专利名称：利用vhf/uhf雷达站监测河流流速参数的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及雷达，更具体地，涉及用于利用VHF/UHF 雷达站监测河;危:i^速(river flow )参凄t的系纟克和方法。
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4艮完善的4支术。目前，在美国有凄t千种正在4吏用的河流 (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， 获耳又4黄穿河流的速度分布图(profile,分布)^皮i人为是对估计整个 河流流量的过程所i殳置的 一个可以4妄受的输入数据。
高频(HF)雷达已经;故广泛用来测纟会海洋表面上的水流。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-皮
构造在/^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 确定这些流测纟会雷达的方位(bearing )。然而，7见测河流表面的HF 雷达并不适合，因为与HF波长对应的长布拉4各波不存在于4交小尺 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 4是取的不4青确，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 4氐的经-验法则。另一方面，利用它们的抛物面反射器天线形成窄波 束是一个容易玉里解的相克念。可以在"Measurement of River Surface Currents 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〗吏用用于河流监测的孩t波雷达的实例。
为了实现与孩i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3见野(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寺 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JM吏用河岸上的/^木(yagi)天线。 然而，这个中国的系统具有两个主要的限制。第一，/\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) 4妄收4几的动态范围。为了处理弱信号，Ma等人论述了对发送和4姿 收独立的多个天线的需求，在这些天线之间具有降低干4尤的防护装 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。本发明通过提供用于 实时的河流速和流量监测的节省成本的VHF/UHF方法，解决了这 些以及其4也问题。
发明内容
本发明才是供了用于利用VHF/UHF雷达站来监测河流参凄t的多 个系统和多种方法。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 (operative relationship );连4妄到至少 一个天线阵列的至少一个4妄收 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才莫块,该组包 括连接到去混叠才莫块且可才喿作以计算作为4黄^夸河流的距离的函凄t 的下游表面流速的分布图的分布(profiling)才莫块，以及连接到去 混叠块且可才乘作以 -使用由雷达站测量的表面速度的子集来估计河 力充力充量的索亏1才莫块(indexing module )。在另一实施例中，用于监测河流参数的方法包括乂人与河岸定 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lt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;^几程 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。
本发明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雷达系统和方法。辐射频率的多普勒频移揭二 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， 这是大多凄t用户都关心的重要的量。雷达站可以位于河岸上，乂人而 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。
本发明的一个目的在于，提供一种使用VHF/UHF频带(代替 HF或孩i波)来匹配在河面上发现的粗糙之处的系统和方法。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i午4吏用布4立才各多普勒散射关系(Bragg Doppler dispersion relation )以从水流或流速中去除波速，这在樣t波频率处是做不到的。
本发明的另一目的在于，4是供一种用于克月良通常在UHF处形 成并扫描窄波束所需的大天线尺寸的系统和方法。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。
本发明的又一目的在于，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)速度凄t据的系统和方法。由于上面/>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。
本发明的再一个目在于，克月艮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4是取径向速 度的能力。
本发明的再一个目的在于，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和方法。基于 乂人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4支术已^皮开发用于其他传感器(例如，声学多 普勒仪)，并且其^皮称为索引(index)法。
术语"连接(couple )，，虽然不必是直接地、并且不必是机械地， 4旦是净皮定义为连4妄(connect )。
术语"一个"^皮定义为一个或多个，除非本7>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
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i也在1%以内、以及最 优选;也在0.5%以内。
术语"包括(comprise)"(以及任何形式的"包括"，诸如，一 4殳现在时和进4亍时的"包4舌，，(comprises和comprising))、"具有 (have)"(以及任何形式的"具有"，诸如，一4殳现在时和进行时的 "具有，，(has和having ))、"包括(include )，，(以及任何形式的"包 括，，，诸如，一4殳现在时和进4亍时的"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4亍时的"包含"(contains和containing ))是开》文式的系动词。 因此，"包括(comprises)","具有(has)"、"包括(includes )，，、或
"包含(contains)" —个或多个步骤或元件的方法或装置具有那些 一个或多个步驶《或元件，zf旦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)" —个或多个4争^正的一种方法的一个步骤或一个 装置的一个元4牛具有那些一个或多个4争4i， 4旦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
:故配置，^f旦也可以以未列出的方式配置。
为了更全面地理解本发明，现将参考以下附图，在附图中
图1A示出了根据本发明的一个实施例的VHF/UHF雷达站；
图1B是根据本发明的另一个实施例的信号处理系统的框图2是根据本发明的另一个实施例在UHF处为八木天线系统 预测的幅度与相位方向图的曲线图3示出了在用于描述本发明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是才艮据本发明的 一个实施例的河面上的径向流速图5是根据本发明的另 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是根据本发明的又一实施例作为时间函数的雷达速度推导 出的河W"危速的时间关系曲线图；以及
图7是适用于实现本发明的某些实施例的计算冲几系统的框图。
具体实施例方式
在以下的详细描述中，将参考示出了本发明的示例性实施例的 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 够实施本发明而不需过度的实验。然而，应理解，本文描述的实施 例和实例是只作为"i兌明而给出，而非为了限制。在不背离本发明4青 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，本发明的范围只由所附的 权利要求限定。
现转到图1A,根据本发明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纟乘作关系的天线竿上。 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雷达站可以侵: 用脉沖调制和选通技术，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 们不相互干护G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 上倾斜约士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。
12图IB示出了根据本发明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4青确地为半雷达波长的波i普成分可以^皮散射回雷达。这种现象祐L 称为布拍^各散射。移向和远离雷达的波老卩会^皮;現测，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^氐频率处，这些"i普回波可以祐J皮此分离。传送这些布4立格 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，孩i波)更高的频率处，这些岁文应变为频-潜上 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《氐 了精确度和实用性。
在本发明的一个实施例中，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4于混合而纟皮下变频和解调。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^^莫数转换器 109-111所数字化。
生成的lt字凄t据流通过一医或才莫块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) 乂人雷达到河面上的雷达散射区域 的范围；jt匕区i或中的回波落于圓形环面(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4t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《合出
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才莫式(velocity pattern )。与这些多普勒频移相 对应的径向速度v，可理解为当为正时指向雷达，且以单位米/秒的形 式给出。该雷达波长人是已知的，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
(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 分应用需要姊青确的天线方向图(antenna pattern )(包4舌幅度和相4立)。 这可通过用环绕通过河流上方纟见野的发射应答才几测量(4交准)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示出了根据本发明的另一个实 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^L弱，则上述方法特别适用。当公式(l)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才各波速的多普勒效应(最后一项)，而所不希望的重叠区i或;陂称作"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，^旦在河岸两边处降为零。
图3的中间面^反以1米/秒的最大流速为实例。即，上部面才反中 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^皮看作乂人上游沿着河岸到下游观测的 方位角(即，+90°到-90°)的函凄t。多普勒效应的连续曲线与上部 面^反的恒定分布图对应，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，4戈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4皮此分离 (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，则最下面的面才反示出了回波多普勒效应与方位角之间的关 系。现在该情形净皮严重地混叠了 。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i成对应于^表两个重叠的布^立 才各频谱区域的士符号。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4吏用在去混叠冲匡或才莫块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4反上所示的聚合)的潜在物理特性， 本发明的一个实施例分辨并去除了才莫糊性。例如，基于本文揭示的 纟且织该多普勒方4立解(solution)的这个^口识和方式，去混叠算法净皮 应用以分离这两个纟从向的区i或，在此之后混叠^皮去除。 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^1夸与正号相配，乂人而去除了才莫糊性。
在信号处理中，此时，多普勒/布4立4各等式已在去混叠之后#皮应 用了，而河流表面上的流的径向速度图已净皮构造。在图4中示出了 这种径向速度图的一个实例。在4吏用本文7>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4黄穿河流的3巨离。水平轴是沿着 河流的距离。通常，河岸在短距离内是足够平4亍的，乂人而^f吏如此的 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坤黄穿河流的3巨离 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才艮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3夸过才黄穿河流的方向，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纟黄穿河流的速度。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4艮定，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^争过^黄穿河流 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4黄穿河流的流速；即，可以/人多个径向速度4寻出的两条孑言息。 这成为了超定的(over-determined )线4生最小二乘问题，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4吏下游的和横穿河流流速相只于下游的3巨离线性;也、 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4匕的4艮i殳。
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("7jc位")的河流高度被存储 在凄史l居库121中，并#皮|#入到119。这些^皮用于计算4黄穿河流的7K 的截面面积。当这个一黄截剖面的每个7K4主(water column)祐j罙度 平均的流速所乘时，这些乘积的和或积分纟合出了经过该点的期望的 水的体积(以立方米/秒为单位)。后者纟皮称为河流流量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，由框或才莫块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4吏用独立装置以经过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i也计算流量。而后，在VHF/UHF (或其4也索引 (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 人员可以才艮据本7>开轻易地想到其他才支术是类似地可应用的。
在第一实施例中，确定了在0。方^f立处(即，乂人河岸上的雷达直 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4诸于122中且^皮应用于才匡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^又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;故经-验地选择，以产生速度凄t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 由方冲医123所应用以产生流量124。
图6中示出了来自UHF雷达和声学4黄穿河流水下速度4义 (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4吏用了多年，而其测得的速度已通过水 位流量关系曲线-故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 达速度误差纟奉或不确定性。在这种情况下，水道连4矣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 沙影响的。
在一个实施例中，由樣t处理器或基于樣i处理器的装置执行在此 所描述的至少某些功能。实现本发明的多个实施例的软件、计算机 程序逻辑、或^码段可^皮存储于计算一几程序产品的计算一几可读介质 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、可纟察除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示出了适合使用本发明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。 CPU701可以是任何通用的CPU。然而，本 发明的实施例并不限于CPU 701的体系结构，只要CPU 701支持本 文描述的发明的才喿作。总线702连"l妄至随才几存取存^f诸器("RAM")703，其可为SRAM、 DRAM、或SDRAM。 ROM 704也连4妄至总 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4妄口卡708、以及显卡709。 1/O适配器卡705将存 储装置706 (例如， 一个或多个-更盘驱动器、CD驱动器、软盘驱动 器、》兹带驱动器)连4妄到计算4几系统700。 I/O适配器705还连4妄到 印刷机(未示出)，这将使系统能够打印诸如文档、照片、文章等 信息的纟氏印本。应注意，印刷才几可以是打印才几(例如，点阵打印才几、 激光打印机等)、传真机、扫描仪、或复印机。通信卡711适合于 将计算才几系统700连4妄到网络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4妄到计算才几系统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，本发明有利地调整(scale)由HF雷达所偵L 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 发明利用了某些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^f效波)，必须处理由本发明提出的若干 4兆战。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，本发明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7>开的UHF系统存在4艮多可利用的凄t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。该才莫型代表了被需要以估 计河流体积流量的流速的本质。4吏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，本发明的某些实施例考虑 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。本发明的某些实施例提供了导致用于获 耳又河流流量的稳4t的索引方法的水位流量关系曲线才交准4支术。另 外，本文7>开的UHF雷达系统是"非接触"的，这意p木着其不会 #皮腐蚀。
尽管本发明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发明的精神 和范围的情况下，可以进行各种修改、替换、和改变。此外，本发 明的范围并不应当限于本文描述的过程、才几器、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，根据本发明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，
21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i青也^皮结合于此作为参考于2003年7月10日 才是交的、名为"Circular Superdirective Receive Antenna Arrays"的第 2005/0007276号美国专矛J申"i青/^开、于2003年10月27曰才是交的、 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 through electromagnetic boundary conditions"的第2003/0213291号美国专矛J 申"i青7^开、于2001年12月19日提交的、名为"Ocean surface current mapping with bistatic HF radar"的第2003/0071751号美国专利申请 公开、于2002年4月1曰提交的、名为"Synthesis of total surface current vector maps by fitting normal modes to single-site HF radar data"的第2003/0038744号美国专利申请公开、以及于2002年3 月28日才是交的、名为"Multi-station HF FMCW radar frequency sharing with GPS time modulation multiplexing"的第2003/0025629 号美国专利申请公开。
权利要求
1. 一种用于监测河流流速参数的系统，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. 才艮据4又利要求1所述的系统，其中，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士30。。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述雷达站在大约200 MHz和3 GHz之间运寿争。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，每个接收信道可4乘作以对 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i普分析。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中，接收信道可操作以分辨河 面上的散射区域范围，以及生成将频率与河流速度联系起来的 多普勒频i普。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述测向才莫块可操作以将 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。
7. 根据权利要求6所述的系统，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。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中，所述测向模块确定对从一 个或多个径向速度处的单角和双角方位解所获得的数据的最 佳拟合。
9. 根据权利要求1所述的系统，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4妄收的信 号进4于爿永冲调制和选通。
10. 根据权利要求1所述的系统，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。
11. 根据权利要求1所述的系统，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。
12. 根据权利要求11所述的系统，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7K的截面面积的河流l史据。
13. —种用于确定河流流速参凄t的方法，所述方法包4舌接收来自与河岸定位成操作关系的雷达站的数据； 预处理所接收的数据； 将测向算法应用于预处理过的数据； 将去混叠算法应用于测向凄t据；以及 执行以下步骤中的至少一个计算作为片黄穿河流的距离的函#t的下游表面流速的 分布；以及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o
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述雷达站在大约200 MHz和3 GHz之间运專争。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述预处理所接收的数 据包括对所接收的数据进行下变频、解调、数字化、以及频谱 分析。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述频谱分析包括分 辨河面上的散射区域范围，以及生成将频率与河流速度联系起 来的多普勒频-潜。
17. 才艮据4又利要求13所述的方法，其中，所述测向算法可才喿作以 增加方位角分辨率。
18. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括计算横穿所述河 流的一点或多点处的深度平均的流速，以使用下游表面流速的 分布确定河流流量。
全文摘要
描述了用于使用与河岸定位成操作关系的VHF/UHF雷达来监测河流和水道的表面流速和体积流量的多个系统和多种方法。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。还公开了方位确定方法。在雷达覆盖范围内的数千个点处，可以从来自单个雷达的径向速度分量图构造出上/下游表面速度分布与横穿河流的距离之间的关系。还示出了在高流速条件下补偿多普勒混叠的方法。
文档编号G01S13/58GK101504461SQ20081009509
公开日2009年8月12日 申请日期2008年5月5日 优先权日2008年2月5日
发明者卡尔文·蒂格, 唐纳德·巴里克, 彼得·利勒博 申请人:科达海洋传感器有限公司