北斗中程水流测速测向雷达应用方案

一、方案背景

内河水流的流速与流向监测是水利工程运维、防汛减灾指挥、水资源优化调度的核心基础工作。

我国幅员辽阔，内河河道分布广泛，多数河流受季节降水、地形地貌影响，水位与流速呈现显著动态变化特征。

传统小型测速雷达普遍存在监测范围有限、数据精度不足、抗环境干扰能力弱等问题，在河道水位暴涨、地形复杂的区域难以提供稳定可靠的监测数据，无法满足现代河流管理的精细化需求。

为破解这一行业痛点，北斗中程水流测速测向雷达应运而生。该产品依托北斗短报文通信技术与先进雷达探测原理，针对300米以下内河监测场景量身打造，实现了水流参数的快速、精准、全天候监测，为水利行业数字化、智能化升级提供了关键技术支撑。

二、产品概述

1、适用范围

专为内河河道监测设计，适用于河宽300米以下的天然河流、人工运河、中小型水库出库段等场景，可满足日常水流监测、汛期应急监测、水利工程效果评估等多维度需求。

2、核心构成

产品由三大核心部件组成：射频组件（含专用探测天线）、信号处理模块、主控控制模块。各部件协同工作，完成水流信号的采集、处理、解算与传输，整体设计符合工业级防护标准，可适应复杂户外环境。

3、技术特性

雷达系统发射的线性调频中断连续波（FMICW）波形如图所示。采用连续波雷达信号处理方式，FMICW的回波信号经过右图所示的去斜处理，经过两次FFT（距离和速度FFT），便可以得到目标的速度与距离信息。

采用线性调频中断连续波雷达工作体制，具备三大核心技术优势：

1、测量速度快

可实现水流参数的实时采集与解算，无需长时间等待；

2、测距精度高

能精准捕捉不同断面的流速差异，数据误差控制在行业标准范围内；

3、解算结果一致性强

不受季节温度、水流湍急程度等环境因素影响，确保数据的可比性与可靠性。

三、产品原理

北斗中程水流测速测向雷达采用非接触式的流量测量技术，主要基于多普勒效应和雷达波反射原理，通过发射高频电磁波，接收水流表面反射的回波信号，分析回波信号的频率变化，计算出水流表面的速度和流向。同时，结合北斗卫星定位技术，实现雷达的精确定位和数据的实时传输。

多普勒效应是指当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者接收到的波的频率会发生变化。当物体靠近波源运动时，接收到的频率升高；当物体远离波源运动时，接收到的频率降低。

在水流测速中，雷达利用水面在流动过程中产生的微观波纹（Bragg散射）作为有效反射源，实现高精度非接触测量。通过测量反射电磁波的频率变化，就可以计算出水流的速度。

四、系统架构

北斗中程水流测速测向雷达系统采用“终端-传输-平台-应用”四层架构，构建全链路闭环监测体系，确保数据传输稳定、管理高效。

1、终端层

核心为北斗中程水流测速测向雷达主机，搭配北斗多模采集遥测终端（RTU）PR01、北斗三号短报文数传/船载终端PD19等配套设备，负责现场水流信号采集、初步处理与数据封装。可实现无人值守式自动监测，降低人工运维成本。

为了实现雷达精准测流速的需求，可根据用户实际测量点环境采用灵活的天线部署模式（可选择单天线收\发、4天线收\发，雷达发射和接收机采用了全数字处理方案。

2、传输层

采用4G+北斗短报文双链路传输模式，实现全场景无死角数据回传：

有4G网络覆盖区域：通过4G网络高速传输监测数据，保障实时性；

无信号或弱信号区域：自动切换至北斗短报文通信模式，通过北斗卫星将数据发送至北斗地面站，再由地面站通过网络推送至用户平台，确保数据不丢失。

3、平台层

依托北斗数据平台，实现数据的集中存储、解析、可视化展示与管理。平台支持多维度数据统计分析，可生成流速变化曲线、流向分布图等可视化报表，为用户提供直观的数据参考。

4、应用层

面向用户单位的指挥中心、监测中心等场景，通过用户平台实现监测数据的实时查看、历史数据回溯、异常情况预警等功能，为决策制定提供直接支撑。

五、核心优势

针对传统监测设备的痛点与内河监测的核心需求，本方案通过技术创新实现核心突破，经实际场景测试验证，具备以下应用优点：

1、位置精度高

位置精度为3米，国内普遍大于10米。

2、测流速度快

72s内完成60/300米的流速测试。

3、测量模式多

具备单距离和全距离测量模式，方便用户测试。

4、天线组合多

具备单收单发、4收4发、一发多收等多种天线组合模式，可适用多种场景。

5、场景通信覆盖全

即使在汛期极端天气导致地面通信中断的情况下，仍能通过北斗卫星完成数据传输，保障监测工作不中断，为防汛应急提供关键数据支持。

6、自主可控，按需定制

设备采用全自主研发设计，核心技术与关键部件自主可控，同时，可根据不同的现场条件、监测需求和系统集成要求，提供灵活的定制开发服务。

六、应用场景

1、内河日常监测

适用于流域管理部门对辖区内河流的常态化监测，实时掌握水流变化规律，为水资源调配、河道生态保护等工作提供数据依据。

2、防汛应急监测

汛期来临前，可快速部署设备完成重点河段（如易发生洪水的山区河道、水库下游河道）的监测覆盖；

汛期期间，通过4G+北斗传输，保障数据实时回传，为指挥中心预判洪水演进趋势、制定人员转移方案提供精准数据支持。

3、水利工程运维监测

在水利枢纽、灌溉渠道等工程区域部署设备，监测工程运行期间的水流状态，评估工程对水流的影响，为工程维护、优化运行参数提供技术参考。

4、特殊区域监测

针对偏远山区、无网络覆盖区域的河道，通过北斗短报文通信实现数据传输，解决传统设备监测盲区问题，实现全国内河监测网络的全覆盖。

七、项目成效

1、监测能力提升

产品覆盖300米以内的内河断面，相比传统小型雷达监测范围扩大3-5倍，可实现多断面、全时段连续监测，彻底改变传统监测点到点的局限，形成全域化监测格局。

2、数据精准度优化

线性调频中断连续波雷达技术的应用，减小流速测量误差，优化流向测量精度，提升数据解算一致性，为水利决策提供可靠的数据支撑。

3、运维成本降低

4G+北斗传输模式减少了因信号中断导致的人工巡检频次，无人值守式设计降低了现场运维工作量，综合运维成本较传统监测方案大幅降低。

4、应急响应效率提升

汛期无信号区域的数据传输难题得到彻底解决，监测数据实时回传至指挥中心，缩短应急决策响应时间，为防汛减灾争取宝贵时间。

八、项目案例

1、四川省遂宁某水电站

四川省遂宁某水电站下游500米处，河面宽度200米。

2、四川省自贡市富顺水文站

位于四川省自贡市富顺水文站站房河道正对面家装加工厂内山体边，河宽150米左右。

3、四川省高场水文站

安装位于四川高场水文站内，河宽200米左右。

4、向家坝水文站

位于云南省昭通市水富市与四川省宜宾市叙州区交界的金沙江下游河段上向家坝水电站上游600米处，河宽220米。