CN104482988B - 一种测量水位和流速的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
在本发明中公开了一种测量水位和流速的设备，包括主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端。通过所述主振频率源产生高频稳度、高频纯度的基准频率信号，对所述基准频率信号进行处理之后，通过雷达天线向目标水源进行辐射，接收目标水源反射的目标回波信号，通过分析所述目标回波信号中的参数，依据预设的计算方法测量得到精确的目标水源的水位和流速。
Description
技术领域
本发明涉及水利领域，特别涉及一种测量水位和流速的设备及方法。
背景技术
在地球上多种多样的地理环境中，河流、湖泊、海洋等环境和人们的生产、生活有着密切的联系。对于河流、湖泊、海洋等环境的水文监测，有利于研究其变化规律，对减少自然灾害，保障人民生命财产安全有着重要的意义。
在对河流、湖泊、海洋等环境的水文监测中，水位和流速是两个重要的监测内容，研制更加精确、方便的水位、流速测量方法有着重要的意义。因此亟需一种测量水位和流速的设备及方法，对水位和流速进行精确的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量水位和流速的设备及方法，能够对水位和流速进行精确的测量。
为了解决上述问题，本发明公开了一种测量水位和流速的设备，包括：
主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
其中：
所述主振频率源用于产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器和定时器；
所述频率合成器用于依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
所述定时器用于依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述主振功率放大链，用于将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
所述收/发开关，用于在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
所述雷达天线用于将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
所述接收机用于对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至所述信号处理机；
所述信号处理机用于对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
所述数据处理机用于依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
所述雷达终端用于在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波信号及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
上述的设备，优选的，所述频率合成器包括：
直接数字式频率合成器DDS和锁相环PLL。
上述的设备，优选的，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号；
所述频率合成器中还设置有单片机；
所述单片机用于控制所述DDS，实现所述三角波线性调频连续波和所述单频连续波信号的切换。
一种测量水位和流速的方法，所述方法基于测量水位和流速的设备，所述设备包括：
主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述方法包括：
所述主振频率源产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器和定时器；
所述频率合成器依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
所述定时器依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述主振功率放大链，将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
所述收/发开关，在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
所述雷达天线将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
所述接收机对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至所述信号处理机；
所述信号处理机对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
所述数据处理机依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
所述雷达终端在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波信号及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
上述的方法，优选的，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号。
上述的方法，优选的，所述测量方法采用单片机控制直接数字式频率合成器DDS对所述频率合成器生成所述三角波线性调频连续波或单频连续波信号进行切换。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
在本发明中公开了一种测量水位和流速的设备，包括主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端。通过所述主振频率源产生高频稳度、高频纯度的基准频率信号，对所述基准频率信号进行处理之后，通过雷达天线向目标水源进行辐射，接收目标水源反射的目标回波信号，通过分析所述目标回波信号中的参数，依据预设的计算方法测量得到精确的目标水源的水位和流速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种测量水位和流速的设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种测量水位和流速的设备，其结构示意图如图1所示，包括：
主振频率源101、频率合成器102、主振功率放大链104、定时器103、收/发开关105、雷达天线106、接收机107、信号处理机108、数据处理机109和雷达终端110；
其中：
所述主振频率源101用于产生高频稳度、高频谱纯度的基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器102和定时器103；
所述频率合成器102用于依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；本发明实施例中，频率合成器102根据主振频率源101提供的基准频率信号，利用各种频率变化手段，产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；所述频率合成器102将所述发射激励信号发送给所述主振功率放大链104；将所述接收机本振信号发送至所述接收机107；将所述相参基准信号发送至所述信号处理机108。
所述定时器103用于依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理机108、数据处理机109和雷达终端110；本发明实施例中，定时器103根据主振频率源101提供的基准频率信号，利用各种频率变化手段，产生各种同步脉冲和各种时钟信号。所述信号处理机108、数据处理机109和雷达终端110在所述各种同步脉冲及各种时钟信号的作用下，处于同步状态。
所述主振功率放大链104，用于将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；本发明实施例中，所述主振功率放大链104将来自频率合成器102的发射激励信号逐级放大到足够的功率，经馈线传输给收/发开关105。
所述收/发开关105，用于在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机107，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线106；并在接收到目标回波信号时，打开所述接收机107，将所述目标回波信号传送至所述接收机107；本发明实施例中，所述收/发开关105将接收和发送通路进行隔离，当发射机发送的大功率的发射激励信号到达时，关闭接收机107；以防止大功率泄露信号烧坏接收机107的前端器件。所述发射机由主振频率源101、频率合成器102和主振功率放大链104组成。
所述雷达天线106用于将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关105；
所述接收机107用于对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至所述信号处理机108；
所述信号处理机108用于对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机109；
所述数据处理机109用于依据预设的算法，录取所述信号处理机108发送的目标回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
所述雷达终端110用于在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机108处理的目标回波信号及经过所述数据处理机109处理的回波信号进行显示。
本发明实施例中，所述的接收机107将收/发开关105发送的微弱的目标回波信号进行放大处理，然后，将放大到一定幅度的目标回波信号送至信号处理机108；所述的信号处理机108，将接收机107送来的目标回波信号进行二次处理；所述的数据处理机109根据信号处理机108送来的目标回波信号，进行目标参数录取；包括水位和流速的测量。
本发明实施例中，所述频率合成器102中包括：
直接数字式频率合成器DDS和锁相环PLL。
本发明实施例中，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号；本发明实施例中的频率合成器102具有产生这两种波形的能力。
所述频率合成器102中还设置有单片机；
所述单片机用于控制所述DDS，实现所述三角波线性调频连续波和所述单频连续波信号的切换。
本发明实施例提供的水位与流速的测量设备中，所述的频率合成器102由直接数字合成技术(DDS)和锁相环技术(PLL)组成，当进行水位测量时，扫频驱动电压驱动压控振荡器(VCO)产生频率变化的电磁波，其输出在时间上按某一已知的时间函数变化，目标发射回来的信号和发射机直接耦合过来的发射信号在混频器内混频后得到中频信号。中频信号的频率中包含有目标的距离信息。其经过放大、滤波、测频等处理后就可得到目标距离。本发明所涉及的基于雷达原理的水位流速的非接触式测量方法，测量结果精度较高，不易受到周边环境的影响，适合在复杂环境下进行测量。
本发明实施例中，发射和接收共用一个雷达天线106，通过收/发开关105完成收发隔离。
本发明所涉及的水位和流速的测量设备，基于雷达原理对水位和流速进行非接触式测量，其原理如下：
(1)雷达测距原理：
电磁波在自由空间的传播速度约等于光速，即c＝3×108m/s，设雷达和目标的距离为R，电磁波在雷达与目标之间的往返时间为Δt，则有
即
由公式可知，只要测得电磁波在雷达与目标之间的往返时间Δt，即可计算出两者之间的距离。
(2)雷达测速原理：
雷达对于目标速度的测量利用的是多普勒效应。多普勒效应的主要内容是当发射源和接收源之间具有相对运动时，雷达接收到的回波信号较发射信号相比频率将会发生变化。接下来对雷达发射连续波信号的情况进行具体分析，其他情况下推导出的多普勒频率与发射波工作波长、径向速度之间的关系式与连续波信号情况一致。
设雷达与目标之间的距离为R(t)，运动目标和雷达的径向速度为vr，设发射信号为
其中A为振幅，ω0为角频率，为初始相位。
由于雷达接收到的目标反射信号延迟时间为Δt＝2R/c，设回波的衰减系数为k，则回波信号的表达式为：
目标和雷达之间的相对运动使二者之间的距离随时间发生变化，假设目标匀速运动，则t时刻目标与雷达之间的距离为
R(t)＝R0-vrt
其中，R0为t＝0时刻目标和雷达的距离。
一般情况下，vr远远小于电磁波速度c，所以Δt的表达式可以写为：
接收到的回波信号与发射信号的高频相位差为：
当径向速度vr为定值时，频率差即多普勒频率为：
可以看出，由于发射信号的波长λ已知，因此只需测出多普勒频率fd，即可得出目标相对于雷达的运动速度。
本发明实施例提供的水位和流速的测量设备，依据上述原理，产生高频稳度、高频谱纯度的全机基准频率信号；对所述基准频率进行处理之后，向目标水源进行辐射，本发明实施例中，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号；然后接收目标水源反射的回波信号，通过以上原理计算得到水位和流速信息，获得的数据更加精确。
与图1所述的测量水位和流速的设备相对应的，本发明实施例还提供了一种测量水位和流速的方法，所述方法基于测量水位和流速的设备，所述设备包括：
主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述方法包括：
步骤S101：所述主振频率源产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器和定时器；
步骤S102：所述频率合成器依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
步骤S103：所述定时器依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理机、数据处理机和雷达终端；
步骤S104：所述主振功率放大链，将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
步骤S105：所述收/发开关，在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
步骤S106：所述雷达天线将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
步骤S107：所述接收机对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至所述信号处理机；
步骤S108：所述信号处理机对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
步骤S109：所述数据处理机依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
步骤S110：所述雷达终端在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波信号及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
本发明实施例提供的测量方法中，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号。
所述测量方法采用单片机控制直接数字式频率合成器DDS对所述频率合成器生成所述三角波线性调频连续波或单频连续波信号进行切换。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上对本发明所提供的一种测量水位和流速的设备及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种测量水位和流速的设备，其特征在于，包括：
主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
其中：
所述主振频率源用于产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器和定时器；
所述频率合成器用于依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
所述定时器用于依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述主振功率放大链，用于将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
所述收/发开关，用于在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
所述雷达天线用于将所述经过放大的发射激励信号定向自由空间进行辐射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
所述接收机用于对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至所述信号处理机；
所述信号处理机用于对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
所述数据处理机用于依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
所述雷达终端用于在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波信号及经过所述数据处理机处理的目标回波信号进行显示。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述频率合成器包括：
直接数字式频率合成器DDS和锁相环PLL。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号；
所述频率合成器中还设置有单片机；
所述单片机用于控制所述DDS，实现所述三角波线性调频连续波和所述单频连续波信号的切换。
4.一种测量水位和流速的方法，其特征在于，所述方法基于测量水位和流速的设备，所述设备包括：
主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述方法包括：
所述主振频率源产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器和定时器；
所述频率合成器依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
所述定时器依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理机、数据处理机和雷达终端；
所述主振功率放大链，将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
所述收/发开关，在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
所述雷达天线将所述经过放大的发射激励信号定向自由空间进行辐射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
所述接收机对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至所述信号处理机；
所述信号处理机对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
所述数据处理机依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
所述雷达终端在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波信号及经过所述数据处理机处理的目标回波信号进行显示。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量方法采用单片机控制直接数字式频率合成器DDS对所述频率合成器生成所述三角波线性调频连续波或单频连续波信号进行切换。
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