CN201262647Y - 利用vhf/uhf雷达站监测河流流速参数的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型披露了利用VHF/UHF雷达站监测河流流速参数的系统。该系统包括雷达站，其具有至少两个与河岸定位成操作关系的天线阵列；至少一个接收信道，其连接到每个天线阵列；测向模块，其连接到至少一个接收信道；去混叠模块，其连接到测向模块；以及选自下组的至少一个模块，该组由以下模块组成：分布模块，其连接到去混叠模块且可操作以计算作为横穿河流的距离的函数的下游表面流速的分布；以及索引模块，其连接到去混叠模块且可操作以使用由雷达站测得的表面速度的子集来估计河流流量。这个频率区域使得能够对布拉格波速进行精确估计和移除；这个频率还与存在于河面上的短风浪的粗糙度周期相匹配，以便使操作在几乎所有时间都是可能的。

Description

利用VHF/UHF雷达站监测河流流速参数的系统

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。

实用新型内容

本实用新型提供了用于利用VHF/UHF雷达站来监测河流参数的多个系统。在一个实施例中，用于监测河流参数的系统包括：具有至少一个天线阵列的雷达站，其与河岸定位成操作关系(operativerelationship)；连接到至少一个天线阵列的至少一个接收信道；连接到至少一个接收信道的测向模块；连接到测向模块的去混叠(de-aliasing)模块；以及选自以下组的至少一个模块，该组包括：连接到去混叠模块且可操作以计算作为横跨河流的距离的函数的下游表面流速的分布图的分布(profiling)模块，以及连接到去混叠块且可操作以使用由雷达站测量的表面速度的子集来估计河流流量的索引模块(indexing module)。

在另一实施例中，用于监测河流参数的方法包括：从与河岸定位成操作关系的雷达站接收数据，预处理接收到的数据，将测向(DF)算法应用于预处理的数据，将去混叠算法应用于DF数据，以及执行以下步骤中的至少一个：计算作为横跨河流的距离的函数的下游表面流速的分布图；以及使用由雷达站测量的表面速度的子集来估计河流流量。在又一实施例中，具有在其上记录有计算机程序的计算机可读介质使计算机执行一个或多个前面提到的步骤。

本实用新型提供了用于基于来自表面波的反向散射确定河流和/或溪流流量的VHF/UHF雷达系统。辐射频率的多普勒频移提供了一种可被雷达观测到的河流表面上的每一点处的径向速度的度量。然后，这个径向速度图以及其信息可以被用于估计体积流量，这是大多数用户都关心的重要的量。雷达站可以位于河岸上，从而克服了依靠置于水中的仪器的传统的河流测量方法的缺点。它还提供了比微波雷达更为稳健的、节省成本的解决方案。

本实用新型的一个目的在于，提供一种使用VHF/UHF频带(代替HF或微波)来匹配在河面上发现的粗糙之处的系统。在一个实施例中，使用大约介于200MHz到3GHz之间的频率。VHF/UHF还允许使用布拉格多普勒散射关系(Bragg Doppler dispersionrelation)以从水流或流速中去除波速，这在微波频率处是做不到的。

本实用新型的另一目的在于，提供一种用于克服通常在UHF处形成并扫描窄波束所需的大天线尺寸的系统。这个目的可以通过，例如利用高效测向(DF)算法而非使用八木天线的传统波束形成(BF)来实现，从而可以降低尺寸、成本、以及通常与多普勒雷达相关的复杂度。

本实用新型的又一目的在于，提供一种用于使数学模型适于来自河岸上的UHF雷达的径向图(radial-map)速度数据的系统。由于上面公开的独特的DF方法，这个径向速度图是冗余数据的丰富来源，为关于岸间距离的河流速度的精确分布图提供可能。

本实用新型的再一个目在于，克服由河流流速太强时发生的多普勒混叠引起的限制，否则其将限制在这种溪流流量状态下提取径向速度的能力。

本实用新型的再一个目的在于，提供一种用于当不能从河流的一侧到另一侧连续地测量速度时计算河流体积流量的系统。基于从所选河流地点处的经验标定(calibration)导出水位流量关系曲线(rating curve)，这些技术已被开发用于其他传感器(例如，声学多普勒仪)，并且其被称为索引(index)法。

术语“连接(couple)”虽然不必是直接地、并且不必是机械地，但是被定义为连接(connect)。

术语“一个”被定义为一个或多个，除非本公开另外明确要求。

如本领域普通技术人员所理解的一样，术语“基本上”、“近似地”、“大约”、以及其变体被定义为很大程度上但不必全部地是所指定的。在一个非限制性的实施例中，术语基本上指在所指定的10％以内的范围、优选地在5％以内、更优选地在1％以内、以及最优选地在0.5％以内。

术语“包括(comprise)”(以及任何形式的“包括”，诸如，一般现在时和进行时的“包括”(comprises和comprising))、“具有(have)”(以及任何形式的“具有”，诸如，一般现在时和进行时的“具有”(has和having))、“包括(include)”(以及任何形式的“包括”，诸如，一般现在时和进行时的“包括”(includes和including))、“包含(contain)”(以及任何形式的“包含”，诸如，一般现在时和进行时的“包含”(contains和containing))是开放式的系动词。因此，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”、或“包含(contains)”一个或多个步骤或元件的方法或装置具有那些一个或多个步骤或元件，但不限于只具有那些一个或多个元件。同样地，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”、或“包含(contains)”一个或多个特征的一种方法的一个步骤或一个装置的一个元件具有那些一个或多个特征，但不限于只具有那些一个或多个特征。此外，以某种方式配置的装置或结构至少以该方式被配置，但也可以以未列出的方式配置。

附图说明

为了更全面地理解本实用新型，现将参考以下附图，在附图中：

图1A示出了根据本实用新型的一个实施例的VHF/UHF雷达站；

图1B是根据本实用新型的另一个实施例的信号处理系统的框图；

图2是根据本实用新型的另一个实施例在UHF处为八木天线系统预测的幅度与相位方向图的曲线图；

图3示出了在用于描述本实用新型的某些实施例的不同流速下出现的径向速度与雷达处的方位角之间的关系曲线；

图4是根据本实用新型的一个实施例的河面上的径向流速图；

图5是根据本实用新型的另一个实施例作为横穿河流的距离的函数的下游流速的分布图；

图6是根据本实用新型的又一实施例作为时间函数的雷达速度推导出的河流流速的时间关系曲线图；以及

图7是适用于实现本实用新型的某些实施例的计算机系统的框图。

具体实施方式

在以下的详细描述中，将参考示出了本实用新型的示例性实施例的附图。足够详细地描述这些实施例，以使本领域的普通技术人员能够实施本实用新型而不需过度的实验。然而，应理解，本文描述的实施例和实例是只作为说明而给出，而非为了限制。在不背离本实用新型精神的前提下，可以进行各种替换、修改、增加、和重新排列。因此，下面的描述不应当被认为是限制的意义，本实用新型的范围只由所附的权利要求限定。

现转到图1A，根据本实用新型的一个实施例描述了VHF/UHF雷达站。三向八木-宇田天线阵列(YAGI)100-102以及封闭式接电装置(enclosure)各自可以被连接到与河岸定位成操作关系的天线竿上。天线阵列100-102依靠其增益提供较高的灵敏度，从而提供比HF所使用的全向天线更大的信噪比(SNR)。VHF/UHF雷达站可以使用脉冲调制和选通技术，以避免在接收的同时进行发射，从而消除了对单独的发射和接收天线的需要，并消除了彼此隔离它们以使它们不相互干扰的方法的需要。

同样，测向(DF)算法可用来提供良好的方向分辨率所希望的窄波束宽度。在优选实施例中，YAGI阵列100-102以约半波长的间隔隔开，且两个末端阵列100和102相对于中心元件101在方位上倾斜约±30°。然而，作为本领域普通技术人员在本公开的启发下会立即发现，取决于特定应用，其他结构也可能是适合的。

图1B示出了根据本实用新型的另一个实施例的信号处理系统的框图。这个系统的一个或多个元件可置于，例如图1A中示出的封闭式接电装置中。来自源103的信号在104中被放大且经过发射/接收(T/R)开关105之后，通过中心YAGI阵列101被辐射。优选地，该阵列足够短，以提供更大的波束宽度，从而使得其辐射的能量充满将要观测的河流区域。信号被从水面上的波粗糙之处散射，而只有精确地为半雷达波长的波谱成分可以被散射回雷达。这种现象被称为布拉格散射。移向和远离雷达的波都会被观测，而由它们的径向速度引起的多普勒频移可以通过傅立叶频谱分析来分辨。在UHF频率和更低频率处，这些谱回波可以被彼此分离。传送这些布拉格波的潜流(underlying current)增加了由雷达测得的额外的多普勒频移。在比UHF(即，微波)更高的频率处，这些效应变为频谱上混合的或叠加的，以至于它们的分离不再简单易行、并且因此降低了精确度和实用性。

在本实用新型的一个实施例中，通过所有三个YAGI天线100-102接收反向散射信号。这些信号通过三个相同的接收信道106-108。当被信道106-108处理后，接收的信号通过与扫频传输波形的复本(replica)进行混合而被下变频和解调。这个过程在美国专利第5,361,072号中进行了描述，其结合于本文作为参考。优选地，所期望的信息可被包含于约2kHz的带宽中，并由音频带模数转换器109-111所数字化。

生成的数字数据流通过框或模块112-114，在那里，对它们进行频谱分析。在一个实施例中，频谱分析包括双FFT(快速傅立叶变换)。第一FFT分辨(resolve)从雷达到河面上的雷达散射区域的范围；此区域中的回波落于圆形环面(annulus)内。第二FFT产生多普勒频谱，其频率与速度相关。再次，该处理在美国专利第5,361,072号中有描述。

与微波实现不同，反向散射回波的每个谱仓(spectral bin)的多普勒频移都以精确的方式与径向流速相关。在较弱的流速状态下，该关系由下式给出：

$v_r^{\±}=\frac{\mathrm{\λ}{f}_D^{\±}}{2}\±\sqrt{\frac{\mathrm{g\λ}}{4\mathrm{\π}}},$        方程(1)

其中，

是零-多普勒位置(以Hz测得的多普勒频移)的正侧(上部符号)和/或负侧(下部符号)上的回波仓的多普勒频移。存在来自这两个边带的冗余信息，所以这两个边带中的任一个或全部都可包含完整的速度分布模式(velocity pattern)。与这些多普勒频移相对应的径向速度

可理解为当为正时指向雷达，且以单位米/秒的形式给出。该雷达波长λ是已知的，g是重力加速度。

对于基于公式(1)获得的每个径向速度仓，框或模块115的数字处理将测向(DF)算法应用到来自三个天线的数据流。一个示例性的DF算法确定是否从每个径向速度处的单角或双角方位解(solution)中获得了对该数据的最佳拟合，其在结合于本文作为参考的美国专利第5,990,834号中有描述。该步骤实现了YAGI的高增益和高SNR，同时在方位角上实现了约1°的分辨率。DF算法的部分应用需要精确的天线方向图(antenna pattern)(包括幅度和相位)。这可通过用环绕通过河流上方视野的发射应答机测量(校准)天线来提供。可选地，精确地计算的天线方向图是基于特定的YAGI天线设计和阵列几何结构的。存储的方向图116被输入到DF框或模块115中并被用在方位计算中。图2示出了根据本实用新型的另一个实施例在UHF处为YAGI天线系统预测的幅度和相位方向图。

如果水流或溪流微弱，则上述方法特别适用。当公式(1)右侧的第一项大于或等于第二项时，出现强和弱的分界。当这个情况发生时，期望的流速的多普勒效应大于已知的布拉格波速的多普勒效应(最后一项)，而所不希望的重叠区域被称作“混叠”。图3示出了UHF处(在本情形中，例如，在350MHz处)随着强河流流速出现的多普勒混叠。最上方的面板示出了两种可能的实例的河流速度分布图。这些代表作为横跨200米宽的笔直水道的距离的函数的下游表面速度分布图。对这些曲线进行规格化，以使它们具有最大值1。连续曲线表示不沿水道变化的恒定流。短划线是更为实际的实例分布图，其在水道中央达到一致，但在河岸两边处降为零。

图3的中间面板以1米/秒的最大流速为实例。即，上部面板中的规格化的一致速度值代表1秒/米。在该中间面板中画出了两组曲线。这些是多普勒频移

，其被看作从上游沿着河岸到下游观测的方位角(即，+90°到-90°)的函数。多普勒效应的连续曲线与上部面板的恒定分布图对应，而短划线代表了在河岸处降至零的分布图。上部两条曲线对应于上部符号，代表正多普勒回波区域，下部两条曲线从负多普勒区域开始与下部符号一致。这两条曲线被集中于曲线L1上，曲线L1代表前面公式的第二项，来自布拉格波的固有相位速度，其相对于角度为常量。这两组曲线几乎完全彼此分离(换言之，图中绘出的水平线可能与一组曲线相交，但不会与另一组相交)。这是“弱流”的情况，且对该最大流速不存在混叠的问题。在这种情形中或者比此情形更弱的流速中，不需使用“去混叠”。

如果最大流速增加到3米/秒，则依据图3的上部面板的规格化分布图，则最下面的面板示出了回波多普勒效应与方位角之间的关系。现在该情形被严重地混叠了。在DF方位测定之后，由雷达测量的多个点聚合到曲线L3、L4、L5和L6周围。如果选取给定的径向流速(对应于纵轴上的给定的多普勒频移)，则在图中画出的水平线经过两个方位区域。这两个区域对应于代表两个重叠的布拉格频谱区域的±符号。水平线应只穿过一个区域。因此不能如利用非混叠的中间面板来实现的那样将径向流速唯一地与单个方位联系起来。这在两个布拉格线速度(L7、L8)之间的中间区域中是尤其严重的，但是对于此区域外的相当大范围同样是正确的。

因此，当水流或溪流强时，可以通过使用在去混叠框或模块117中所包含的过程来分离混叠的区域。通过识别布拉格散射(其导致DF框115的输出如图3的下面板上所示的聚合)的潜在物理特性，本实用新型的一个实施例分辨并去除了模糊性。例如，基于本文揭示的组织该多普勒方位解(solution)的这个知识和方式，去混叠算法被应用以分离这两个纵向的区域，在此之后混叠被去除。一种实施该操作的示例性方式是使用双峰函数来拟合指定的方位仓中的多普勒数据。例如，在从约18°到22°的角度区域中，可构造双峰模型以拟合所有的多普勒数据点。接下来，该下部的峰将与前面等式的负号相配，而上部的峰将与正号相配，从而去除了模糊性。

在信号处理中，此时，多普勒/布拉格等式已在去混叠之后被应用了，而河流表面上的流的径向速度图已被构造。在图4中示出了这种径向速度图的一个实例。在使用本文公开的实施例、经过15分钟的周期测量的实际径向速度图中，纵轴和纵向尺寸代表了从下游河岸到相距200米的上游河岸的横穿河流的距离。水平轴是沿着河流的距离。通常，河岸在短距离内是足够平行的，从而使如此的描述是现实的。

导致河流体积流量的一个优选实施例以作为横穿河流的距离的函数的下游表面流速的分布图开始，其在图1的框或模块118中被计算。下面将描述用于得到横穿河流分布图的两种示例性方法，尽管本领域的普通技术人员可以根据本公开轻易地想到其他技术也可能是类似地可应用的。

在第一实施例中，如图4所示跨过横穿河流的方向，以所选角度形成两个人造波束401和402。从两波束内的给定范围处的两个径向速度，可用三角学法求得向下游的和横穿河流的速度。然后，此向下游的分量被用在距河岸附近的特定距离处。在每个范围处重复该过程，直到分布图被构造。在此过程中假定，该流速在这些空间尺度上不随上/下游河流的距离而变化。由于由雷达测量的径向速度信息的巨大扇面，除了两个示出的以外，可以产生跨过横穿河流方向的许多波束，以给出下游流速的冗余估计。可以对这些相同信息的估计求平均，以提供更为稳健的分布图。

在第二实施例中，如图4中所示产生平行于河岸的带403。收集所有落入这个带中的径向速度，并且所有这些径向速度成为最小二乘拟合(fitting)过程的数据向量。将被拟合的模型可包括向下游的和横穿河流的流速；即，可以从多个径向速度得出的两条信息。这成为了超定的(over-determined)线性最小二乘问题，该问题由在大部分现代商用计算程序包中可用的子程序调用来解决。如果需要，可以通过在模型中包含更多的参数来在这个最小二乘拟合过程中得出额外的信息。例如，除由不随着下游的距离变化所暗示的常数项以外，还可使下游的和横穿河流流速相对下游的距离线性地、二次地等等变化。然后，可以从这条带中的径向速度数据向量得出描述这个更复杂的流的额外的参数。因此，消除了随着沿着河流距离无变化的假设。

在附加的或可选的实施例中，可从径向速度图中提取其他变化信息，例如，均方根(RMS)误差、置信界限、以及速度分布图中的不确定性的其他测量。这些数据协方差的推导是线性最小二乘模型拟合的一部分，其是由矩阵运算完成的。这些方法对于河流速度分布具有有利的应用。

在将一个或多个前述步骤应用于框118处之后，可得到下游的表面速度的分布图。基于图4的径向速度图，在图5中示出了以上述方式实际测量的和提取的一个实例。这个关于横穿河流距离的速度的实例分布图还包括如在定义向下游的速度分布的数据点上的误差棒(error bar)所示的RMS不确定性。

可通过将表面流速乘以约0.85来求得深度平均的流速。在框或模块119中，在横穿河流的剖面的每个点处计算深度平均的流速。河床剖面的形状以及相对于参考基准(“水位”)的河流高度被存储在数据库121中，并被输入到119。这些被用于计算横穿河流的水的截面面积。当这个横截剖面的每个水柱(water column)被深度平均的流速所乘时，这些乘积的和或积分给出了经过该点的期望的水的体积(以立方米/秒为单位)。后者被称为河流流量120。

在某些情况下，来自雷达的速度分布图不横跨整个河宽。在这些情况下，由框或模块123所应用的索引(indexing)方法可利用雷达站能够测量的表面速度的子集。基于索引的流量计算通常需要地点特定的标度。这些可包括通过使用独立装置以经过1到2天时间制作关于横穿河流距离和深度的速度分布图。例如，可以降低和升高船配置的速度传感器，或者当船横穿河宽时，安装在船上的垂直声学多普勒仪测量水流与深度的关系。从这些底部分布图的独立测量和信息，独立地计算流量。而后，在VHF/UHF(或其他索引(index)传感器)速度旁画出该流量。这两个之间的经验关系被称为“水位流量关系曲线”。下面将描述用于利用可用的VHF/UHF雷达速度数据得出流量的两个示例性的方法，尽管本领域的普通技术人员可以根据本公开轻易地想到其他技术是类似地可应用的。

在第一实施例中，确定了在0°方位处(即，从河岸上的雷达直接离岸观测)图4中示出的曲线的斜率(slope)。此斜率已证明是非常敏感的流量指示器。特别地，斜率越大，流量越大。从预校准的存储于122中且被应用于框123中的水位流量关系曲线获得确切的关系。生成的输出124是所期望的流量。

在第二实施例中，使用了仅在河流的固定部分之上的速度分布图或平均值。这部分可以被经验地选择，以产生速度数据。例如，在200米宽的河流中，40米和120米之间的部分产生了稳健的、可靠的速度平均值，其与“水位流量关系曲线”流量标定很好的匹配。位置特有的标定会产生水位流量关系曲线，其被存储于122中，且由方框123所应用以产生流量124。

图6中示出了来自UHF雷达和声学横穿河流水下速度仪(UVM)的平均速度的一个实例。UVM已就绪且由美国地质测量局在California的一个地方使用了多年，而其测得的速度已通过水位流量关系曲线被成功地与流量联系起来。图6示出了UHF雷达精确地再现UVM速度；在这种情况下，使用并比较了40米和120米之间的雷达平均表面速度。还示出了对于每15分钟测量点的雷达速度误差棒或不确定性。在这种情况下，水道连接Sacramento三角洲中两条最大的河流，此处，流速是受由于一天两次的相反的潮汐影响的。

在一个实施例中，由微处理器或基于微处理器的装置执行在此所描述的至少某些功能。实现本实用新型的多个实施例的软件、计算机程序逻辑、或代码段可被存储于计算机程序产品的计算机可读介质中。术语“计算机可读介质”包括可存储或传送信息的任何介质。计算机程序产品的实例包括电子电路、半导体存储装置、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、压缩盘CD-ROM、光盘、硬盘等。可经由诸如互连网等的计算机网络下载代码段。

图7示出了适合使用本实用新型实施例的计算机系统700(例如，存储和/或执行与实施例相关的软件)。中央处理器(“CPU”)701连接至系统总线702。CPU 701可以是任何通用的CPU。然而，本实用新型的实施例并不限于CPU 701的体系结构，只要CPU 701支持本文描述的发明的操作。总线702连接至随机存取存储器(“RAM”)703，其可为SRAM、DRAM、或SDRAM。ROM 704也连接至总线702，其可为PROM、EPROM、或EEPROM。

总线702还连接至输入/输出(“I/O”)控制器卡705、通信适配器卡711、用户接口卡708、以及显卡709。I/O适配器卡705将存储装置706(例如，一个或多个硬盘驱动器、CD驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器)连接到计算机系统700。I/O适配器705还连接到印刷机(未示出)，这将使系统能够打印诸如文档、照片、文章等信息的纸印本。应注意，印刷机可以是打印机(例如，点阵打印机、激光打印机等)、传真机、扫描仪、或复印机。通信卡711适合于将计算机系统700连接到网络712(其可为一个或多个电话网、局域(“LAN”)和/或广域(“WAN”)网、以太网、和/或互连网)。用户接口卡708将用户输入装置(例如，键盘713、点击装置707等)连接到计算机系统700。显卡709由CPU 701所驱动以控制显示装置710上的显示。

在一个实施例中，本实用新型有利地调整(scale)由HF雷达所使用的频率以将洋面水流绘制到在河流上找到的更小的距离和粗糙度比例，因此充分利用了VHF/UHF的频带。优选地，由这里描述的系统所使用的频率范围大约在200MHz到3GHz之间。因此，本实用新型利用了某些HF原理，同时克服了否则会在这些较高的频率处遇到的若干障碍。

为了对水波利用高精度的一阶多普勒关系(其应用于UHF处(在河流上)，但不能应用于微波)，必须处理由本实用新型提出的若干挑战。例如，当河流的流速高时(例如，大于0.8米/秒)，来自前进的和后退的水波回波的频谱区域会重叠，即，变为混叠的。这在提取信息的过程中会引起严重的问题，除非可以应用去混叠的某种方法。如上面所详细描述的，本实用新型的某些实施例解决了此混叠问题。

在使用测向技术获得方位之后，河流表面流速的径向速度图可具有数百个数据点。这不同于只在两个方向上形成窄波束的微波雷达。因此，对于本文公开的UHF系统存在很多可利用的数据。然而，这些数百个径向速度组成了二维全速水流向量场的一维映射。因此，适当的模型可适合此径向速度场。该模型代表了被需要以估计河流体积流量的流速的本质。使用本文公开的某些实施例所获得的大量径向速度数据点提供了流速的建立模型，其不仅仅是提供了上/下游流速。以及，如上所详细描述的，本实用新型的某些实施例考虑到了比在现有技术中所使用的简单的二波束概念更多信息的提取。

对于很宽的河流或在平静的状态下，测得的径向速度可以不横越河宽。所测得的水流为什么不达到一岸或两岸存在很多原因。在这些情况下，不能构造上/下游速度的岸间分布图。典型地遭受这种缺陷的现有技术仪表包括例如声学多普勒仪(ADP)。在这些情况下，仍可通过构造“水位流量关系曲线”(即，通过在将流量与传感器数据的某些稳健的测量联系起来的每个雷达位置处执行可控的校准)获得总体积流量。本实用新型的某些实施例提供了导致用于获取河流流量的稳健的索引方法的水位流量关系曲线校准技术。另外，本文公开的UHF雷达系统是“非接触”的，这意味着其不会被腐蚀。

尽管本实用新型的某些实施例及其优点已在本文中被详细描述，但应该理解的是，在不背离由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以进行各种修改、替换、和改变。此外，本实用新型的范围并不应当限于本文描述的过程、机器、产品、装置、方法、以及步骤的特定实施例。作为本领域的普通技术人员将很容易从本公开中了解到，根据本实用新型可以使用现今存在的或不久将被开发的与本文描述的相应实施例执行基本上相同的功能或达到基本上相同的结果的其他过程、机器、产品、装置、方法、或步骤。因此，所附权利要求旨在包括在这样的过程、机器、产品、装置、方法、或步骤的范围之内。

参考文献

以下出版的美国专利被结合于此作为参考：美国专利第6,862,922号、第6,856,276号、第6,844,849号、第6,774,837号、第6,586,748号、第5,990,834号、第5,361,072号、和第4,172,255号。以下的专利申请也被结合于此作为参考：于2003年7月10日提交的、名为“Circular Superdirective Receive Antenna Arrays”的第2005/0007276号美国专利申请公开、于2003年10月27日提交的、名为“Ocean surface current mapping with bistatic HF radar”的第2004/0090363号美国专利申请公开、于2002年5月17日提交的、名为“Radio wave measurement of surface roughness throughelectromagnetic boundary conditions”的第2003/0213291号美国专利申请公开、于2001年12月19日提交的、名为“Ocean surface currentmapping with bistatic HF radar”的第2003/0071751号美国专利申请公开、于2002年4月1日提交的、名为“Synthesis of total surfacecurrent vector maps by fitting normal modes to single-site HF radardata”的第2003/0038744号美国专利申请公开、以及于2002年3月28日提交的、名为“Multi-station HF FMCW radar frequencysharing with GPS time modulation multiplexing”的第2003/0025629号美国专利申请公开。

Claims (10)

1.一种利用VHF/UHF雷达站监测河流流速参数的系统，其特征在于所述系统包括：

雷达站，其具有至少两个与河岸定位成操作关系的天线阵列；

至少一个接收信道，其连接到每个天线阵列；

测向模块，其连接到所述至少一个接收信道；

去混叠模块，其连接到所述测向模块；以及

选自下组的至少一个模块，该组由以下模块组成：

分布模块，其连接到所述去混叠模块且可操作以计算作为横穿河流的距离的函数的下游表面流速的分布；以及

索引模块，其连接到所述去混叠模块且可操作以使用由所述雷达站测得的表面速度的子集来估计河流流量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达站包括三个间隔开大约半个波长的八木-宇田天线阵列，以及其中，两端阵列相对于中心阵列在方位上倾斜约±30°。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达站在大约200MHz和3GHz之间运转。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个接收信道可操作以对从所述天线阵列接收的信号进行下变频、解调、数字化、以及频谱分析。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测向模块可操作以将测向算法应用到来自天线阵列的数据流，用于增加方位角分辨率。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于进一步包括：存储的方向图数据库，其连接到所述测向模块，并且可操作以向所述测向模块提供预测的幅度和相位方向图，用于方位计算。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括：开关，其连接到天线阵列的至少一个元件，所述开关用于对所发射的和接收的信号进行脉冲调制和选通。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括：水位流量关系曲线数据库，其连接到所述索引模块，并且可操作以存储预校准的水位流量关系曲线。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括：深度平均模块，其连接到所述分布模块，并且可操作以计算横穿河流的一点或多点处的深度平均的流速。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于进一步包括：河流数据数据库，其连接到所述深度平均模块，并且可操作以储存用于计算横穿所述河流的水的截面面积的河流数据。

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