機載雷達在黃河穩封期冰厚測量中的應用

羅紅春，冀鴻蘭，郜國明，牟獻友，張寶森

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

黃河寧蒙河段每年冰期歷時4個多月，獨特的冰塞冰壩常會壅高河道水位，誘發冰凌洪水。冰厚是冰凌理論分析[1]、冰情模擬[2]及冰情預報[3]的關鍵物理指標，其測量工作對黃河防凌減災具有重要意義。目前，冰厚測量技術主要包括接觸式和非接觸式兩類[4]。接觸式中，原位鉆孔可信度最高，但工作效率低，不能滿足大范圍冰厚連續測量需求；熱電阻絲[5]測冰對溫度有一定要求；當前較為先進的測冰技術有聲吶測冰[6]和雷達測冰[7]。依靠聲波和電磁波測冰雖不破壞冰蓋，但設備必須貼在冰面上才能進行。非接觸式測冰技術中以衛星遙感測冰[8]為主，但在黃河上適用性不高。探地雷達測冰利用雷達波來回時長對冰厚進行計算，能快速完成大范圍冰厚測量，現已在海冰[9-10]及極地冰川[11-12]中得到廣泛應用，但在河冰湖冰上尚處于起步階段。現有的探地雷達冰厚監測技術一般采用人工拖曳或車載的方式，使探地雷達沿預設路線進行測量。劉之平等[13-14]將冰水情一體化雙頻雷達測量系統應用在黑龍江漠河段及黃河內蒙古托克托段；張寶森等[15]利用探地雷達對黃河頭道拐站的冰厚進行了測量；曹曉衛等[16]利用探地雷達對黃河什四份子彎道和巨河灘大橋橋墩冰厚進行了探測；劉曉鳳[17]將雷達測冰技術應用在松花江上，測驗效果良好。為提高冰厚測驗效率，Arcone 等[18-19]利用直升機懸掛探地雷達對阿拉斯加湖泊及育空河等河流進行了測試，但直升機測冰并不貼近科研實際。采用無人機搭載探地雷達不僅能提高冰厚測量的效率，節約成本，且無需人員上冰，解決了常規作業安全性差的問題。目前，國內尚缺乏機載雷達對黃河冰厚測量的研究成果。拖曳式探地雷達僅能在盛冰期施測，對于初封期及開河期則無能為力。機載測冰雷達技術能填補凌汛期全時段冰厚測量的空白，其高效無損的探測特點，能快速對較大范圍的冰厚進行探測，將是未來冰厚非接觸式探測技術的發展趨勢。

1 研究區概況及測冰原理

1.1 研究區域

什四份子彎道位于黃河內蒙古段下游(圖1)呼和浩特市托克托縣河段，北緯40°17′39″，東經111°2′53″。河道呈“Ω”形走勢，曲率大，彎道進出口方向夾角約120°，河底比降約0.1%，河寬200～600 m。河道冰期時間多出現在11月下旬至翌年3月中下旬，持續100余天，1998—2015年平均流凌、封河及開河日期分別為11月22日、12月16日和3月17日。在封凍期，什四份子彎道凹凸兩岸岸冰的生長，極大地束窄了河面寬度，同時有效輸冰河寬在彎道頂沖斷面急劇縮小，嚴重降低水流的輸冰能力，而使其成為初始卡冰位置[20]。此外，在彎道卡口段(斷面1至斷面3)，河道橫向斷面束窄，加上垂向冰層的熱力或水力增厚，明顯降低了水流過流能力，水流和冰凌在彎道內不斷聚集，極易形成冰塞，壅高上游水位，嚴重時將引發冰凌洪水。因此，對彎道卡冰區域的冰厚探測，對于河道槽蓄水量的分析及凌汛洪水的研判具有現實意義。

1.2 試驗方案

2019年1月10—13日在什四份子彎道進行了冰厚原型觀測，試驗共設定4個測量斷面(圖1，順水流方向依次為斷面1、斷面2、斷面3、斷面4，斷面4為彎道出口處的清溝斷面，距離斷面3下游約300 m)。除清溝斷面外，利用鉆冰機及冰穿對其余3個斷面沿河寬方向進行原位鉆孔，每孔間隔20 m(近岸部分設為10 m)，3個斷面共計58孔。利用ADCP測量冰孔下垂線流速、水深及冰花厚(ADCP需穿透冰花層才有數據進而能反映冰花厚)，單孔測流歷時60 s并做均值處理，同時用量冰尺(測量精度毫米級)量測冰厚、水浸冰厚等指標。利用機載雷達記錄各冰孔的坐標信息，使其飛行航線與預設斷面重合，保證冰厚觀測過程能覆蓋整個斷面，測冰現場如圖2所示。飛行試驗共計2個測次，分別從斷面1起飛至斷面3回航、斷面2起飛至斷面4回航。由于人工目視誤差，冰厚測量斷面并非直線，但對測驗結果無影響。將雷達實測冰厚與量冰尺實測冰厚的結果進行對比分析，評價機載雷達在黃河冰厚測量中的應用效果。

圖1 什四份子彎道

圖2 機載雷達測冰

1.3 測冰原理

試驗采用的機載雷達為飛航式測冰雷達IGPR-30系統。IGPR-30系統是一款無人機搭載的探地雷達系統，可快速檢測河湖海冰、水庫冰及高原冰湖的冰層厚度及其空間分布信息，解決了黃河凌汛期冰厚監測過程的低效高危問題，提供了河冰測量全新的技術手段和解決方案，特別適于對大面積的冰面進行連續探測，具有體積小、重量輕、功耗低等特點。雷達中心頻率400 MHz、探測厚度6 m以上、探測精度mm級、遙控距離小于2 km，能在零下30°低溫條件下連續工作15～30 min。為降低雷達信號的沿程衰減、保證飛行器的姿態穩定，試驗飛行高度(距冰面)宜控制在5 m以內，飛行環境在5級風速以下。

自然界中各類介質介電常數的不同，電磁波在每種介質中的傳播速度不一，雷達測冰主要通過發射天線向冰層發射電磁波，由接收天線分別接收來自空氣-冰界面、冰-水界面返回的電磁波，通過電磁波在不同介質中的傳播時間來達到間接測量冰厚的目的。冰厚測驗中常遇到的介質為：空氣、冰、水、底層沉積物，介電常數分別為1、3～4、81和5～40。依據電磁波傳播理論，電磁波在不同介質中的傳播速度只與介電常數有關，因此，不同介質介電常數的差異，為探地雷達進行冰厚測量提供了可能。探地雷達發射的電磁波在空氣-冰-水介質中的傳播速度不同，接收到的信號可反映不同介質的界面位置，進而可以計算冰層厚度。探地雷達測量冰厚時，電磁波從發射到返回的時間稱雙程走時，通常假設來回時間相同，所以計算冰厚時只用到雙程走時的一半[15]。試驗采用的機載雷達與普通人工拖曳探地雷達的測冰原理基本一致，只不過在原有的探測基礎上增加了空氣層。冰厚計算公式為

(1)

式中：H為冰層厚度，cm；ΔT為雙程用時，ns；v為雷達波在冰內傳遞速度，cm/ns；c為電磁波在真空中的傳播速度，c=30 cm/ns；ε為冰的介電常數，淡水冰一般取3.2。

利用雷達測冰時，首先需對冰體介電常數進行率定。通過選取典型冰孔(本試驗選取了4個測點，涵蓋淺灘與主槽部分)，測量雷達波在冰內的雙程用時，利用實際冰厚推算雷達波在冰內的傳遞速度，進而得到實際冰的介電常數(本試驗結果平均為3.2，斷面冰厚測量以此為基準)。

2 結果分析

2.1 雷達信號解譯

應用機載雷達在黃河什四份子彎道開展冰厚測驗，并對測冰結果進行解譯(圖3)。雷達波形經濾波增益處理后，由于不同介質的介電常數差別較大，因此雷達波對于介質的區分度較高。當無人機懸停在冰面(岸冰)上時，雷達信號維持不變；當無人機正常工作時，雷達信號出現了明顯的分層現象，特別是在介質條件發生變化時，雷達信號的“突變”效果最為明顯，如試驗中遇到的清溝；由于只有空氣-水界面，因此雷達波的面層僅有一層。顯然，機載雷達能清楚地對空氣-冰、冰-水界面進行區分，同時對于地物、冰水交界、冰岸交界及清溝也能準確識別。通過層位追蹤(一般選取負峰)手段，將空氣-冰界面、冰-水界面沿整個斷面進行追蹤識別，輔以人工修飾，兩層間的距離即為所測冰層厚度。此外，在機載雷達起飛-降落過程中，通過攝像頭采集同步視頻，斷面冰厚的測量細節被良好地記錄下來，可幫助數據提取及冰厚變化過程分析。機載雷達一次飛行(一個測次)時間控制在6～9 min，極大地提高了河道冰厚的測驗效率。

圖3 雷達測冰結果解譯

2.2 測驗效果

以第一個測次為例(斷面1起飛、斷面3回航)，對比分析量冰尺實測冰厚與雷達實測冰厚，如圖4所示。結果表明，斷面1冰厚和斷面3冰厚的分布特征及測量效果既有相似又有區別。相似之處是：兩個斷面靠近彎道凹岸一側，雷達測冰的精度相對于凸岸一側較差，彎道凸岸一側主河槽冰厚測驗的效果明顯要優于凹岸。區別是：斷面3中部為局部堆冰區，雷達測冰結果出現明顯的偏差，在整個斷面中基本屬于精度最低的部分，而斷面1誤差較大點的空間分布無明顯規律，體現了斷面冰蓋結構分布的不均勻性。不考慮誤差偏大的個別點，沿斷面方向，雷達測驗結果與量冰尺實測結果的吻合度逐漸提升，這與河流冰蓋的封凍形式有關。什四份子彎道有兩個主河槽，分布于河道兩側，靠近凹岸及河道中部的河槽形成的是立封冰蓋(本年度不嚴重)，而凸岸一側則形成平封冰蓋。立封冰蓋由于冰體表面的不平整性，當雷達在飛行過程中進行掃描時，其飛行姿態、位置及高度決定了誤差的大小；另外，量冰尺所測冰厚是冰蓋下單點的冰厚，而冰蓋底部大多不規則，量冰尺量測的位置不一樣也會給測量結果帶來誤差，這也正是斷面1雷達實測值與量冰尺實測值的差值忽正忽負的原因。對于相對平整的平封冰蓋，雷達探測結果的精度得到了有效的提升，冰厚絕對誤差控制在5 cm以內。總體上，冰厚測量結果對比中，雷達實測的冰厚多數都大于量冰尺實測的冰厚，特別是斷面3，這是因為雷達測冰時，會將堆積層的冰厚也計算進去，而人工用冰尺量測則不會考慮冰層上部堆積的部分，因此，飛航式測冰雷達對于立封冰蓋的測量結果一般偏大，對平封冰蓋的測量結果精度較高。

圖4 冰厚測量結果對比

冰厚測量精度對比分析共設置58個測點，精度分析結果如表1所示。機載雷達測冰結果與量冰尺實測的冰厚吻合度總體較高，誤差在10%以內的測點數占總測點數的91.4%；誤差在10%～15%的測點主要來源于斷面2和斷面3的中部，該處堆冰不平整是誤差的主要來源(圖5(a))；誤差超過15%的測點出現在斷面2凹岸灘地冰蓋上(圖5(b))，這可能是測量誤差所致。由此可見，機載雷達在黃河冰厚測驗中，對平封冰蓋的測驗效果明顯高于立封冰蓋，當河道立封情況較為嚴重時，機載雷達的應用能力不高。實際上，當河道嚴重立封(如冰壩)時，拖曳式探地雷達也不能發揮作用，人工鉆孔更加困難，且應急機動能力差。如果對精度要求不是絕對嚴格，機載雷達探測黃河冰厚這一技術是值得推廣的：一方面，機載雷達基本可以量化斷面冰厚的分布信息，另一方面保證了冰期作業的安全，是未來非接觸式測冰技術的發展趨勢。

表1 冰厚精度分析結果

圖5 河道凹岸及中部冰情

對上述58組冰厚數據進行誤差分析，依據SL 59—2015《河流冰情觀測規范》，冰厚測量的誤差可由標準差和隨機不確定度表示[21]。觀測值的標準差S為

(2)

式中：Δi為第i個觀測值與近似真值之差；n為測次數。

隨機不確定度X(置信水平取95%)為

X=ZaS

(3)

式中：Za為相應于a置信水平的置信系數，當觀測次數足夠多時，取值為2，對應置信概率為95%。

計算結果表明，雷達實測冰厚與量冰尺實測冰厚的標準差為0.039 4 m，隨機不確定度為7.88%<10%，滿足SL 59—2015《河流冰情觀測規范》對冰厚測量的要求。

圖6 各斷面冰厚分布

通過后處理軟件提取機載雷達測試的全斷面冰厚信息(圖6)。結果表明，什四份子彎道斷面1、斷面2、斷面3的冰厚分布區間及趨勢具有較強的一致性。凹岸一側冰厚在50～90 cm之間，明顯大于凸岸一側冰厚(50～60 cm)。由ADCP測流試驗結果，凹岸一側水流平均流速在0.8 m/s左右，凸岸一側水流則為1.0 m/s，說明此時彎內主流偏向凸岸，流速的增大降低了冰厚的熱力生長。同時，上游來冰量增加，冰塊在凹岸一側上爬下插發生堆積，使得凹岸冰蓋形成立封冰蓋，進一步增大了凹岸的冰層厚度，說明機載雷達實測冰厚結果與實際現象相符。分段來看，出彎前，由斷面1至斷面3冰厚分布結果，凹凸岸兩側冰厚變化不大但分布不均勻。冰厚分布與水深及流速有關，凹岸水深大流速小，冰蓋易增厚。彎頂處(斷面3)河道中心冰厚開始變薄，這是因為凸岸主流逐漸向凹岸轉移，在斷面3中心處逐漸與清溝相連，流速偏大，冰厚生長受限。出彎后，水流動力削弱，斷面4兩側冰厚分布較為一致，平均冰厚約50 cm。沿河寬方向，離清溝越近，冰厚越小，這是由于清溝常常是水內冰聚集的區域，水內冰生成時會釋放一定的熱量，進而削弱了冰厚的生長；同時，清溝表面的水-氣熱交換促進冰蓋不斷向清溝中心延伸。從圖6可看出，雷達測冰時出現了個別明顯的“突變點”。分析其原因，一方面，受冰層底部不均勻影響，冰厚波動；另一方面，雷達自身也附帶一定的測量噪聲，這些因素均會對測冰結果產生一定影響?？偠灾?，利用機載雷達測冰能反映斷面冰厚的具體分布，量化冰厚空間信息，對河道冰情的解釋程度較高。

在整個冰期，冰蓋厚度基本呈增大—穩定—減小的變化趨勢，流凌和開河時河冰的生消過程只能定性描述。利用飛航式測冰雷達能快速進行冰厚探測，不受凌汛期不同階段的限制，能量化整個冰期的冰凌生消過程。對于河流冰塞冰壩，雷達測驗的精度值得商榷。封河期及開河期的冰層內部結構不斷變化，冰晶組構、冰內氣泡含量、冰內含水含沙量等因素均會影響冰體的介電常數[22-23]，改變雷達測冰的雙程時間，進而引起冰厚測驗結果的偏差。因此，對河冰不同階段冰體介電常數的標定及雷達在封開河時期的測驗效果需要進一步研究。

3 結 語

機載雷達能快速對河流穩封期的冰層厚度進行探測，極大地提高了冰厚測驗效率。機載雷達在平封冰蓋上應用效果良好，絕對誤差在5 cm以內，對立封冰蓋冰厚測驗的精度偏低，對堆積冰的測量誤差最大。機載雷達整體測驗結果中，冰厚觀測標準差為0.039 4 m，隨機不確定度為7.88%，滿足冰厚觀測規范要求。由于黃河冰凌的復雜性，冰蓋生消受水力、熱力、河勢等多因素影響，總體上，機載雷達在黃河冰厚測驗中的應用效果較好，在未來河冰厚度的無損連續監測方面值得推廣。