CN109298423A - 一种基于连续波的测浪雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于连续波的测浪雷达，解决的是自动化程度低的技术问题，通过采用包括：发射天线、接收天线、激励源、信号产生单元、带通滤波器、接收机单元、信号处理单元、数据处理单元、通讯模块及电源模块。测浪雷达安装在距离水面0.5米到60米的高度内，天线垂直向下或者与下部水面呈一个确定的角度。所述信号产生及处理单元包括产生固定频连续波、调频连续波及步进调频连续波信号的信号发生器，并根据信号形式进行采样和预处理。所述数据处理单元将预处理结果计算得到波高、波周期、潮位。的技术方案，较好的解决了该问题，可用于中。

Description

一种基于连续波的测浪雷达

技术领域

本发明涉及测浪雷达领域，具体涉及一种基于连续波的测浪雷达。

背景技术

海浪是最为常见且最为重要的海洋波动现象，它与海洋探索、海洋开发利用等许多重要问题，以及海洋军事技术和海上航行安全等有着十分密切的关系。在海港工程、海上风电工程、水利工程等的设计建造中，波浪要素设计值是最基本最重要的水文要素之一。特殊大的风、浪要素对海工、水利建筑物的载荷影响很大，对于风电预报的准确性起着举重轻重的影响。我国海洋调查规范、海滨观测规范中列有海浪频谱的分析内容，目的在于反映出观测水面（河流或海洋）环境的基本特征和变化规律。

水面波动可视为许多高低、长短、方向、位相不同而具有随机性质的组成波叠加而成。水面的波动过程在理论上和实践中被认为是具有各态历经性和平稳性，因此可由一定充分长的定点（或空间）的自动记录波浪资料，经分析后推求整个区域波浪的特性和规律，并能保证记录上的时间起点不影响计算结果。目前我国在波浪监测方面主要是浮标法，由锚泊在特定区域的浮标对其水文、气象等要素进行定点、自动、长期、连续观测并定时发送资料。

但是，现有的测浪技术不能实现自动化、高精度的测浪需求，因此，本发明提供了一种基于连续波的测浪雷达用于解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的自动化程度低的技术问题。提供一种新的基于连续波的测浪雷达，该基于连续波的测浪雷达具有精度高、自动化程度高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于连续波的测浪雷达，所述基于连续波的测浪雷达安装在距离水面0.5米到60米的高度，测浪雷达包括：依次连接的发射天线、信号发生单元和信号处理单元；发射天线与接收天线垂直向下设置或者与平稳的水面呈角度α设置，0°＜α＜90°；

所述信号处理单元还依次连接有接收机、接收天线，信号处理单元还连接有数据处理单元，所述测浪雷达还包括用于供电的电源模块；

所述信号发生单元用于产生固定频率连续波、调频连续波信号以及步进调频连续波信号；

所述信号处理单元在信号发生单元通过发射天线发射固定频率连续波时，采用FFT处理算法计算出水流表面径向速度；发射调频连续波信号时，采用差频处理法和相位比较法获得测浪雷达到水面的距离；步进调频连续波信号时，通过多次测量，通过差频处理法和相位比较法获得雷达与水面距离的变化函数；

所述数据处理单元用于根据水流表面径向速度、雷达与水面距离计算出波浪参数。

本发明的工作原理：雷达工作采用连续波体制，快速获取水位表面高度和速度，并基于此数据得到波高、波周期、潮位、流速。

上述方案中，为优化，进一步地，所述波浪参数包括波高、波周期、潮位、水位、速度。

进一步地，信号发生单元包括激励源和信号发生器，所述信号发生器能产生固定频率连续波、调频连续波信号以及步进调频连续波信号。

进一步地，所述接收天线与接收机之间连接有带通滤波器。

进一步地，所述数据处理单元还连接有通讯模块，通讯模块用于发送波浪参数信息及接收业务命令。

进一步地，所述业务命令包括速度测量、海浪测量以及河流水位测量；

速度测量时，信号产生单元输出的是固定频率连续波；

海浪测量时，信号产生单元输出的是调频连续波信号；

河流水位测量是，信号产生单元输出的是步进调频连续波信号。

本发明的测浪雷达采用接收命令加自适应调整的工作方式运行。命令有三种，分为：速度测量、海浪测量、河流水位测量。

速度测量时，雷达发射天线发射固定频率的连续波信号，接收天线接收回波，通过FFT处理算法，得到水流表面径向速度；海浪测量时，雷达发射天线发射调频连续波信号，接收天线接收回波，通过差频处理和相位比较以获取雷达到水面的距离，计算得到波高、波周期、潮位、水位；河流水位测量时，雷达发射天线发射步进调频连续波信号，接收天线接收回波，采用粗测与精测结合的方法，通过差频处理和相位比较以获取雷达与水面距离的变化情况，再计算得到波高、波周期、潮位、水位，本发明的测量精度可优于2mm。

本发明中，有效波高计算方法：连续测量100个波峰及波谷，得到100个波高，将100个波高从大到小进行排列，前33个波高的平均值即为有效波高。有效波周期计算方法：各有效波高对应的波周期的平均值。潮位、水位计算方法：滤除波浪后得到的水面高度。

本发明的有益效果：本发明专利采用收发分置天线，通过不同的频率工作方式，实现水面距离和速度的快速测量，再计算得到波高、波周期、潮位、水位、速度。本发明专利适用于海洋、河流的测量，对获取水面的实时数据并计算河流、海洋的各参量，对海洋、河流观测具有指导意义。本发明专利具有方案设计合理、测量功能齐全、实现费用少等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1，实施例1中的测浪雷达***框图；

图2，实施例1中的测浪雷达调频连续波信号示意图；

图3，实施例1中的测量雷达步进调频连续波信号示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于连续波的测浪雷达，所述基于连续波的测浪雷达安装在距离水面0.5米到60米的高度，如图1，测浪雷达包括：依次连接的发射天线、信号发生单元和信号处理单元；发射天线与接收天线垂直向下设置或者与平稳的水面呈角度α设置，0°＜α＜90°；所述信号处理单元还依次连接有接收机、接收天线，信号处理单元还连接有数据处理单元，所述测浪雷达还包括用于供电的电源模块；所述信号发生单元用于产生固定频率连续波、调频连续波信号以及步进调频连续波信号；所述信号处理单元在信号发生单元通过发射天线发射固定频率连续波时，采用FFT处理算法计算出水流表面径向速度；发射调频连续波信号时，采用差频处理法和相位比较法获得测浪雷达到水面的距离；步进调频连续波信号时，通过多次测量，通过差频处理法和相位比较法获得雷达与水面距离的变化函数；所述数据处理单元用于根据水流表面径向速度、雷达与水面距离计算出波浪参数。

其中，波浪参数包括波高、波周期、潮位、水位、速度。

具体地，信号发生单元包括激励源和信号发生器，所述信号发生器能产生固定频率连续波、调频连续波信号以及步进调频连续波信号。

具体地，所述接收天线与接收机之间连接有带通滤波器，可以提高回波信号的纯粹性，提高测量精度。

优选地，为了提高数据测试的应用扩展。所述数据处理单元还连接有通讯模块，通讯模块用于发送波浪参数信息及接收业务命令。

本实施例中，业务命令包括速度测量、海浪测量以及河流水位测量；

速度测量时，信号产生单元输出的是固定频率连续波；

海浪测量时，信号产生单元输出的是调频连续波信号；

河流水位测量是，信号产生单元输出的是步进调频连续波信号。

本实施例的发射天线为1个印制板微带天线，波束宽度小于8°；接收天线为1个印制板微带天线，波束宽度小于8°。两个天线并排放置，能够保证对水面的覆盖范围够大。

信号处理单元控制信号产生单元产生发射信号，通过激励源输出到发射天线。接收天线收到信号后经过带通滤波器到接收机，接收机进行下变频处理后，信号进入信号处理单元，得到原始回波数据。原始回波输入到数据处理单元，完成波高、波周期、潮位、水位、速度计算，再通过通讯模块将数据输出。电源模块将输入的12V电压转换成各模块需要的电压。

雷达工作在固定频率连续波方式，用于速度测量。工作频率为K波段，点频，回波信号直接进行FFT计算，得到频率差，即为水体运动的径向速度。

如图2所示为测浪雷达调频连续波信号示意图。

雷达产生调频连续波信号，经发射天线向外辐射，利用回波信号的频谱和相位信息测量水面距离，本实施例的效果因数之一是发射信号的频率稳定性和线性度。本实施例的测浪雷达的工作频率为K波段，带宽为1.5GHz，扫描速率为150MHz/ms。输出功率为5mW。回波信号与发射信号混频后直接产生零中频差拍信号输出。VCO的特性曲线在不同温度下有所不同，雷达安装在室外，因此本实施例采用温度补偿措施。为了避免干扰，在波束照射范围内应避免有障碍物。

回波信号经隔离放大后输入到A/D变换器。A/D采用12位，数据处理单元为一片32位浮点DSP，作实时1024点FFT处理。DSP首先计算信号的频谱，再根据频谱计算出距离。雷达的频率分辨率为50Hz。本实施例的最大测量距离按100m设计，则回波信号相对于发射信号的最大时间延迟为0.66μs，回波差拍信号的最高频率为25kHz。在完成FFT频谱分析后，再进行相位差分析，最终达到1cm的探测精度。

如图3所示，为测量雷达步进调频连续波信号示意图。

雷达产生调频连续波信号，经发射天线向外辐射，利用回波信号的频谱和相位信息测量水面距离，对发射信号的频率稳定性和线性度要求较高。工作频率为K波段，带宽为2GHz，扫描速率为300MHz/ms。输出功率为5mW。回波信号与发射信号混频后直接产生零中频差拍信号输出。

回波信号经隔离放大后输入到A/D变换器。A/D采用12位，数据处理单元为一片32位浮点DSP，作实时1024点FFT处理。雷达分为粗测与精测两步实现。首先计算出回波信号的步距，由步距确定水面的粗位置。再进行精测，计算步距内回波信号的相位，计算相位差，最终达到2mm的探测精度。

本实施例未披露的部分均采用的是现有技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于连续波的测浪雷达，其特征在于：所述基于连续波的测浪雷达安装在距离水面0.5米到60米的高度，测浪雷达包括：依次连接的发射天线、信号发生单元和信号处理单元；发射天线与接收天线垂直向下设置或者与平稳的水面呈角度α设置，0°＜α＜90°；

所述信号处理单元还依次连接有接收机、接收天线，信号处理单元还连接有数据处理单元，所述测浪雷达还包括用于供电的电源模块；

所述信号发生单元用于产生固定频率连续波、调频连续波信号以及步进调频连续波信号；

所述信号处理单元在信号发生单元通过发射天线发射固定频率连续波时，采用FFT处理算法计算出水流表面径向速度；发射调频连续波信号时，采用差频处理法和相位比较法获得测浪雷达到水面的距离；步进调频连续波信号时，通过多次测量，通过差频处理法和相位比较法获得雷达与水面距离的变化函数；

所述数据处理单元用于根据水流表面径向速度、雷达与水面距离计算出波浪参数。

2.根据权利要求1所述的基于连续波的测浪雷达，其特征在于：所述波浪参数包括波高、波周期、潮位、水位、速度。

3.根据权利要求2所述的基于连续波的测浪雷达，其特征在于：信号发生单元包括激励源和信号发生器，所述信号发生器能产生固定频率连续波、调频连续波信号以及步进调频连续波信号。

4.根据权利要求2所述的基于连续波的测浪雷达，其特征在于：所述接收天线与接收机之间连接有带通滤波器。

5.根据权利要求2所述的基于连续波的测浪雷达，其特征在于：所述数据处理单元还连接有通讯模块，通讯模块用于发送波浪参数信息及接收业务命令。

6.根据权利要求5所述的基于连续波的测浪雷达，其特征在于：所述业务命令包括速度测量、海浪测量以及河流水位测量；

速度测量时，信号产生单元输出的是固定频率连续波；

海浪测量时，信号产生单元输出的是调频连续波信号；

河流水位测量是，信号产生单元输出的是步进调频连续波信号。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于连续波的测浪雷达，其特征在于：所述基于连续波的测浪雷达用于河流、海洋的波浪测量。