[发明专利]利用VHF/UHF雷达站监测河流流速参数的系统和方法

说明书

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 雷达站监测河流流速(river flow)参数的系统和方法。

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 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。