据，提高了用于最终计算的流速样本准确性，使得侧扫雷达系统流量计算精度大大提高。

Description

一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及水文测量技术，具体涉及一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法。
背景技术
侧扫雷达是进行大江大河、跨界河流等河流表面流速测量的水文雷达，采用非接触式雷达技术，实现对河流表面流场、网格点流速进行连续监测，同时提供数据上传服务；系统通过水位、过流面积、表面流速等数据交互，完成流量数据网络合成，实现全天候、连续自动河流流量监测。在水文测流行业中，近年来侧扫雷达测流技术应用越来越广泛。相对于必须安装在水流正上方的传统点雷达，侧扫雷达可采集水流表面多个单元的流速，但实际使用中我们却发现其监测结果误差较大，输出结果精确度较低。究其原因，我们认为并不是所有侧扫雷达采集的单元的流速样本均可参与最终的流量计算，但究竟其中哪些是对精确计算有正面效果，哪些是应被剔除的，现有技术中并没有精确的判定方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，有机结合了动态测速单元、水面信号强度、实时流速等多个因子，形成一套有效的测速单元有效性的判定方法，剔除了干扰单元，保留对精确计算有正面效果的流速样本。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，包括如下步骤：
步骤1，获取流速单元数据
侧扫雷达设备通过测量计算，生成若干沿测流断面方向的动态数量的扇形水面流速单元；
步骤2，通过各流速单元的位置指数，判定动态流速单元有效性；
步骤3，通过水面信号质量，判定动态流速单元有效性；
步骤4，获取各流速单元的流速偏离指数，判定实时流速有效性；
步骤5，结合步骤2-4中得到的多个因子判断侧扫雷达单元流速有效性。
进一步的，所述步骤2包括如下子步骤：
（1）收集河道监测站的安装信息；
（2）根据测站安装信息，构建测站三维空间模型如下：
Figure SMS_1
（1）
式中，
Figure SMS_2
为流速单元起点距，/>
Figure SMS_3
为雷达安装起点距，/>
Figure SMS_4
为雷达安装高程，/>
Figure SMS_5
为实时水位值，/>
Figure SMS_6
为雷达发射天线至表面流速单元位置的直线距离；
（3）为三维空间模型接入实时水位，计算第i个流速单元的位置指数
Figure SMS_7
：
Figure SMS_8
（2）
式中，
Figure SMS_9
为测流断面近雷达边界处起点距，/>
Figure SMS_10
为测流断面远雷达边界处起点距，由水位和测流断面的大断面资料可求得；/>
Figure SMS_11
为直线/>
Figure SMS_12
的水面投影，/>
Figure SMS_13
为流速单元近雷达边界与测流断面之间的垂直距离；/>
Figure SMS_14
为第i个流速单元处水深，/>
Figure SMS_15
为雷达测速所需的最小水深。
进一步的，
Figure SMS_16
的计算方法如下：
Figure SMS_17
。
进一步的，所述步骤2中的安装信息至少包括：雷达安装起点距、雷达安装高程、大断面信息。
进一步的，所述步骤3包括如下子步骤：
（1）根据侧扫雷达的测速单元布设信息，在侧扫雷达工作的断面采用历史资料或比测仪器多次测量流速信息；
（2）采集侧扫雷达相应单元格的信号质量信息；
（3）将同一时刻同一起点距单元格流速与侧扫雷达单元流速对比，分析出能准确反映流场状态的
Figure SMS_18
。
进一步的，所述步骤3中，
Figure SMS_19
通过侧扫雷达设备采集处理海量信号得出，其具体值由雷达设备在一次测量完成后发出。
进一步的，所述步骤4包括如下子步骤：
（1）根据侧扫雷达的测速单元布设信息，在侧扫雷达工作的断面采用采用历史资料或流速比测仪器多次测量流速，率定出第i个流速单元处的水位-水面流速关系；
（2）将同一时刻同一起点距流速比测仪器得出的流速与侧扫雷达单元流速对比，分析侧扫雷达自然工况中的测速有效性；
（3）根据率定出的第i个流速单元处的水位-水面流速关系，计算当前水位第i个流速单元的流速值偏离指数
Figure SMS_20
：
Figure SMS_21
（4）
式中，
Figure SMS_22
为当前水位第i个流速单元的流速值，/>
Figure SMS_23
为侧扫雷达设备所能测到的最大流速，/>
Figure SMS_24
为侧扫雷达设备所能测到的最小流速，/>
Figure SMS_25
为由断面测流资料率定出的第i个流速单元处的水位-水面流速关系。
进一步的，所述步骤4中，若测量断面无率定成果，将
Figure SMS_26
直接取/>
Figure SMS_27
值。
进一步的，所述步骤5包括如下过程：
通过下列公式计算每个单元的流速值有效性：
Figure SMS_28
（5）
式中，
Figure SMS_29
为第i个流速单元的有效性指数，取值范围0-1；/>
Figure SMS_30
为第i个流速单元的位置指数，取值0或1；/>
Figure SMS_31
为第i个流速单元的信号可信度指数，取值范围0-1；/>
Figure SMS_32
为第i个流速单元的流速值偏离指数。
本发明的有益效果为：
本发明通过对测速单元进行多方面判定，量化其有效性，从而能够去除侧扫雷达干扰单元数据，提高了用于最终计算的流速样本准确性，使得侧扫雷达系统流量计算精度大大提高。
附图说明
图1为测站空间示意图。
图2为测站空间俯视图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供了一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，包括如下步骤：
步骤1，获取流速单元数据
侧扫雷达设备通过测量计算，生成一系列沿测流横断面方向的动态数量的扇形水面流速单元；
步骤2，判定动态流速单元有效性，包括以下子步骤：
（1）收集河道监测站的安装信息，包括雷达安装起点距、雷达安装高程、大断面信息等。
（2）根据测站安装信息，构建测站三维空间模型（如图1、图2所示），为后续计算提供支撑：
Figure SMS_33
（1）
假设起点距的零点位于雷达安装岸边，起点距自雷达安装岸边向过水断面另一侧岸边逐渐增大，式中，
Figure SMS_34
为流速单元起点距，m；
Figure SMS_35
为雷达安装起点距，m；
Figure SMS_36
为雷达安装高程，m；
Figure SMS_37
为实时水位值，m；
Figure SMS_38
为雷达发射天线至表面流速单元位置的直线距离，由雷达波在空气中的传播速度及时间算得，m；
（3）为三维空间模型接入实时水位（由现场设立的水位计采集得来），计算第i个流速单元的位置指数
Figure SMS_39
作为判定测速单元是否有效的一个因子，计算公式如下：
Figure SMS_40
（2）
Figure SMS_41
为测流断面近雷达边界处起点距，由水位和测流断面的大断面资料可求得，m；
Figure SMS_42
为测流断面远雷达边界处起点距，由水位和测流断面的大断面资料可求得，m；
Figure SMS_43
为第i个流速单元处水深，由水位和测流断面的大断面资料可求得，m；
Figure SMS_44
为雷达测速所需的最小水深，为侧扫雷达一项技术参数，m；
Figure SMS_45
为直线/>
Figure SMS_46
的水面投影；/>
Figure SMS_47
；
Figure SMS_48
为流速单元近雷达边界与测流断面之间的垂直距离。
步骤3，判定水面信号质量，包括如下子步骤：
（1）根据侧扫雷达的测速单元布设信息，在侧扫雷达工作的断面采用走航式ADCP（也可以采用其他流速比测仪器，如流速仪等）多次测量流速信息。此外，也可根据实际需要采用历史资料中的流速数据。
（2）采集侧扫雷达相应单元格的信号质量信息。
（3）将同一时刻同一起点距ADCP第一层单元格流速与侧扫雷达单元流速对比，分析出能准确反映流场状态的
Figure SMS_49
，作为判定侧扫雷达测速单元是否有效的一个因子。
Figure SMS_50
通过侧扫雷达设备采集处理海量信号得出，其具体值由雷达设备在一次测量完成后发出，介于0和1之间，雷达设备提供每个测速单元的信号强度数据。通过信号强度与现场的流场资料的相关分析，输出每个单元格的可信指数。
步骤4，判定实时流速有效性：
（1）根据侧扫雷达的测速单元布设信息，在侧扫雷达工作的断面采用走航式ADCP（或流速仪等其他流速比测仪器）多次测量流速资料，率定出第i个流速单元处的水位-水面流速关系。此外，也可根据实际需要采用历史资料中的流速数据。
（2）根据率定出的第i个流速单元处的水位-水面流速关系，计算当前水位第i个流速单元的流速值偏离指数
Figure SMS_51
，作为判定测速单元是否有效的一个因子：
Figure SMS_52
（4）
式中，
Figure SMS_53
为当前水位第i个流速单元的流速值，m/s；
Figure SMS_54
为侧扫雷达设备所能测到的最大流速，为侧扫雷达一项技术参数，m/s；
Figure SMS_55
为侧扫雷达设备所能测到的最小流速，为侧扫雷达一项技术参数，m/s；
Figure SMS_56
为由断面测流资料率定出的第i个流速单元处的水位-水面流速关系，若测量断面无率定成果，可暂时将/>
Figure SMS_57
直接取/>
Figure SMS_58
值即可。
步骤5，根据多个因子判断侧扫雷达单元流速有效性
其中每个单元的流速值有效性可通过下列公式来评判：
Figure SMS_59
（5）
式中，
Figure SMS_60
为第i个流速单元的有效性指数，取值范围0-1，1表示有效性最好；
Figure SMS_61
为第i个流速单元的位置指数，取值0或1，0表示不可用，1表示可用；
Figure SMS_62
为第i个流速单元的信号可信度指数，取值范围0-1，1表示信号可信度最好；
Figure SMS_63
为第i个流速单元的流速值偏离指数，非负数；
由式（5）算得的流速单元流速值有效性指数一般应在0.65以上可认为目标流速单元流速值是有效的，也可根据测流断面具体情况分析有效性指数的门槛值。
应用上述用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法后得到各单元的流速有效性值，剔除流速值有效性指数低于给定数值的流速单元，基于有效的目标流速单元进行流速计算，能够得到更为精确的计算结果。结合前述步骤及本段内容，能够得到改进的流速计算方法。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取流速单元数据
侧扫雷达设备通过测量计算，生成若干沿测流断面方向的动态数量的扇形水面流速单元；
步骤2，通过各流速单元的位置指数，判定动态流速单元有效性；具体包括如下子步骤：
(1)收集河道监测站的安装信息；
(2)根据测站安装信息，构建测站三维空间模型如下：
Figure FDA0004266761070000011
式中，di为流速单元起点距，d0为雷达安装起点距，H为雷达安装高程，z为实时水位值，li为雷达发射天线至表面流速单元位置的直线距离；
(3)为三维空间模型接入实时水位，计算第i个流速单元的位置指数IDi：
Figure FDA0004266761070000012
式中，ds为测流断面近雷达边界处起点距，de为测流断面远雷达边界处起点距，由水位和测流断面的大断面资料可求得；l1为直线li的水面投影，l2为流速单元近雷达边界与测流断面之间的垂直距离；hi为第i个流速单元处水深，hmin为雷达测速所需的最小水深；
步骤3，通过水面信号质量，判定动态流速单元有效性；
步骤4，获取各流速单元的流速偏离指数，判定实时流速有效性；
步骤5，结合步骤2-4中得到的多个因子判断侧扫雷达单元流速有效性；具体包括如下过程：
通过下列公式计算每个单元的流速值有效性：
Figure FDA0004266761070000013
式中，IEi为第i个流速单元的有效性指数，取值范围0-1；IDi为第i个流速单元的位置指数，取值0或1；ICi为第i个流速单元的信号可信度指数，取值范围0-1；IVi为第i个流速单元的流速值偏离指数。
2.根据权利要求1所述的用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，l1的计算方法如下：
Figure FDA0004266761070000014
3.根据权利要求1所述的用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，所述步骤2中的安装信息至少包括：雷达安装起点距、雷达安装高程、大断面信息。
4.根据权利要求1所述的用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，所述步骤3包括如下子步骤：
(1)根据侧扫雷达的测速单元布设信息，在侧扫雷达工作的断面采用历史资料或比测仪器多次测量流速信息；
(2)采集侧扫雷达相应单元格的信号质量信息；
(3)将同一时刻同一起点距单元格流速与侧扫雷达单元流速对比，分析出能准确反映流场状态的ICi。
5.根据权利要求4所述的用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，所述步骤3中，ICi通过侧扫雷达设备采集处理海量信号得出，其具体值由雷达设备在一次测量完成后发出。
6.根据权利要求1所述的用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，所述步骤4包括如下子步骤：
(1)根据侧扫雷达的测速单元布设信息，在侧扫雷达工作的断面采用历史资料或流速比测仪器多次测量流速，率定出第i个流速单元处的水位-水面流速关系；
(2)根据率定出的第i个流速单元处的水位-水面流速关系，计算当前水位第i个流速单元的流速值偏离指数IVi：
Figure FDA0004266761070000021
式中，vi为当前水位第i个流速单元的流速值，Vmax为侧扫雷达设备所能测到的最大流速，Vmin为侧扫雷达设备所能测到的最小流速，
Figure FDA0004266761070000022
为由断面测流资料率定出的第i个流速单元处的水位-水面流速关系。
7.根据权利要求6所述的用于侧扫雷达的有效测速单元判定方法，其特征在于，所述步骤4中，若测量断面无率定成果，将
Figure FDA0004266761070000023
直接取vi值。
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