一种利用河流计的河宽提取方法

1.本发明涉及河流宽度提取方法，具体涉及一种利用河流计的河宽提取方法。


背景技术：

2.河流是地球上水文循环的重要途径，为人类文明提供了最重要的水资源，对于人类社会的发展和地理环境有显著的影响。河流的水面宽度(河宽)作为河流的三个基本水力学要素之一，通常在水动力学模型中作为计算河流流量的基本参数，是洪水灾害监测的重要依据。河宽数据的精度对断面流量的计算结果准确性起到了重要作用。
3.目前，受雷电暴雨等极端天气情况和崎岖危险的地形限制，详细的接触式测量河流各处的河宽分布在很多情况下无法实现。目前主要的河宽测算方法分为遥感图像处理方法和统计拟合方法。遥感图像处理方法不具备实时性、空间分辨率不够高且容易受到云层、阴影等影响，得到的水面宽度与真实值具有一定误差。统计拟合方法需要大量实测的数据和计算对应的地形要素，并且确定性系数不高。


技术实现要素：

4.基于目前的情况，有必要提出一种利用河流计的河宽提取方法，用来弥补目前传统方法河宽测量精度较低的问题，实现及时、动态河宽的高效高精度提取。河流计是用于河流探测的微波多普勒雷达，是一种非接触式的水文测验高技术手段。
5.本发明提供的一种利用河流计的河宽提取方法，包括如下步骤：
6.1)将河流计放置在一侧河岸的地面上，通过天线探测河流水面和河流对岸地面，得到分界点的位置为天线到河流对岸地面的距离，并获取河流计正对河岸探测的经过采样后的原始回波数据；
7.2)将步骤1)的原始回波数据进行第一次快速傅里叶变换fft，实现距离变换，得到各距离元上的回波数据x(r,l)，其中r＝1
…
r、l＝1
…
l，l表示一个文件内的数据帧数，r为距离元数；再对每个距离元数据相干累计时间内的数据进行第二次fft，获得距离多普勒谱s(r,f)，其中r＝1
…
r，r为距离元数，f为多普勒频率；
8.3)利用步骤2)的距离多普勒谱，分离出零频部分得到零多普勒谱，并将一个文件内所有零多普勒谱叠加；
9.4)根据河流回波与地面回波的幅度差异确定分界点所在距离元，作为河流计与对岸的距离；
10.5)测量河流计与靠近河流计一侧河岸的距离，结合步骤4)的距离计算得到河流宽度。
11.进一步的，步骤1中所述河流计采用线性调频(lfm)脉冲，接收天线接收的河流回波信号与本振信号混频，之后再通过低通滤波器，得到差频信号并进行采样得到原始回波数据。
12.进一步的，步骤1中获取原始回波数据的具体实现方式如下；
13.设雷达信号中心频率为fc，初始相位为0，扫频周期为t，扫频带宽为b，则扫频斜率为α＝b/t，所以雷达发射波形信号可以写为：
14.s
t
(t)＝cos(2πfct+παt2)0≤t≤t
15.其中，t表示扫频周期t内的时间，如果目标在距离r0，并以速度v朝向雷达运动，设一场数据中连续发射n个扫频脉冲，对于第n个脉冲，其中1≤n≤n，则接收到的目标回波延时为：
[0016][0017]
其中t0＝2r0/c，c表示光速，目标回波信号可表示为：
[0018]
sr(t)＝ans
t
(t-td)
[0019]
其中a为回波信号距离衰减；
[0020]
接收信号经过与本振信号混频、低通滤波器后得到差频信号，其中本振信号即发射信号s
t
(t)，并把td(t)代入化简得：
[0021][0022]
对差频信号sr(t)进行采样即得到原始回波数据。
[0023]
进一步的，步骤2)中，根据距离分辨率δr将河流断面划分为一个个距离元，距离分辨率表达式为：
[0024][0025]
式中，距离分辨率代表划分的两个距离元之间的距离，c是光速，τ指的是脉冲宽度。
[0026]
进一步的，步骤2)中，根据多普勒频率分辨率αf对频率进行划分，多普勒频率分辨率表达式为：
[0027][0028]
式中，多普勒频率分辨率代表划分的两个多普勒频率之间的距离，n表示相干累计的扫频数目，ts表示多普勒采样周期。
[0029]
进一步的，步骤2)中，距离多普勒谱s(r,f)的值为复数，所以幅度用回波功率表示，回波功率计算公式如下：
[0030][0031]
式中，pr为回波功率，i、q分别代表s(r,f)的实部与虚部。
[0032]
进一步的，步骤4)中，基于步骤2)的回波功率计算公式得到河流回波与地面回波，河流回波与地面回波的幅度差异是由于雷达方程中雷达散射截面积不同导致的，雷达方程表达式如下：
[0033][0034]
其中，p
t
为雷达发射功率，pr'为雷达接收处接收回波功率，σ为目标散射截面积，用
来表征其散射特性，g是天线增益，λ是波长，lr是雷达各部分损耗引入的损失系数；地面的散射截面积远远大于水面的散射截面积，所以即使在远处地面回波的幅度也高于水面回波的幅度。
[0035]
进一步的，步骤4)中，考虑到河岸动态水面的影响，回波强度将随时间而略有变化，选择叠加零多普勒谱后幅度最大的点的横坐标作为分界点距河流计的距离。
[0036]
进一步的，步骤5)中，河流宽度的计算表达式如下：
[0037]
w＝l
2-l1[0038]
式中，w代表河流宽度，l2代表步骤4)得到的河流计与对岸的距离，l1代表手动测量的河流计与近岸的距离。
[0039]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0040]
1.本发明使用的是河流计，为河宽获取提供了一种新的方法；
[0041]
2.本发明使用河流计作为探测工具，与其他遥感方式探测相比，不受雨雾等外部环境影响，且可以全天候监测；
[0042]
3.本发明的提取方法简单快速，满足河流计实时工作的需求；
[0043]
4.本发明使用的河流计距离分辨率为5m，能实现更高精度的河宽提取，为后续的流量计算提供可靠的信息。
附图说明
[0044]
图1是本发明整体流程图。
[0045]
图2是河流计探测示意图。
[0046]
图3是处理后获得的距离多普勒谱。
[0047]
图4是叠加后的零多普勒谱。
具体实施方式
[0048]
下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0049]
参见图1，本发明实施例基于河流回波与地面回波的幅度差异，提供的利用河流计的河宽提取方法的步骤如下：
[0050]
步骤1)：参见图2，河流计探测示意图，河流计放置为河流左岸的地面上，通过天线探测河流水面和河流对岸地面，得到分界点的位置为天线到河流对岸地面的距离。获取河流计正对河岸探测的经过采样后的原始回波数据；
[0051]
河流计系统采用线性调频(lfm)脉冲，接收天线接收的河流回波信号与本振信号混频，之后再通过低通滤波器，得到差频信号并进行采样得到原始回波数据。
[0052]
设雷达信号中心频率为fc，初始相位为0，扫频周期为t，扫频带宽为b，则扫频斜率为α＝b/t，所以雷达发射波形信号可以写为：
[0053]st
(t)＝cos(2πfct+παt2)0≤t≤t
[0054]
如果目标在距离r0，并以速度v朝向雷达运动，设一场数据中连续发射n个扫频脉冲，对于第n个脉冲(1≤n≤n)，则接收到的目标回波延时为：
[0055]
[0056]
其中t0＝2r0/c，c表示光速。目标回波信号可表示为：
[0057]
sr(t)＝ans
t
(t-td)
[0058]
其中an为回波信号距离衰减。
[0059]
接收信号经过与本振信号混频(本振信号即发射信号s
t
(t))、低通滤波器后得到差频信号，并把td(t)代入化简得：
[0060][0061]
对差频信号sr(t)进行采样即得到原始回波数据。
[0062]
解调过程中，通过iq通道分离并叠加输出频谱。在单个扫频周期内，目标回波信号可以表示为复数形式：
[0063][0064]
其中，j是虚部的符号，频率fn和相位具体为
[0065][0066][0067]
从上式可以看出回波信号的频率由两部分组成，第一项是由目标速度引起的频偏，即多普勒频移，对相同距离元n个调频回波解调可提取目标的速度信息；第二项是由目标距离延时引起的频偏，同时即距离延时引起的频偏远远大于速度引起的频偏，单个线性调频回波解调后可提取目标的距离信息。
[0068]
步骤2)：将步骤1)的原始回波数据进行第一次快速傅里叶变换(fft)，实现距离变换，得到各距离元上的回波数据x(r,l)，其中r＝1
…
r、l＝1
…
l，l表示一个文件内的数据帧数，r为距离元数；再对每个距离元数据相干累计时间内的数据进行第二次fft，获得距离多普勒谱s(r,f)，其中r＝1
…
r，r为距离元数，f为多普勒频率；
[0069]
根据距离分辨率δr将河流断面划分为一个个距离元，距离分辨率表达式为：
[0070][0071]
式中，距离分辨率代表划分的两个距离元之间的距离，c是光速，τ指的是脉冲宽度。
[0072]
根据多普勒频率分辨率δf对频率进行划分，多普勒频率分辨率表达式为：
[0073][0074]
式中，多普勒频率分辨率代表划分的两个多普勒频率之间的距离，n表示相干累计的扫频数目，ts表示多普勒采样周期。
[0075]
距离多普勒谱s(r,f)值为复数，所以幅度用回波功率表示，回波功率计算公式如下：
[0076][0077]
式中，pr为回波功率，i、q分别代表s(r,f)的实部与虚部。
[0078]
图3是河流计实测数据处理后获得的正对河岸方向的距离多普勒谱，从图中可以看出距离河流计1000m附近有强回波。
[0079]
步骤3)：基于步骤2)的距离多普勒谱，分离出零频部分得到零多普勒谱，并将一个文件内所有零多普勒谱叠加；
[0080]
将一个文件内所有零多普勒叠加的目的是为了减少噪声和某时刻径向速度为0的运动目标回波带来的影响。图4是叠加了一个文件内所有记录后的零多普勒谱。
[0081]
步骤4)：基于步骤2)的回波功率计算公式得到河流回波与地面回波，根据河流回波与地面回波的幅度差异确定分界点所在距离元，作为河流计与对岸的距离；
[0082]
河流回波与地面回波的幅度差异是由于雷达方程中雷达散射截面积不同导致的，雷达方程表达式如下：
[0083][0084]
其中，p
t
为雷达发射功率，pr为雷达接收处接收回波功率，σ为目标散射截面积，用来表征其散射特性。g是天线增益，λ是波长，lr是雷达各部分损耗引入的损失系数。由此可知，回波信号距离衰减an正比于目标的散射截面积，因为地面的散射截面积远远大于水面的散射截面积，所以即使在远处地面的回波幅度也高于水面回波的幅度。
[0085]
考虑到河岸动态水面的影响，回波强度将随时间而略有变化，选择叠加零多普勒谱后幅度最大的点的横坐标作为分界点距河流计的距离。从图3可以看出来，幅度最大的点出现在距离河流计985m处。
[0086]
步骤5)：测量河流计与靠近河流计一侧河岸的距离，结合步骤4)的距离计算得到河流宽度。
[0087]
河流宽度的计算表达式如下：
[0088]
w＝l
2-l1[0089]
式中，w代表河流宽度，l2代表步骤4)得到的河流计与对岸的距离，l1代表手动测量的河流计与近岸的距离。
[0090]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。