雷達潮位儀在海洋潮位觀測中的技術應用

秦子健++張曉霞

摘 要：雷達潮位儀是應用遙感技術進行潮位觀測的新型驗潮儀器。本文介紹了雷達潮位儀的測量原理、結構組成、設計思路，論述了雷達潮位在潮位觀測中的實際應用，預測了雷達潮位儀在國內的應用前景。

關鍵詞：雷達潮位儀 潮位觀測 測繪 遙感

中圖分類號：P731 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0055-02

當前，我國潮位測量技術發展滯后，仍然采用固定站位進行潮汐觀測，該種觀測方法存在一定的測量誤差，首先海洋的圍填海工程減少了近岸與海灣的面積，灘涂露出水面，而部分地區觀測站的驗潮井設立于近岸，基準面無法確定；其次長期使用的浮子驗潮儀，由于機械磨損、水尺生銹等原因將增加測量誤差，造成潮位長期測量的不準確，影響潮位資料的記錄及相關預報。

本文雷達潮位儀研究的目的就是為了改進我國目前潮位觀測方法，提高驗潮儀器測量精度和采樣頻率，將海洋測量尤其是潮位測量水平從原來的簡單、費時發展到自動化、數字化、無人值守，既提高了驗潮精度，又節省了人力成本。

1 雷達潮位儀測量原理

雷達潮位儀測量潮位技術前提要求根據實際水文氣象要素，設定一個測站基準面Hb。雷達潮位儀主機發射微波信號，經天線聚束照射到海面，海面將電磁波反射回雷達，接收天線收集海面反射的回波[1]，經接收機放大，混頻，檢波等一系列處理，測量電磁波的往返延遲時間，運用Ha=1/2△t×c，求出雷達潮位儀距離海面的實時高度[2]。該高度結果為一種模擬信號，經過模數變換、無線傳輸等技術傳入終端計算機。這時海面潮位的實時數據即為T=Hb—Ha。

2 雷達潮位儀測量方案設計

測量儀器距離自由海面的高度是潮位儀進行測量的主要內容。雷達接收到的調頻連續波可以在其工作的同時進行實時處理，并將處理后準確的潮位信息向終端輸出。輸出到終端的潮位數據可以在計算機上顯示并記錄儲存（見圖1）。

雷達潮位儀測量系統分為四部分，雷達潮位儀主機、電壓信號模數轉換器（以下簡稱A/D轉換器）、無線傳輸設備以及終端計算機。雷達潮位儀主機負責發射、接收雷達回波信號，并將回波信號處理成4～20 mA的電流信號，傳入A/D轉換器。該電流信號的大小表征雷達到海面的高度。A/D轉換器經過A/D轉換[3]，將模擬信號數字化，以滿足遠距離無線傳輸的要求。最后無線傳輸設備利用GPRS無線網絡[4]，將數據傳入安裝在實驗室的終端計算機，從而實現了從驗潮站到終端計算機的無線、雙向數據通信。終端計算機安裝了分析、處理軟件，用于對潮位數據進行顯示、分析和儲存（見圖2）。

3 雷達潮位儀在實際觀測中的應用

為了驗證雷達潮位儀測量系統的準確性和穩定性，進行了為期一個月的驗證實驗。

3.1 實驗設計流程

（1）在驗潮站進行雷達潮位儀的安裝、調試。

（2）進行為期一個月的，無人值守的潮位資料記錄。

（3）將雷達潮位儀記錄、保存的潮位資料與驗潮站的傳統驗潮儀測量數據進行比對，并進行測量精密度分析。

3.2 結果分析

（1）儀器準確性驗證。

由于驗潮站潮位資料的保密性，僅取其中48 h數據作圖對比，以考察雷達潮位儀測量潮位值的準確性。

利用貝塞爾公式

計算出雷達潮位儀潮位數據的均方差=±2.04 cm。

主要是由于浮子式驗潮儀整點時刻潮位數據由前后五分鐘潮位數據的平均值求出。由于雷達潮位儀每秒記錄兩個潮位數據，因此，在整點時刻上，本次雷達潮位儀實驗采用整點時刻內潮位數據的平均值。

（2）儀器測量精密度。

利用平潮時，潮位處于相對穩定狀態，對雷達潮位儀儀器測量的精密度進行了分析。選取實驗后24 h高高潮前后的平潮時期，進行雷達潮位儀測量精密度的實驗。

根據浮子式驗潮儀的驗潮數據，當天高高潮時刻為7：42分，潮高406 cm，平潮期間從7：33～7：50，共18 min。由于雷達潮位儀每秒鐘記錄兩個數據，數據較豐富，因此本實驗將平潮時間均分為9段，每段2 min。由標準差公式：

雷達潮位儀在平潮期間各時間段平均潮位數據的標準差為σ=0.331。

數據表明，雷達潮位儀測量系統能夠達到潮位測量的精度要求，可以用于潮位的測量。在一個月的連續觀測中，雷達潮位儀系統運行良好，儀器工作穩定，說明雷達潮位儀測量系統達到了設計時提出的無人值守的要求。

4 結語

雷達潮位儀是以遙感技術為核心，利用雷達發射、接收調頻連續波，計算雷達到海面距離的新型潮位測量設備。它能夠將數據通過模數變換、無線傳輸等技術連入終端計算機，進行潮位的實時觀測。通過與浮子式驗潮儀測量數據比較，表明雷達潮位儀潮位測量數據是可信的，測量系統滿足設計方案要求，具有廣闊的推廣空間。

參看文獻

[1] Skolnik M I.Introduction to Radar Systems[M].McGraw-Hill，NewYork，1962：648.

[2] 劉杰.線性調頻連續波（FMCW）雷達信號線性度分析和工程應用[J].大眾標準化，2009（S1）.

[3] http：//baike.baidu.com/view/2618365.htm.

[4] 趙劉強.基于嵌入式系統和GPRS的遠程監控系統研究及實現[D].保定：河北電力大學，2009.endprint

摘 要：雷達潮位儀是應用遙感技術進行潮位觀測的新型驗潮儀器。本文介紹了雷達潮位儀的測量原理、結構組成、設計思路，論述了雷達潮位在潮位觀測中的實際應用，預測了雷達潮位儀在國內的應用前景。

關鍵詞：雷達潮位儀 潮位觀測 測繪 遙感

中圖分類號：P731 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0055-02

當前，我國潮位測量技術發展滯后，仍然采用固定站位進行潮汐觀測，該種觀測方法存在一定的測量誤差，首先海洋的圍填海工程減少了近岸與海灣的面積，灘涂露出水面，而部分地區觀測站的驗潮井設立于近岸，基準面無法確定；其次長期使用的浮子驗潮儀，由于機械磨損、水尺生銹等原因將增加測量誤差，造成潮位長期測量的不準確，影響潮位資料的記錄及相關預報。

本文雷達潮位儀研究的目的就是為了改進我國目前潮位觀測方法，提高驗潮儀器測量精度和采樣頻率，將海洋測量尤其是潮位測量水平從原來的簡單、費時發展到自動化、數字化、無人值守，既提高了驗潮精度，又節省了人力成本。

1 雷達潮位儀測量原理

雷達潮位儀測量潮位技術前提要求根據實際水文氣象要素，設定一個測站基準面Hb。雷達潮位儀主機發射微波信號，經天線聚束照射到海面，海面將電磁波反射回雷達，接收天線收集海面反射的回波[1]，經接收機放大，混頻，檢波等一系列處理，測量電磁波的往返延遲時間，運用Ha=1/2△t×c，求出雷達潮位儀距離海面的實時高度[2]。該高度結果為一種模擬信號，經過模數變換、無線傳輸等技術傳入終端計算機。這時海面潮位的實時數據即為T=Hb—Ha。

2 雷達潮位儀測量方案設計

測量儀器距離自由海面的高度是潮位儀進行測量的主要內容。雷達接收到的調頻連續波可以在其工作的同時進行實時處理，并將處理后準確的潮位信息向終端輸出。輸出到終端的潮位數據可以在計算機上顯示并記錄儲存（見圖1）。

雷達潮位儀測量系統分為四部分，雷達潮位儀主機、電壓信號模數轉換器（以下簡稱A/D轉換器）、無線傳輸設備以及終端計算機。雷達潮位儀主機負責發射、接收雷達回波信號，并將回波信號處理成4～20 mA的電流信號，傳入A/D轉換器。該電流信號的大小表征雷達到海面的高度。A/D轉換器經過A/D轉換[3]，將模擬信號數字化，以滿足遠距離無線傳輸的要求。最后無線傳輸設備利用GPRS無線網絡[4]，將數據傳入安裝在實驗室的終端計算機，從而實現了從驗潮站到終端計算機的無線、雙向數據通信。終端計算機安裝了分析、處理軟件，用于對潮位數據進行顯示、分析和儲存（見圖2）。

3 雷達潮位儀在實際觀測中的應用

為了驗證雷達潮位儀測量系統的準確性和穩定性，進行了為期一個月的驗證實驗。

3.1 實驗設計流程

（1）在驗潮站進行雷達潮位儀的安裝、調試。

（2）進行為期一個月的，無人值守的潮位資料記錄。

（3）將雷達潮位儀記錄、保存的潮位資料與驗潮站的傳統驗潮儀測量數據進行比對，并進行測量精密度分析。

3.2 結果分析

（1）儀器準確性驗證。

由于驗潮站潮位資料的保密性，僅取其中48 h數據作圖對比，以考察雷達潮位儀測量潮位值的準確性。

利用貝塞爾公式

計算出雷達潮位儀潮位數據的均方差=±2.04 cm。

主要是由于浮子式驗潮儀整點時刻潮位數據由前后五分鐘潮位數據的平均值求出。由于雷達潮位儀每秒記錄兩個潮位數據，因此，在整點時刻上，本次雷達潮位儀實驗采用整點時刻內潮位數據的平均值。

（2）儀器測量精密度。

利用平潮時，潮位處于相對穩定狀態，對雷達潮位儀儀器測量的精密度進行了分析。選取實驗后24 h高高潮前后的平潮時期，進行雷達潮位儀測量精密度的實驗。

根據浮子式驗潮儀的驗潮數據，當天高高潮時刻為7：42分，潮高406 cm，平潮期間從7：33～7：50，共18 min。由于雷達潮位儀每秒鐘記錄兩個數據，數據較豐富，因此本實驗將平潮時間均分為9段，每段2 min。由標準差公式：

雷達潮位儀在平潮期間各時間段平均潮位數據的標準差為σ=0.331。

數據表明，雷達潮位儀測量系統能夠達到潮位測量的精度要求，可以用于潮位的測量。在一個月的連續觀測中，雷達潮位儀系統運行良好，儀器工作穩定，說明雷達潮位儀測量系統達到了設計時提出的無人值守的要求。

4 結語

雷達潮位儀是以遙感技術為核心，利用雷達發射、接收調頻連續波，計算雷達到海面距離的新型潮位測量設備。它能夠將數據通過模數變換、無線傳輸等技術連入終端計算機，進行潮位的實時觀測。通過與浮子式驗潮儀測量數據比較，表明雷達潮位儀潮位測量數據是可信的，測量系統滿足設計方案要求，具有廣闊的推廣空間。

參看文獻

[1] Skolnik M I.Introduction to Radar Systems[M].McGraw-Hill，NewYork，1962：648.

[2] 劉杰.線性調頻連續波（FMCW）雷達信號線性度分析和工程應用[J].大眾標準化，2009（S1）.

[3] http：//baike.baidu.com/view/2618365.htm.

[4] 趙劉強.基于嵌入式系統和GPRS的遠程監控系統研究及實現[D].保定：河北電力大學，2009.endprint

摘 要：雷達潮位儀是應用遙感技術進行潮位觀測的新型驗潮儀器。本文介紹了雷達潮位儀的測量原理、結構組成、設計思路，論述了雷達潮位在潮位觀測中的實際應用，預測了雷達潮位儀在國內的應用前景。

關鍵詞：雷達潮位儀 潮位觀測 測繪 遙感

中圖分類號：P731 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0055-02

當前，我國潮位測量技術發展滯后，仍然采用固定站位進行潮汐觀測，該種觀測方法存在一定的測量誤差，首先海洋的圍填海工程減少了近岸與海灣的面積，灘涂露出水面，而部分地區觀測站的驗潮井設立于近岸，基準面無法確定；其次長期使用的浮子驗潮儀，由于機械磨損、水尺生銹等原因將增加測量誤差，造成潮位長期測量的不準確，影響潮位資料的記錄及相關預報。

本文雷達潮位儀研究的目的就是為了改進我國目前潮位觀測方法，提高驗潮儀器測量精度和采樣頻率，將海洋測量尤其是潮位測量水平從原來的簡單、費時發展到自動化、數字化、無人值守，既提高了驗潮精度，又節省了人力成本。

1 雷達潮位儀測量原理

雷達潮位儀測量潮位技術前提要求根據實際水文氣象要素，設定一個測站基準面Hb。雷達潮位儀主機發射微波信號，經天線聚束照射到海面，海面將電磁波反射回雷達，接收天線收集海面反射的回波[1]，經接收機放大，混頻，檢波等一系列處理，測量電磁波的往返延遲時間，運用Ha=1/2△t×c，求出雷達潮位儀距離海面的實時高度[2]。該高度結果為一種模擬信號，經過模數變換、無線傳輸等技術傳入終端計算機。這時海面潮位的實時數據即為T=Hb—Ha。

2 雷達潮位儀測量方案設計

測量儀器距離自由海面的高度是潮位儀進行測量的主要內容。雷達接收到的調頻連續波可以在其工作的同時進行實時處理，并將處理后準確的潮位信息向終端輸出。輸出到終端的潮位數據可以在計算機上顯示并記錄儲存（見圖1）。

雷達潮位儀測量系統分為四部分，雷達潮位儀主機、電壓信號模數轉換器（以下簡稱A/D轉換器）、無線傳輸設備以及終端計算機。雷達潮位儀主機負責發射、接收雷達回波信號，并將回波信號處理成4～20 mA的電流信號，傳入A/D轉換器。該電流信號的大小表征雷達到海面的高度。A/D轉換器經過A/D轉換[3]，將模擬信號數字化，以滿足遠距離無線傳輸的要求。最后無線傳輸設備利用GPRS無線網絡[4]，將數據傳入安裝在實驗室的終端計算機，從而實現了從驗潮站到終端計算機的無線、雙向數據通信。終端計算機安裝了分析、處理軟件，用于對潮位數據進行顯示、分析和儲存（見圖2）。

3 雷達潮位儀在實際觀測中的應用

為了驗證雷達潮位儀測量系統的準確性和穩定性，進行了為期一個月的驗證實驗。

3.1 實驗設計流程

（1）在驗潮站進行雷達潮位儀的安裝、調試。

（2）進行為期一個月的，無人值守的潮位資料記錄。

（3）將雷達潮位儀記錄、保存的潮位資料與驗潮站的傳統驗潮儀測量數據進行比對，并進行測量精密度分析。

3.2 結果分析

（1）儀器準確性驗證。

由于驗潮站潮位資料的保密性，僅取其中48 h數據作圖對比，以考察雷達潮位儀測量潮位值的準確性。

利用貝塞爾公式

計算出雷達潮位儀潮位數據的均方差=±2.04 cm。

主要是由于浮子式驗潮儀整點時刻潮位數據由前后五分鐘潮位數據的平均值求出。由于雷達潮位儀每秒記錄兩個潮位數據，因此，在整點時刻上，本次雷達潮位儀實驗采用整點時刻內潮位數據的平均值。

（2）儀器測量精密度。

利用平潮時，潮位處于相對穩定狀態，對雷達潮位儀儀器測量的精密度進行了分析。選取實驗后24 h高高潮前后的平潮時期，進行雷達潮位儀測量精密度的實驗。

根據浮子式驗潮儀的驗潮數據，當天高高潮時刻為7：42分，潮高406 cm，平潮期間從7：33～7：50，共18 min。由于雷達潮位儀每秒鐘記錄兩個數據，數據較豐富，因此本實驗將平潮時間均分為9段，每段2 min。由標準差公式：

雷達潮位儀在平潮期間各時間段平均潮位數據的標準差為σ=0.331。

數據表明，雷達潮位儀測量系統能夠達到潮位測量的精度要求，可以用于潮位的測量。在一個月的連續觀測中，雷達潮位儀系統運行良好，儀器工作穩定，說明雷達潮位儀測量系統達到了設計時提出的無人值守的要求。

4 結語

雷達潮位儀是以遙感技術為核心，利用雷達發射、接收調頻連續波，計算雷達到海面距離的新型潮位測量設備。它能夠將數據通過模數變換、無線傳輸等技術連入終端計算機，進行潮位的實時觀測。通過與浮子式驗潮儀測量數據比較，表明雷達潮位儀潮位測量數據是可信的，測量系統滿足設計方案要求，具有廣闊的推廣空間。

參看文獻

[1] Skolnik M I.Introduction to Radar Systems[M].McGraw-Hill，NewYork，1962：648.

[2] 劉杰.線性調頻連續波（FMCW）雷達信號線性度分析和工程應用[J].大眾標準化，2009（S1）.

[3] http：//baike.baidu.com/view/2618365.htm.

[4] 趙劉強.基于嵌入式系統和GPRS的遠程監控系統研究及實現[D].保定：河北電力大學，2009.endprint