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摘 要：为解决冬季结冰河道冰厚和水位一体化连续监测难的问题，研发了非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置。该装置主要由空气耦合雷达、环境温度传感器、水面/冰面温度传感器、高清红外夜视仪、避雷器、GPS模块、远程开关控制和遥测模块、太阳能和风力供电互补系统、硅能电池、超长横杆和三角钢架等组成。集成后的装置可监测冰厚、水位、环境温度和冰面/水面温度等相关参数及全天候的视频图像数据，通过采用4G模块将数据回传至控制中心并自动解译雷达图谱。该装置已安装应用于黄河内蒙古托克托县什四份险工弯道处，完整监测了2019—2020年度凌汛期冰厚和水位变化过程，采集了大量的温度和凌汛视频图像数据。该装置为冰期水文远程非接触式监测提供了新的模式和技术，可实现全年无人值守智能监测。
关键词：冰厚;水位;空气耦合雷达;一体化远程监测;黄河
Abstract：In order to solve the problem of continuous monitoring of ice thickness and water level in frozen river in winter， a non-contact remote monitoring device for ice thickness and water level was developed. It was mainly composed of air-coupled radar measuring ice thickness， ambient temperature sensor， water surface or ice surface temperature sensor， high-definition infrared night vision instrument， lightning arrester， GPS module， remote switch control and telemetry module， solar and wind power supply complementary system， silicon energy battery， super long crossbar and triangular steel frame. The integrated device could monitor the ice thickness， water level， ambient temperature， ice surface or water surface temperature and other relevant parameters， as well as the video image data of the whole day. By using 4G module， the data could be sent back to the control center and the radar atlas could be automatically interpreted. At present， the equipment has been installed and applied in Shisifen section of the Yellow River in Tuoketuo County of Inner Mongolia. It had completely monitored the ice thickness and water level change process of the bend during the ice flood period from 2019 to 2020 and also collected a large number of temperature and ice flood video data. The equipment has provided a new model and technology for remote non-contact monitoring of hydrology during ice period and realized unattended intelligent monitoring.
Key words： ice thickness; water level; air-coupled radar; integrated remote monitoring;Yellow River
1 技術背景
黄河宁蒙河段防凌形势严峻，冰凌灾害给两岸人民生命财产安全造成巨大损失，防凌减灾研究势在必行。野外原型观测是开展各种防凌减灾研究的基础，可为冰凌灾害评估提供技术保证，为室内物理模型研究提供原型参照，为数学预报模型开发提供数据支撑。黄河内蒙古段冰情野外原型观测技术和设备相对落后，观测次数及断面少，实时性较差，智能无人值守程度低，存在原始数据不连续、不全面等问题[1-4]。目前，用于黄河主河道冬季结冰期的气介自动水位计[5]可实现水位的远程自动监测，但不能监测冰厚。监测冰厚的设备主要有地面接触式地质雷达[6-7]、冰水情一体化双频雷达[8]、底面浮筒[9]等接触式监测设备，但接触式的监测方式仅能在河道稳封期进行，流凌期和开河期监测无法保证人员及设备安全。
黄河水利科学研究院研发的非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置，可以实现冰厚和水位的一体化连续远程监测，可以全年全天候监测，还可以利用装置附加的温度传感器采集环境温度、冰表面温度及水表面温度，利用高清红外夜视仪自动采集河道全天候视频图像数据。
2 装置技术方案
2.1 装置系统硬件组成
系统硬件主要包括空气耦合雷达（以下简称“雷达”）、高清红外夜视仪、环境温度传感器、水表面/冰表面温度传感器、GPS模块、4G数据传输模块、硅能电池、远程开关控制与遥测模块、风电光电互补控制器、风力发电机和太阳能电池板等组件，见图1。 2.2 雷达
雷达是该装置的核心组件，可以非接触式监测冰厚及水表面（无冰情况）/冰表面（有冰情况）距雷达的距离，详细技术参数见表1。
雷达硬件主要包括雷达控制器、脉冲发射机、脉冲接收机和超宽带天线等，其硬件构成和监测冰厚、水位的原理见图2。雷达工作方式是通过4G网络远程控制，向雷达发送采样点数、采样频率、叠加次数和采集间隔时间等参数指令，雷达接收指令后进行数据采集，并回传雷达图谱数据。
2.2.1 雷达控制器
雷达控制器实现系统所有工作时序并完成以下功能：数据接口通信、产生发射机触发信号、产生接收机步进取样时钟和接收機输出信号模数转换等。雷达控制器电路见图3。
2.2.2 脉冲发射机
毫微秒脉冲信号的产生，采用阶跃恢复二极管（SRD）和雪崩三极管等特种元器件。设计出微分结构和Marx级联结构等电路结构，提高毫微秒脉冲发射机输出脉冲幅度，使毫微秒脉冲波形前沿满足雷达的成像要求。
毫微秒脉冲信号可以由真空气体开关器件和固态半导体器件产生。真空气体开关器件特点是可以产生峰值幅度达数千伏的毫微秒脉冲信号，但其脉冲宽度和重复周期难以控制，并且体积较大。固态半导体器件（雪崩管和场效应管等器件）的特点是脉冲宽度和脉冲重复周期易于控制。由雪崩三极管和SRD器件构成满足雷达系统要求的脉冲源电路。
2.2.3 脉冲接收机
雷达接收机受到ADC（模数转换器）的输入带宽和采样位数限制，通常采用等效取样方式重建雷达回波信号。等效取样是一种变换取样，利用接收信号的周期性特点或准周期性重复特点，在每个周期内仅进行一次或若干次取样，经过信号多个重复周期之后，获得能够重建信号一个周期内波形的所有样本。
对于探地雷达发射的皮秒或纳秒量级脉冲信号，接收机如果直接对回波信号进行采集，将对A/D转换器的转换速率要求极高，不仅成本很高，而且在信号中心频率大于400 MHz时实现难度极大。因此，需要采用等效采样技术对信号进行降频处理，降频后的回波信号为音频信号。
接收机的实现框图见图4。它主要由两部分组成：一是接收机前端，保护接收机并对输入回波信号进行调理;二是采样保持电路。图4 等效取样接收机实现框图.
2.2.4 超宽带天线
根据超宽带天线技术现有发展水平，重点考虑Bow-tie等结构相对简单、体积较小的天线形式。在理论仿真和实验测量基础上，通过综合对比各类超宽带天线性能，同时考虑天线体积尽量小，研制出适合该雷达使用的天线单元。
根据超宽带天线理论与技术，超宽带雷达天线的工作带宽与中心频率之比不小于1。对于Bow-tie天线及其变形结构的UWB天线，为了实现脉冲波在天线辐射体上无反射传播，即超宽带特性，需要在天线辐射体上从馈电端至终端依照Wu-King阻抗加载方法对天线进行加载，以便吸收传输到天线末端的电流，进而抑制电流在天线末端产生的发射。
2.3 风电光电互补供电系统
风电光电互补供电系统由太阳能电池板、风力发电机、风电光电互补控制器和硅能电池组成。首批装置安装于黄河内蒙古托克托县河段，该地区平均高程1 132 m，年平均每天日照时间5.6 h，近5 a冬季晴天和多云天气占比84%，阴、雨、雪天气占比16%，最大连续阴、雨、雪天数为4 d，近5 a风力统计见表2。该地区3级以上风的天数平均每月20 d以上，风力资源较为丰富，平均有效风功率密度为150 W/m2。
2.3.1 太阳能电池板选择
太阳能电池板的功率应该满足无风情况下每天产生的电量能够维持装置正常运转。计算时，应考虑组装、温度和传输等方面损失。在不考虑充电余量的情况下，太阳能电池板的最低功率计算公式如下：
经评估，装置每天耗电量约为240 W·h，装置所在地年平均每天日照时间5.6 h，但考虑主要是在冬季使用，h取0.8倍年平均日照时间，即4.5 h，利用式（1）计算得出所选太阳能电池板最低功率p1为89.6 W。考虑在售太阳能电池板型号，最终选用100 W的太阳能电池板。
2.3.2 风力发电机选择
选用200 W风力发电机，其功率输出曲线见图5。基于表2中的当地风力统计数据，加权平均计算得到该地区使用风力发电机的平均输出功率p2：通过上述计算分析可知，采用风电光电互补供电方式能够满足该装置对于电力的需求。
2.3.3 风电光电互补控制器选择
风电光电互补控制器主要有两大类：PWM控制器和MPPT控制器。PWM控制器采用脉宽调制的方式来控制其对蓄电池的充电电压，此方法实现电路相对简单，充电效率一般为80%左右。MPPT控制器的全称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）太阳能控制器，其能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值（VI），使系统以最大功率输出对蓄电池充电，它能够有效地协调太阳能电池板、蓄电池和负载的工作，实现电路相对复杂，充电效率能够达到95%，通常为98%左右。MPPT技术虽然比较复杂，但是经过多年的改进已经比较成熟，该装置使用MPPT控制器对蓄电池进行电源管理，可以更高效率地利用电能。
2.3.4 硅能电池选择
考虑到当地冬季可能出现极端低温天气，该装置使用比铅酸电池更耐低温的硅能电池。硅能电池能在气温低于-50 ℃时正常工作，在-40 ℃情况下，硅能电池的容量能保持在80%以上。安装时将硅能电池埋设在地下1.5 m起防冻作用，避免在极冷情况下降低电池续航能力。
2.4 4G数据传输系统
4G数据传输模块用于实现雷达与远程计算机之间的远程无线通信，建立数据链接，例如：发送控制指令数据，接收雷达波谱数据。 2.5 GPS模块
GPS模块为雷达系统提供秒脉冲信号（PPS）和时间信息。雷达根据PPS信号进行计时，来控制雷达数据的采集间隔时间，可以根据实际需要远程设定间隔时间。GPS提供的UTC时间信息也将记录在雷达的回传波谱数据中，给回波数据打上时间标签，使得雷达数据可以根据时间回溯。
2.6 远程开关控制与遥测模块
远程开关控制与遥测模块利用移动通信平台（GSM/GPRS网络）进行双向通信，实现系统的远程开关控制、电压/温度等遥测信号采集、摄像监控等功能。
3 冰面和冰水分界面层位追踪算法
雷达回传数据后，远程计算机利用层位追踪算法可计算出冰盖厚度和水面（无冰情况）或冰面（有冰情况）距雷达距离。此算法主要是利用反射波波形及强度特征，通过同相轴的追踪，来捕获冰与水界面和冰/水与空气界面的变化情况，从而计算出冰盖厚度和水面、冰面距雷达距离。其基础是提取发射层，而识别同一地层反射波的标志为其波谱的同相性和相似性，利用这两种性质实现对反射层的追踪。
（1）同相性。对比雷达波谱相邻道上反射波，把不同道上同一反射波组相同相位连接起来的线称为同相轴。同一波组的相位即波峰和波谷的位置沿测线缓慢变化。
（2）相似性。相邻道上同一分层反射波的波形、波幅、周期及其包络等主要特征有一定的相似性。
4 应用案例
2019年11月15日至20日，黄河水利科学研究院联合万家寨集团公司和大连中睿科技公司的相关技术人员，在黄河内蒙古托克托县什四份险工弯道处安装了一套非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置。装置安装中创新使用了25 m超长可旋转的悬挂横杆来固定雷达和温度传感器，使其能监测到主河道内冰厚和冰表面温度变化。风电光电互补系统尚未调试完成，但恰逢凌汛期开始，为保证能监测到整个凌汛期冰情信息，该年度未安装风力发电设备，而是多安装1块太阳能电池板来提供更多电能。安装完成后的装置见图6。
目前，该装置已安全运行一个凌汛期（2019—2020年度），经历了10级大风、暴雪、大雾、低温（-31 ℃）等恶劣天气。运行过程中，于2019年12月7日8时发出什四份弯道封河预警信息，通过远程视频和现场巡河人员确认什四份弯道上下游均已封河并留有清沟，雷达正下方未封冻为清沟，当天监测到水位为989.12 m;12月14日监测到水位为990.20 m;2020年1月15日监测到冰厚为0.377 m，当天人工打孔比测冰厚为0.390 m，两者相差0.013 m;2月12日监测到冰厚为0.561 m;2月25日监测冰厚减小到0.395 m;2月26日监测冰厚减小到0.378 m;2月29日通过该装置的摄像头监测到弯道开河预警信息：29日9时冰面颜色变化明显，呈褐黄色，16时弯道下首主槽局部消融见到明流，18时雷达监测到冰盖消失。图7和图8详细记录了该装置2019—2020年度凌汛期监测成果，监测了凌汛期水面变化过程、冰厚变化过程，环境温度变化过程和水表面（无冰时）/冰表面（有冰时）温度变化过程。
5 结论与建议
（1）研发的非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置实现了冰厚和水位的一体化监测，有冰盖时监测冰面高程和冰底高程，无冰盖时监测水面高程，还能监测环境温度和水表面（无冰时）/冰表面（有冰时）温度，同时全天候自动采集整个凌汛期河道凌情变化视频影像。此装置的研发应用将进一步提升黄河防凌监测能力，完善野外观测技术，减少冰凌灾害，特别是预防冰坝和冰塞引起的水位壅高而出现的溃坝或决堤等险情，最大限度降低人民生命财产损失，提高公共安全保障能力。
（2）该装置核心部件为400 MHz空气耦合雷达，可将其悬挂于离监测目标20 m范围内的悬臂支架或桥梁上，实时监测冰厚和水位等冰情参数。该空气耦合雷达突破了雷达在空气和冰盖界面耦合测量的技术瓶颈。此雷达还能挂载于无人机上探测河道整个断面的连续冰厚，解决冰塞和冰坝监测难的问题。
（3）该装置采集雷达波谱自动解译的功能是基于马尔科夫模型来建立层位的监测与跟踪算法而实现的。该算法可自动监测出冰面与空气的界面和冰面与水面的界面，提高解译速度。
（4）全过程冰情野外原型观测是防凌研究的基础，建议进一步研发监测冰塞冰坝堆积过程、冰塞厚度、冰下流速和河床变化等特征参数的原型观测技术及设备，并结合地质雷达和声发射技术监测冰力学参数，建立雷达图谱与冰层结构及力学特性的对应关系。
参考文献：
[1] 戴长雷，于成刚，廖厚初，等.冰情监测与预报[M].北京：中国水利水电出版社，2010：14-28.
[2] 丛沛桐，王瑞兰.黄河冰凌监测技术研究进展[J].广东水利水电，2007（1）：4-6.
[3] 许志辉，刘良明.MODIS动态监测黄河宁蒙河段凌情的技术与方法[J].水利水电技术，2007，38（9）：58-61.
[4] 郜国明，邓宇，田治宗，等.黄河冰凌近期研究简述与展望[J].人民黄河，2019，41（10）：77-81.
[5] 熊运阜，梁贵生，路新川，等.冰期水位自动观测关键技术集成[J].水利科学与寒区工程，2018，1（3）：25-30.
[6] 张宝森，张防修，刘滋洋，等.黄河河道冰层雷达波特征图谱的现场实验研究[J].南水北调与水利科技，2017，15（1）：121-125.
[7] 艾明翟，姚远，徐路凯.轻小型地面雷达近實时冰凌监测技术[J].人民黄河，2016，38（8）：31-33.
[8] 刘之平，付辉，郭新蕾，等.冰水情一体化双频雷达测量系统[J].水利学报，2017，48（11）：1341-1347.
[9] 李志军，韩明，秦建敏，等.冰厚变化的现场监测现状和研究进展[J].水科学进展，2005，16（5）：753-757.
【责任编辑 许立新】
关键词：冰厚;水位;空气耦合雷达;一体化远程监测;黄河
Abstract：In order to solve the problem of continuous monitoring of ice thickness and water level in frozen river in winter， a non-contact remote monitoring device for ice thickness and water level was developed. It was mainly composed of air-coupled radar measuring ice thickness， ambient temperature sensor， water surface or ice surface temperature sensor， high-definition infrared night vision instrument， lightning arrester， GPS module， remote switch control and telemetry module， solar and wind power supply complementary system， silicon energy battery， super long crossbar and triangular steel frame. The integrated device could monitor the ice thickness， water level， ambient temperature， ice surface or water surface temperature and other relevant parameters， as well as the video image data of the whole day. By using 4G module， the data could be sent back to the control center and the radar atlas could be automatically interpreted. At present， the equipment has been installed and applied in Shisifen section of the Yellow River in Tuoketuo County of Inner Mongolia. It had completely monitored the ice thickness and water level change process of the bend during the ice flood period from 2019 to 2020 and also collected a large number of temperature and ice flood video data. The equipment has provided a new model and technology for remote non-contact monitoring of hydrology during ice period and realized unattended intelligent monitoring.
Key words： ice thickness; water level; air-coupled radar; integrated remote monitoring;Yellow River
1 技術背景
黄河宁蒙河段防凌形势严峻，冰凌灾害给两岸人民生命财产安全造成巨大损失，防凌减灾研究势在必行。野外原型观测是开展各种防凌减灾研究的基础，可为冰凌灾害评估提供技术保证，为室内物理模型研究提供原型参照，为数学预报模型开发提供数据支撑。黄河内蒙古段冰情野外原型观测技术和设备相对落后，观测次数及断面少，实时性较差，智能无人值守程度低，存在原始数据不连续、不全面等问题[1-4]。目前，用于黄河主河道冬季结冰期的气介自动水位计[5]可实现水位的远程自动监测，但不能监测冰厚。监测冰厚的设备主要有地面接触式地质雷达[6-7]、冰水情一体化双频雷达[8]、底面浮筒[9]等接触式监测设备，但接触式的监测方式仅能在河道稳封期进行，流凌期和开河期监测无法保证人员及设备安全。
黄河水利科学研究院研发的非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置，可以实现冰厚和水位的一体化连续远程监测，可以全年全天候监测，还可以利用装置附加的温度传感器采集环境温度、冰表面温度及水表面温度，利用高清红外夜视仪自动采集河道全天候视频图像数据。
2 装置技术方案
2.1 装置系统硬件组成
系统硬件主要包括空气耦合雷达（以下简称“雷达”）、高清红外夜视仪、环境温度传感器、水表面/冰表面温度传感器、GPS模块、4G数据传输模块、硅能电池、远程开关控制与遥测模块、风电光电互补控制器、风力发电机和太阳能电池板等组件，见图1。 2.2 雷达
雷达是该装置的核心组件，可以非接触式监测冰厚及水表面（无冰情况）/冰表面（有冰情况）距雷达的距离，详细技术参数见表1。
雷达硬件主要包括雷达控制器、脉冲发射机、脉冲接收机和超宽带天线等，其硬件构成和监测冰厚、水位的原理见图2。雷达工作方式是通过4G网络远程控制，向雷达发送采样点数、采样频率、叠加次数和采集间隔时间等参数指令，雷达接收指令后进行数据采集，并回传雷达图谱数据。
2.2.1 雷达控制器
雷达控制器实现系统所有工作时序并完成以下功能：数据接口通信、产生发射机触发信号、产生接收机步进取样时钟和接收機输出信号模数转换等。雷达控制器电路见图3。
2.2.2 脉冲发射机
毫微秒脉冲信号的产生，采用阶跃恢复二极管（SRD）和雪崩三极管等特种元器件。设计出微分结构和Marx级联结构等电路结构，提高毫微秒脉冲发射机输出脉冲幅度，使毫微秒脉冲波形前沿满足雷达的成像要求。
毫微秒脉冲信号可以由真空气体开关器件和固态半导体器件产生。真空气体开关器件特点是可以产生峰值幅度达数千伏的毫微秒脉冲信号，但其脉冲宽度和重复周期难以控制，并且体积较大。固态半导体器件（雪崩管和场效应管等器件）的特点是脉冲宽度和脉冲重复周期易于控制。由雪崩三极管和SRD器件构成满足雷达系统要求的脉冲源电路。
2.2.3 脉冲接收机
雷达接收机受到ADC（模数转换器）的输入带宽和采样位数限制，通常采用等效取样方式重建雷达回波信号。等效取样是一种变换取样，利用接收信号的周期性特点或准周期性重复特点，在每个周期内仅进行一次或若干次取样，经过信号多个重复周期之后，获得能够重建信号一个周期内波形的所有样本。
对于探地雷达发射的皮秒或纳秒量级脉冲信号，接收机如果直接对回波信号进行采集，将对A/D转换器的转换速率要求极高，不仅成本很高，而且在信号中心频率大于400 MHz时实现难度极大。因此，需要采用等效采样技术对信号进行降频处理，降频后的回波信号为音频信号。
接收机的实现框图见图4。它主要由两部分组成：一是接收机前端，保护接收机并对输入回波信号进行调理;二是采样保持电路。图4 等效取样接收机实现框图.
2.2.4 超宽带天线
根据超宽带天线技术现有发展水平，重点考虑Bow-tie等结构相对简单、体积较小的天线形式。在理论仿真和实验测量基础上，通过综合对比各类超宽带天线性能，同时考虑天线体积尽量小，研制出适合该雷达使用的天线单元。
根据超宽带天线理论与技术，超宽带雷达天线的工作带宽与中心频率之比不小于1。对于Bow-tie天线及其变形结构的UWB天线，为了实现脉冲波在天线辐射体上无反射传播，即超宽带特性，需要在天线辐射体上从馈电端至终端依照Wu-King阻抗加载方法对天线进行加载，以便吸收传输到天线末端的电流，进而抑制电流在天线末端产生的发射。
2.3 风电光电互补供电系统
风电光电互补供电系统由太阳能电池板、风力发电机、风电光电互补控制器和硅能电池组成。首批装置安装于黄河内蒙古托克托县河段，该地区平均高程1 132 m，年平均每天日照时间5.6 h，近5 a冬季晴天和多云天气占比84%，阴、雨、雪天气占比16%，最大连续阴、雨、雪天数为4 d，近5 a风力统计见表2。该地区3级以上风的天数平均每月20 d以上，风力资源较为丰富，平均有效风功率密度为150 W/m2。
2.3.1 太阳能电池板选择
太阳能电池板的功率应该满足无风情况下每天产生的电量能够维持装置正常运转。计算时，应考虑组装、温度和传输等方面损失。在不考虑充电余量的情况下，太阳能电池板的最低功率计算公式如下：
经评估，装置每天耗电量约为240 W·h，装置所在地年平均每天日照时间5.6 h，但考虑主要是在冬季使用，h取0.8倍年平均日照时间，即4.5 h，利用式（1）计算得出所选太阳能电池板最低功率p1为89.6 W。考虑在售太阳能电池板型号，最终选用100 W的太阳能电池板。
2.3.2 风力发电机选择
选用200 W风力发电机，其功率输出曲线见图5。基于表2中的当地风力统计数据，加权平均计算得到该地区使用风力发电机的平均输出功率p2：通过上述计算分析可知，采用风电光电互补供电方式能够满足该装置对于电力的需求。
2.3.3 风电光电互补控制器选择
风电光电互补控制器主要有两大类：PWM控制器和MPPT控制器。PWM控制器采用脉宽调制的方式来控制其对蓄电池的充电电压，此方法实现电路相对简单，充电效率一般为80%左右。MPPT控制器的全称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）太阳能控制器，其能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值（VI），使系统以最大功率输出对蓄电池充电，它能够有效地协调太阳能电池板、蓄电池和负载的工作，实现电路相对复杂，充电效率能够达到95%，通常为98%左右。MPPT技术虽然比较复杂，但是经过多年的改进已经比较成熟，该装置使用MPPT控制器对蓄电池进行电源管理，可以更高效率地利用电能。
2.3.4 硅能电池选择
考虑到当地冬季可能出现极端低温天气，该装置使用比铅酸电池更耐低温的硅能电池。硅能电池能在气温低于-50 ℃时正常工作，在-40 ℃情况下，硅能电池的容量能保持在80%以上。安装时将硅能电池埋设在地下1.5 m起防冻作用，避免在极冷情况下降低电池续航能力。
2.4 4G数据传输系统
4G数据传输模块用于实现雷达与远程计算机之间的远程无线通信，建立数据链接，例如：发送控制指令数据，接收雷达波谱数据。 2.5 GPS模块
GPS模块为雷达系统提供秒脉冲信号（PPS）和时间信息。雷达根据PPS信号进行计时，来控制雷达数据的采集间隔时间，可以根据实际需要远程设定间隔时间。GPS提供的UTC时间信息也将记录在雷达的回传波谱数据中，给回波数据打上时间标签，使得雷达数据可以根据时间回溯。
2.6 远程开关控制与遥测模块
远程开关控制与遥测模块利用移动通信平台（GSM/GPRS网络）进行双向通信，实现系统的远程开关控制、电压/温度等遥测信号采集、摄像监控等功能。
3 冰面和冰水分界面层位追踪算法
雷达回传数据后，远程计算机利用层位追踪算法可计算出冰盖厚度和水面（无冰情况）或冰面（有冰情况）距雷达距离。此算法主要是利用反射波波形及强度特征，通过同相轴的追踪，来捕获冰与水界面和冰/水与空气界面的变化情况，从而计算出冰盖厚度和水面、冰面距雷达距离。其基础是提取发射层，而识别同一地层反射波的标志为其波谱的同相性和相似性，利用这两种性质实现对反射层的追踪。
（1）同相性。对比雷达波谱相邻道上反射波，把不同道上同一反射波组相同相位连接起来的线称为同相轴。同一波组的相位即波峰和波谷的位置沿测线缓慢变化。
（2）相似性。相邻道上同一分层反射波的波形、波幅、周期及其包络等主要特征有一定的相似性。
4 应用案例
2019年11月15日至20日，黄河水利科学研究院联合万家寨集团公司和大连中睿科技公司的相关技术人员，在黄河内蒙古托克托县什四份险工弯道处安装了一套非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置。装置安装中创新使用了25 m超长可旋转的悬挂横杆来固定雷达和温度传感器，使其能监测到主河道内冰厚和冰表面温度变化。风电光电互补系统尚未调试完成，但恰逢凌汛期开始，为保证能监测到整个凌汛期冰情信息，该年度未安装风力发电设备，而是多安装1块太阳能电池板来提供更多电能。安装完成后的装置见图6。
目前，该装置已安全运行一个凌汛期（2019—2020年度），经历了10级大风、暴雪、大雾、低温（-31 ℃）等恶劣天气。运行过程中，于2019年12月7日8时发出什四份弯道封河预警信息，通过远程视频和现场巡河人员确认什四份弯道上下游均已封河并留有清沟，雷达正下方未封冻为清沟，当天监测到水位为989.12 m;12月14日监测到水位为990.20 m;2020年1月15日监测到冰厚为0.377 m，当天人工打孔比测冰厚为0.390 m，两者相差0.013 m;2月12日监测到冰厚为0.561 m;2月25日监测冰厚减小到0.395 m;2月26日监测冰厚减小到0.378 m;2月29日通过该装置的摄像头监测到弯道开河预警信息：29日9时冰面颜色变化明显，呈褐黄色，16时弯道下首主槽局部消融见到明流，18时雷达监测到冰盖消失。图7和图8详细记录了该装置2019—2020年度凌汛期监测成果，监测了凌汛期水面变化过程、冰厚变化过程，环境温度变化过程和水表面（无冰时）/冰表面（有冰时）温度变化过程。
5 结论与建议
（1）研发的非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置实现了冰厚和水位的一体化监测，有冰盖时监测冰面高程和冰底高程，无冰盖时监测水面高程，还能监测环境温度和水表面（无冰时）/冰表面（有冰时）温度，同时全天候自动采集整个凌汛期河道凌情变化视频影像。此装置的研发应用将进一步提升黄河防凌监测能力，完善野外观测技术，减少冰凌灾害，特别是预防冰坝和冰塞引起的水位壅高而出现的溃坝或决堤等险情，最大限度降低人民生命财产损失，提高公共安全保障能力。
（2）该装置核心部件为400 MHz空气耦合雷达，可将其悬挂于离监测目标20 m范围内的悬臂支架或桥梁上，实时监测冰厚和水位等冰情参数。该空气耦合雷达突破了雷达在空气和冰盖界面耦合测量的技术瓶颈。此雷达还能挂载于无人机上探测河道整个断面的连续冰厚，解决冰塞和冰坝监测难的问题。
（3）该装置采集雷达波谱自动解译的功能是基于马尔科夫模型来建立层位的监测与跟踪算法而实现的。该算法可自动监测出冰面与空气的界面和冰面与水面的界面，提高解译速度。
（4）全过程冰情野外原型观测是防凌研究的基础，建议进一步研发监测冰塞冰坝堆积过程、冰塞厚度、冰下流速和河床变化等特征参数的原型观测技术及设备，并结合地质雷达和声发射技术监测冰力学参数，建立雷达图谱与冰层结构及力学特性的对应关系。
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【责任编辑 许立新】