CN113108767A - 一种无人机载雷达水文信息实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置,涉及水文监测技术领域,其技术方案要点是:包括以下步骤:S1、雷达计算水位流速;S2、1/f噪声消除;S3、卡尔曼滤波倾角估计,通过引入增稳平台,增强测流的稳定;S4、实行多点测流。本发明还提供一种无人机载雷达水文信息实时监测装置,包括水位测量雷达、流速测量雷达、增稳云台、无人机、无线数传装置和地面接收装置。本发明的方法能够提高弱信号条件下的测流能力,克服1/f噪声对测流精度的影响;采用卡尔曼滤波倾角估计技术,增强测流稳定性,克服水面漂浮物对测流精度影响;提出时空滤波的多点测流技术,减少漂浮物干扰,克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题。
Description
技术领域
本发明涉及水文监测技术领域,更具体地说,它涉及一种无人机载雷达水文信息实时监测方法。
背景技术
我国河流流域众多、降雨量分布不均,造成某些地区洪涝灾害频发。为减少洪灾给人民生命财产带来损失,需实时监测河流水位、流速等水文信息。目前常见的水位计有压差式、连通式等,流速仪包括旋杯式、旋桨式等,适用于漂浮物较少、泥沙少、流速不大的河道。由于工具长时间浸泡在水中,受水流腐蚀、冲刷影响,使得刻度不清、位置倾斜偏移,导致读数困难;同时,这些工具需要人工完成,存在工作量大、时效性差、人力资源严重浪费等问题。尤其是在洪灾来临时,测量人员的人身安全难以保证。
随着电子信息技术发展,非接触监测手段在不断增多。超声波测量根据发射与接收波的时间延迟获得距离信息,具有精度高、反应快的优点,但超声波在介质中传播速度易受温度影响;激光测量原理与超声波相似,具有方向性强的优势,精度可达到毫米级,但极易受浓雾、下雨等影响;多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)由超声波换能器发射脉冲波,通过多普勒频移计算得出流速的大小。但结果易受河流水质、漂浮物等影响。雷达测流原理与ADCP类似,利用水流多普勒效应计算流速,但电磁波能穿透雾、烟、灰尘,且不受河流水质、漂浮物等影响,测速范围和精度都有大幅提升。因此,成为当下和未来主流的测流手段。目前,雷达测水文主要采用固定模式,架在岸边或桥下。但在暴雨或融雪导致洪水情况下,水流并不一定沿着安装好雷达测流仪的河道行进,需临时应急测量。
因此,本发明旨在设计一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置,该方法将中频信号频偏到1/f噪声外,能够提高弱信号条件下的测流能力,克服1/f噪声对测流精度的影响;同时,采用卡尔曼滤波倾角估计技术,能够增强测流稳定性,克服水面漂浮物对测流精度影响,且通过时空滤波的多点测流,减少漂浮物干扰,克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题。本发明的装置兼顾无人机的机动灵活、部署方便、响应快速等优点,以及电磁波穿透性强且不受河流水质、漂浮物影响的优点,且本装置能够提升测流精度、流速范围及部署灵活性;同时,本装置重量小、功耗低,适合普通无人机灵活部署,可广泛应用于防汛应急抢险等场合。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种无人机载雷达水文信息实时监测方法,具体包括以下步骤:
S1、雷达计算水位流速,采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去,发射信号遇到前方水面后发生漫反射,沿轴向返回的信号被接收到,在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时,测得的流速为:v=vd/cosα,其中,v为流速,vd为雷达测量到的多普勒速度,α为夹角;
S2、1/f噪声消除,在雷达24GHz本振频率旁偏移一个中频,要求该中频大于1/f噪声转角频率,可降低1/f噪声干扰影响;
S3、卡尔曼滤波倾角估计,通过引入增稳平台,增强测流的稳定,并对增稳平台配置9轴姿态检测传感器,然后利用卡尔曼滤波算法进行倾角估算,抑制加速度计噪声影响,修正陀螺仪漂移累加误差,其中,陀螺仪测得的角度为:其中,θk是当前时刻角度,θk-1是上一时刻角度,是当前时刻角速度,是当前时刻角速度偏移;
进一步地,步骤S1中所述的vd的测量采用调频连续波雷达。
进一步地,步骤S3中的卡尔曼滤波以观测量作为滤波器输入量,以状态量估计值作为滤波器输出量,通过***噪声和观测噪声的统计特性进行最优估计的数据处理,且***的状态方程为:
其中,fd为动目标多普勒频率,C为光速,±为调制波前后半周期正、负斜率情况;
则fd与差频关系为:
根据多普勒公式,可算得速度:
其中,λ为雷达波长;
进一步地,步骤S2中,采用32.768KHz晶振用于产生中频。
本发明提供的一种无人机载雷达水文信息实时监测装置,包括水位测量雷达、流速测量雷达、增稳云台、无人机、无线数传装置和地面接收装置,所述水位测量雷达安装于无人机上,所述增稳云台安装于无人机上,所述流速测量雷达安装于增稳云台上,用于形成固定的倾斜角;所述无线数传装置安装于无人机上,所述无线数传装置与地面接收装置通讯连接。
进一步地,所述增稳云台内含陀螺仪、加速度计和电子罗盘。
综上所述,本发明具有以下有益效果:
1、本发明的方法将中频信号频偏到1/f噪声外,能够提高弱信号条件下的测流能力,克服1/f噪声对测流精度的影响;同时,采用卡尔曼滤波倾角估计技术,能够增强测流稳定性,克服水面漂浮物对测流精度影响,且通过时空滤波的多点测流,减少漂浮物干扰,克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题;
2、本发明的装置兼顾无人机的机动灵活、部署方便、响应快速等优点,以及电磁波穿透性强且不受河流水质、漂浮物影响的优点,且本装置能够提升测流精度、流速范围及部署灵活性;
3、本装置重量小、功耗低,适合普通无人机灵活部署,可广泛应用于防汛应急抢险等场合。
附图说明
图1是本发明实施例1中的流程图;
图2是本发明实施例1中的雷达测量示意图;
图3是本发明实施例1中的FMCW雷达信号频率-时间变化图;
图4是本发明实施例1中的1/f噪声幅频特性曲线图;
图5是本发明实施例1中的1/f噪声消除电路图;
图6是本发明实施例1中的多点测流示意图;
图7是本发明实施例2中的***框图;
图8是本发明实施例1中的***实物图。
图中:1、水位测量雷达;2、流速测量雷达;3、增稳云台;4、无人机;5、无线数传装置;6、地面接收装置。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
实施例1:一种无人机载雷达水文信息实时监测方法,如图1所示,具体包括以下步骤:
S1、雷达计算水位流速,采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去,发射信号遇到前方水面后发生漫反射,沿轴向返回的信号被接收到,在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时,测得的流速为:v=vd/cosα,其中,v为流速,vd为雷达测量到的多普勒速度,α为夹角;
S2、1/f噪声消除,在雷达24GHz本振频率旁偏移一个中频,要求该中频大于1/f噪声转角频率,可降低1/f噪声干扰影响;
S3、卡尔曼滤波倾角估计,通过引入增稳平台,增强测流的稳定,并对增稳平台配置9轴姿态检测传感器,然后利用卡尔曼滤波算法进行倾角估算,抑制加速度计噪声影响,修正陀螺仪漂移累加误差,其中,陀螺仪测得的角度为:其中,θk是当前时刻角度,θk-1是上一时刻角度,是当前时刻角速度,是当前时刻角速度偏移;
其中,步骤S1中所述的vd的测量采用调频连续波雷达。
其中,步骤S3中的卡尔曼滤波以观测量作为滤波器输入量,以状态量估计值作为滤波器输出量,通过***噪声和观测噪声的统计特性进行最优估计的数据处理,且***的状态方程为:
其中,fd为动目标多普勒频率,C为光速,±为调制波前后半周期正、负斜率情况;
则fd与差频关系为:
根据多普勒公式,可算得速度:
其中,λ为雷达波长;
其中,步骤S2中,采用32.768KHz晶振用于产生中频。
在本实施例中,雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去,信号遇到前方水面后发生漫反射,沿轴向返回的信号被接收到。由于水流的运动,接收到的回波信号频率发生多普勒频移,频移大小与流速成正比。当流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内(如图2所示),测得的流速为:v=vd/cosα。
并且,在本实施中,vd测量一般使用调频连续波(Frequency ModulatedContinuous Wave,FMCW)雷达。如图3所示,蓝色线为发射信号频率,绿点线为静目标回波频率,红虚线为动目标回波频率。
1/f噪声是一种普遍存在的低频噪声,其噪声功率与频率成反比。雷达接收机1/f噪声幅频特性如图3所示。1/f噪声转角频率10kHz,而水流多普勒频率范围30Hz~2kHz。当30Hz时,1/f噪声电压幅度是热噪声的18倍。因此,1/f噪声对多普勒测量精度影响很大。
在步骤S2中,1/f噪声是一种普遍存在的低频噪声,其噪声功率与频率成反比。雷达接收机1/f噪声幅频特性如图4所示。1/f噪声转角频率10kHz,而水流多普勒频率范围30Hz~2kHz。当30Hz时,1/f噪声电压幅度是热噪声的18倍。因此,1/f噪声对多普勒测量精度影响很大。
实施例2:如图7所示,本发明提供的一种无人机载雷达水文信息实时监测装置,包括水位测量雷达、流速测量雷达、增稳云台、无人机、无线数传装置和地面接收装置,所述水位测量雷达安装于无人机上,所述增稳云台安装于无人机上,所述流速测量雷达安装于增稳云台上,用于形成固定的倾斜角;所述无线数传装置安装于无人机上,所述无线数传装置与地面接收装置通讯连接。
其中,所述增稳云台内含陀螺仪、加速度计和电子罗盘。
在本实施例中,流速测量雷达采用24G板上雷达,进行侧向流速测量。水位测量雷达采用122G片上小型雷达,进行垂直距离测量。无线数传装置采用3DR Radio Telemetry。无人机采用大疆M600 Pro。通过增稳云台内含陀螺仪、加速度计和电子罗盘,可以对3个轴的角速度,加速度、磁感应强度进行测量,实时控制雷达流速仪角度。
以下对上述无人机载雷达水文信息实时监测装置的测量精度范围、稳定性能和功耗分析进行说明。
1、测量精度范围
由于采用了122GHz的测距雷达,精度可以达到±1mm,范围45m。相比于市面上普遍采用24GHz的测距雷达(精度为±1cm),精度提高近千倍。由于采用了32.768K频偏方案,大幅降低了1/f噪声影响,测速精度可达±0.01m/s,比传统雷达测速精度提高一倍;测速范围为0.05~40米/秒,比传统的0.15~15米/秒扩大了一倍多。
2、稳定性能
由于引入了增稳平台,配置了9轴姿态检测传感器,采用卡尔曼滤波倾角估算技术,增强了无人机测流方向角的稳定性,使得无人机在0-60m/s风速时也可正常工作。而其他同类产品无此功能。
3、功耗分析
传统的24G连续波雷达测距,功耗大约1W;122GHz雷达测距,功耗约400mW。功耗更低,使得无人机续航能力增强1倍。
本发明的上述实施例中的一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置,其有益效果包括:本发明通过将中频信号频偏到1/f噪声外,可提高弱信号条件下的测流能力,克服1/f噪声对测流精度的影响;采用卡尔曼滤波倾角估计技术,可增强测流的稳定性,克服水面漂浮物对测流精度影响;采用时空滤波的多点测流技术,可减少漂浮物干扰,克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题;同时,本发明的无人机载雷达水文信息实时监测装置,兼顾无人机具有机动灵活、部署方便、响应快速等优点以及电磁波穿透性强且不受河流水质、漂浮物等影响的优点,能够提升测流精度、流速范围及部署灵活性,且本装置具有重量小、功耗低等优点,适合普通无人机灵活部署,可广泛应用于防汛应急抢险等场合。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种无人机载雷达水文信息实时监测方法,其特征是:具体包括以下步骤:
S1、雷达计算水位流速,采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去,发射信号遇到前方水面后发生漫反射,沿轴向返回的信号被接收到,在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时,测得的流速为:v=vd/cosα,其中,v为流速,vd为雷达测量到的多普勒速度,α为夹角;
S2、1/f噪声消除,在雷达24GHz本振频率旁偏移一个中频,要求该中频大于1/f噪声转角频率,可降低1/f噪声干扰影响;
S3、卡尔曼滤波倾角估计,通过引入增稳平台,增强测流的稳定,并对增稳平台配置9轴姿态检测传感器,然后利用卡尔曼滤波算法进行倾角估算,抑制加速度计噪声影响,修正陀螺仪漂移累加误差,其中,陀螺仪测得的角度为:其中,θk是当前时刻角度,θk-1是上一时刻角度,是当前时刻角速度,是当前时刻角速度偏移;
2.根据权利要求1所述的一种无人机载雷达水文信息实时监测方法,其特征是:步骤S1中所述的vd的测量采用调频连续波雷达。
5.根据权利要求1所述的一种无人机载雷达水文信息实时监测方法,其特征是:步骤S2中,采用32.768KHz晶振用于产生中频。
6.一种无人机载雷达水文信息实时监测装置,其特征是:包括水位测量雷达、流速测量雷达、增稳云台、无人机、无线数传装置和地面接收装置,所述水位测量雷达安装于无人机上,所述增稳云台安装于无人机上,所述流速测量雷达安装于增稳云台上,用于形成固定的倾斜角;所述无线数传装置安装于无人机上,所述无线数传装置与地面接收装置通讯连接。
7.根据权利要求6所述的一种无人机载雷达水文信息实时监测装置,其特征是:所述增稳云台内含陀螺仪、加速度计和电子罗盘。
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