雷达液位计水位测量数据跳变问题的研究与解决方案

摘要：在干滩、有漂浮物干扰的情况下进行水文测量时，雷达液位计监测的水位数据会发生跳变，结果导致测量失败。适当增强雷达液位计发射功率使反射波信号强度增大，可降低数据跳变的概率；通过常供电可保证设备长期稳定运行，减少数据跳变的几率；采用数据多值平均可较好过滤掉跳变数据。将上述三种方式有效结合，可大幅度提高水文测流数据的准确性。

引言
         雷达液位计目前较为广泛的应用于液灌的液位测量，其液位面平静，雷达波反射较好，测量精度高。引入水利行业应用后，在测量河、湖、水库等水位时，若波浪不大或无明显干扰物的状态下，SC雷达液位计测量精度高，安全可靠，不失为一种优秀的水位测量设备。但实际应用中水环境较为复杂，设备常受到较大波浪、漂浮物、结冰、浮雪、干滩等因素干扰，出现数据跳变，导致测量数据无法使用。

         针对水环境的复杂情况，对雷达液位计及附属模块的供电模式、发射功率及数据计算等几方面进行改造，可有效地降低以上干扰因素的影响，保证三畅雷达液位计的稳定可靠运行。经多次试验，此方法稳定可靠，改造后的系统在实际应用中效果显著。

1 雷达液位计工作模式
         雷达液位计是基于时间行程原理的测量仪表，工作原理为其发射单元发出以光速运行的脉冲雷达波，当脉冲遇到液位表面时反射回来被仪表内的接收器单元接收，并将距离信号转化为液位信号，从而计算出液位深度。

         水利行业中的水位值测量也是基于此工作原理，其系统基本组成为：雷达液位计、RTU（Remote Terminal Unit，即远程终端控制单元）、DTU（Data Transfer unit，即数据传输单元）、立杆及基础、供电单元、防雷接地单元等，其结构如图1所示。

         由于水利行业的水位测量环境复杂，在水面平静且无漂浮物等干扰时，雷达液位计可精准的对水位进行测量。但若有较大波浪、漂浮物、结冰、浮雪、干滩等诸多干扰的情况下，数据跳变的问题使得测量准确度大大降低。

2 数据跳变问题的分析与研究
2.1 数据跳变的原因分析
         雷达液位计的工作原理可简单概括为如下：三畅雷达液位计发射雷达波—水面反射雷达波—雷达液位计接收雷达波。在以上三个过程中，雷达液位计本身的技术指标决定了发射与接收过程的信号质量，而水面反射雷达波的过程对信号强度产生至关重要的影响，在此过程中各种干扰因素会使反射波信号强度降低，使得三畅雷达液位计接收到的反射波太弱或接收不到反射波，导致水位测量失败。

2.2 解决数据跳变的“三步走”
        （1）加大发射功率，增强信号反射。既然反射波的强弱决定水位测量的成败，且不同的干扰物造成的影响不同，为更好地分析各类干扰的影响，我们模拟了平稳的水环境、大波浪水面、有漂浮物水面、戈壁干滩等各种不同情况，采用30M量程发射功率的雷达液位计在10M 高度进行测试，以保证信号反射的量程一致。多次实验结果表明：平稳的水环境基本能够正常反射信号，而大波浪水面出现数据波动，有漂浮堆积物的水面、戈壁干滩则出现数据跳变。我们将发射功率加大到70M 量程，则基本不出现数据跳变的问题；经过反复验证，适当加大发射功率可有效降低数据跳变概率。
        （2）改用常供电，保证工作状态稳定。野外监测设备通常采用太阳能供电模式，为了能够更好地保证系统用电，RTU会对雷达液位计进行供电控制：一般数据采集频次设置为不小于6 分钟，在采集数据发射的间隔期，RTU将停止对雷达液位计进行供电，且RTU自身也会进入休眠状态以降低功耗，在下一个数据采集周期RTU 自动苏醒，并给雷达液位计供电。在雷达液位计经几十秒的加电预热后，RTU 对其发送数据采集指令，获取到回传的数据后进行发送。
        雷达液位计供电预热的时长受外界气温的变化影响较大，一般高温度（25℃以上）时在28 秒左右，低温（-10℃以下）时会增长到45 秒左右，且RTU为雷达液位计加电的瞬间会产生较大的启动工作电流，不但增加功耗，还将缩短雷达液位计的使用寿命。目前使用的RTU 和雷达液位计均采用低功耗元器件制造，因此适当增加太阳能板和蓄电池的容量，可保证RTU和雷达液位计长时间工作，为增强其稳定性，第二步实验采用常供电的模式：即RTU给雷达液位计持续加电，保证其一直处于稳定的工作状态。通过多次实验对比，低温时常供电工作方式对雷达液位计数据测量效果突出，数据跳变的几率降低60%以上，数据可用率得到了较大提高。
        （3）多次均值测量，过滤跳变数据。为了能够更好地处理特例的数据跳变，第三步，我们对SCLD雷达液位计CPU内固化的软件程序进行优化，以此更大程度地避免跳变数据的出现。CPU 内固化的软件程序原有数据处理模式为：发射脉冲波后并接收到反射波即迅速处理一组数据，作为测量数据回送给RTU，因此易将跳变数据作为正常数据来处理。通过常供电工作模式的调整，雷达液位计一直处于稳定工作状态，
        CPU内的程序可控制雷达液位计按照特定的周期发射脉冲波后进行接收处理，获得采集数据。实验中按照每0.5 秒钟发射一组雷达波，进行一次数据处理，并将数据进行存储，连续采集18 组数据，去掉4 组zui大值和4 组zui小值后，取平均值作为可用数据测量值返回给RTU，通过RTU 发送数据。
        通过“三步走”的调整和优化，雷达液位计工作稳定可靠，经过不同环境下的多次实验，改造后的雷达液位计很好地屏蔽了数据跳变现象，可以应用到生产过程中。

3 应用
        新疆地区的流域水资源整合项目中采用了300 余个雷达液位计，在实际应用中均不同程度出现数据跳变问题，冬季时问题更为严重，依本文所中的解决方案改造后，目前各三畅雷达液位计均能正常工作。经人工验证，数据准确无误，证明方案切实可行。

4 结语
        因精度高、安装方便、维护简单，雷达液位计作为水位测量设备已在水利行业中得到了广泛应用，本文研究通过软硬件结合调整的方式，很好地解决了雷达液位计受环境影响导致的数据跳变问题，并在实际生产中得到了验证，该方案可推进雷达液位计在水利行业的进一步应用，也可为其他行业同类应用起到很好的借鉴作用。