专利名称：利用vhf/uhf雷达站监测河流流速参数的系统的制作方法
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^f吏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，获取坤黄穿河流的速度分布图(profile,分布)净皮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;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
4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净皮
构造在/人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，》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^^青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；这导致了水速度才是耳又的不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-睑法则。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4既念。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〗吏用用于河流监测的孩史波雷达的实例。
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—见野(大到360° )而交才奐(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才及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JU吏用河岸上的yV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 (连续波或非脉沖信号形式)，这会压迫(stress)接收才几的动态范围。为了处理弱信号，Ma等人i仑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4氐干扰的防护装置(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凄t的多个系统。在一个实施例中，用于监测河流参凄史的系统包4舌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 )沖莫块；以及选自以下组的至少 一个才莫块,该组包4舌连4妄到去混叠才莫块且可才喿作以计算作为4黄3争河流的距离的函凄丈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才几程 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4是供 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-波用于估计体积流量， 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，4是供一种使用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，寸吏用大约介于200MHz到3GHz之间的频率。VHF/UHF 还允"i午^f吏用布4立才各多普勒散射关系(Bragg Doppler dispersion relation )以/人水流或流速中去除波速，这在孩吏波频率处是估文不到的。
本实用新型的另一目的在于，4是供一种用于克力良通常在UHF 处形成并扫描窄波束所需的大天线尺寸的系统。这个目的可以通 过，例如利用高效测向(DF)算法而非4吏用爿\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，4是供一种用于橫Jt学冲莫型适于来 自河岸上的UHF雷达的径向图(radial-map )速度tt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，纟是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支术已净皮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， {旦是#皮定义为连4妄(connect )。
术语"一个，，净皮定义为一个或多个，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
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J见在时和进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4壬4可形式的"包含"，^者如， 一般现在时 和进4亍时的"包含"(contains和containing ))是开方文式的系动词。 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)" —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4正，^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是才艮据本实用新型的 一 个实施例的河面上的径向流速图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 函婆t的下游流速的分布9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 4,导出的河^^克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-睑。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4妄电 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4妻收天线的需要，并消除了 4皮此隔离它们 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7于于中心元〗牛101在方4立 上倾斜约士30。。然而，作为本领域普通4支术人员在本7>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IB示出了根据本实用新型的另一个实施例的信号处理系统 的才匡图。这个系统的一个或多个元4牛可置于，例3口图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^是供更大的波束宽度，乂人而使得其辐射的 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 送这些布才立格波的;昝;克(underlying current)增力口 了由雷达测的 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i普上混合的或叠加的，以至于它们的分离不再简单易4亍、 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lt字凄t据流通过框或—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)从雷达到河面上的雷达散射区i或 的范围；；t匕区i或中的回波落于圆形环面(annulus)内。第二 FFT 产生多普勒频:潜，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4青确的方式与径向流速相关。在4交弱的流速状态 下，该关系由下式给出
《=M± jZ， 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^f壬一个或全部都可
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4立米/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 例性的DF算法确定是否A人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 分应用需要沣奮确的天线方向图(antenna pattern )(包4舌幅度和相4立)。 这可通过用环绕通过河流上方-见野的发射应答4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框或才莫 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天线系乡充予贞测的幅度和相4立方向图。
如果水流或溪流孩t弱，则上述方法特别适用。当/>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4立格波速的多普勒^:应(最后一项)，而所不希望的重叠区域:故称作"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凝: 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^反以1米/秒的最大流速为实例。即，上部面々反中 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/纟，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4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，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4立 格频谱区域的士符号。水平线应只穿过一个区域。因此不能如利用 非混叠的中间面才反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吏用在去混叠才匡或才莫块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才莫糊性。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 法浮皮应用以分离这两个纵向的区域，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凄t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，可构造双峰才莫 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，从而去除了冲莫糊性。
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4黄穿河流的距离。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才黄穿河流的-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U8中 -故计算。下面将描述用于得到才黄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^争过横穿河流的方向，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
14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4皮构造。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3巨离而变化。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3争过横穿河流 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4亍于河岸的带403。 4欠 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，可以乂人多个径向速度4寻出的两条信息。 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 凄t项以外，还可4吏下游的和才黄穿河流;充速相对下游的3巨离线性i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-巨 离无变4匕的^f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才莫 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驶《应用于冲区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凄丈据点上的
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 在凄t据库121中，并祐:输入到119。这些纟皮用于计算才黄穿河流的水 的截面面积。当这个4黄截剖面的每个水4主(water column)净皮深度 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^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，由冲匡或才莫块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^f言息，独立:l也计算流量。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^L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^皮应用于冲匡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。
16在第二实施例中，^吏用了4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4奪，以产生速度凄t悟。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"流量标定很好的匹西己。 位置特有的标定会产生水位流量关系曲线，其^^皮存储于122中，且 由方才医123所应用以产生流量124。
图6中示出了来自UHF雷达和声学才黄穿河流水下速度4义 (UVM)的平均速度的一个实例。UVM已就绪且由美国i也质测量 局在California的一个地方使用了多年，而其测得的速度已通过水 4立流量关系曲线:帔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i吴差4奉或不确定性。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"计算才几可读介质"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4察除ROM (EROM )、软盘、压缩盘CD-ROM、光盘、碩_ 盘等。可经由诸如互连网等的计算才几网络下载^码段。
图7示出了适合4吏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。 CPU701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
17("RAM" ) 703，其可为SRAM、 DRAM、或SDRAM。 ROM 704 也连^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、用户接口卡708、以及显卡709。 1/O适配器卡705将存 储装置706 (例如， 一个或多个石更盘驱动器、CD驱动器、專t盘驱动 器、》兹带驱动器)连4妄到计算才几系统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，印刷才几可以是打印机(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，4建盘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 粗净造度比例，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)，但不能应用于樣史波)，必须处理由本实用新型提出的
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^^波回波的频-潜区》或会重叠，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
it匕;昆叠问题。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lt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/^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^未着其不 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^皮详细描 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4青神和范围的情况下，可以进4亍各种修改、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、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曰 才是交的、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 through electromagnetic boundary conditions"的第2003/0213291号美国专矛J 申^青7>开、于2001年12月19日4是交的、名为"Ocean surface current mapping with bistatic HF radar"的第2003/0071751号美国专利申i青 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号美国专利申讀7>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/\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. 4艮据4又利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达站在大约 200固z和3 GHz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凄t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 方向图凄t据库，其连接到所述测向才莫块，并且可才喿作以向所述 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4又利要求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 储预才交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 于计算一黄穿所述河流的水的截面面积的河流m居。
专利摘要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。
文档编号G01S13/58GK201262647SQ20082010516
公开日2009年6月24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