CN116223838A - 一种互相关雷达流速仪及雷达信号去噪方法 - Google Patents

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陈德莉
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朱逸帆
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Abstract

本发明提供的互相关雷达流速仪及雷达信号去噪方法，涉及流体测量技术领域，包括至少两套工作频率相同的雷达，两套所述雷达交替收发，所述雷达的交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率，通过至少两个工作频率相同交替收发，同时交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率的雷达，获得相应的雷达信号，通过对雷达信号的多次积累互相关，极大的改善了信噪比。

Description

一种互相关雷达流速仪及雷达信号去噪方法
技术领域
本发明涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种雷达信号去噪方法及雷达信号去噪方法。
背景技术
现有的流速仪的工作流程都是类似于中国发明专利申请（CN109001723A）所解释的工作流程。
常规都是利用雷达同步收发信号，对接受的信号进行处理，进而分析出河面流速的多普勒信号，从而计算得出河面流速信息。
但是这种雷达流速仪在使用的过程中环境的影响会对测速结果产生很大的影响，在水面极为平静或者流速极低的情况下，水面对雷达信号就产生了类似镜面的反射，使得能反馈回来的掺杂水流信息的多普勒信号强度就会非常的弱，甚至都会弱于雷达本身的噪音，导致回波信息中的流速信息完全被雷达自身的噪音和环境噪音给掩盖，在这种情况下雷达流速仪就无法测量出水面的流速信息。
上述现状就导致了雷达流速仪在可检测信号比较弱的情况下无法正常工作。
发明内容
针对上述雷达流速仪的局限性，本发明的技术问题是提供一种雷达信号去噪方法及雷达信号去噪方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一方面，本申请提供一种互相关雷达流速仪：包括至少两套工作频率相同的雷达，两套雷达交替收发，雷达的交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率。
具体的，雷达均采用独立本振源。
另一方面，本申请还提供了一种雷达信号去噪方法，包括以下步骤：
S1：两个雷达交替对同一待测水面收发，获得各自信号Spe1和信号Spe2；
S2：对Spe1和Spe2进行分别FFT变换，获得频谱信号SF1和SF2；
S3：将SF1与SF2共轭相乘，获得一次互相关信号结果X；
S4：重复S1-S3获得信号结果集{X1；X2；X3……Xn};
S5：对信号结果集进行积累。
本申请中通过至少两个工作频率相同交替收发，同时交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率的雷达，获得相应的雷达信号，通过对雷达信号的多次积累互相关，极大的改善了信噪比。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明雷达***结构图；
图2是双雷达交替波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
如图1所示，一种互相关雷达流速仪：包括至少两套工作频率相同的雷达，两套雷达交替收发，雷达的交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率。
本申请使用了两套射频收发电路，工作在相同的工作评率上，收发天线指向同一测量区域。
为了保证两套收发电路互不影响，需要使两套收发电路交替工作，并且交替频率 的远大于河面流速产生的多普勒信号频率，可以认为两套收发电路获得了相同的流速信 号,而两套收发电路各自的噪声互不相关，对两套接收电路输出的信号进行互相关积累，积 累次数为N，可获得信噪比改善
Figure SMS_1
倍。
控制雷达工作的使能信号为G，其频率为Fg，控制使能的过程，可以认为是多普勒信号S和0或1相乘。占空比接近0.5。
对G信号进行级数展开：
Figure SMS_2
经过使能控制后，输出的信号为Sg,
Sg = S * G
因为使能信号的频率Fg远大于信号频率Fs，所以，以最大Fs为截止频率的低通滤波器，可以滤除所有频率为Fg及其谐波分量。
LPF(Sg) = 0.5 * S
以上说明，通过使用频率远大于信号频率的使能信号控制信号通路，信号幅度降低0.5倍，信号组成，没有变化，这就是为什么需要雷达的交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率
具体的，雷达均采用独立本振源。
两套收发电路使用的本振源L0为独立本振源，确保两本振源的相位噪声不相关。同时需要保证两本振源频率差小于一定值，才能保证各自输出的多普勒信号具有相关性。如果两组信号保持相位误差小于5°，可以认为良好相关。
实际操作中，假设雷达到水面的距离为R，F0为发射频率，c为光速，则对两本振源的相对误差k可以表示为：
Figure SMS_3
例如R = 10m，F0为24GHz，k = 5.75 x 10-5 , 这种精度的频率基准是可以实现，案例实施中，使用25MHz，1ppm精度TXCO。所以将信号相对误差控制在10-5这个范围内工业上很容易实现。
另一方面，本申请还提供了一种雷达信号去噪方法，包括以下步骤：
S1：两个雷达交替对同一待测水面收发，获得各自信号Spe1和信号Spe2；
S2：对Spe1和Spe2进行分别FFT变换，获得频谱信号SF1和SF2；
S3：将SF1与SF2共轭相乘，获得一次互相关信号结果X；
S4：重复S1-S3获得信号结果集{X1；X2；X3……Xn};
S5：对信号结果集进行积累。
信号Spe1为复信号，由实部I1和虚部Q1构成。同理Spe2由实部I2和虚部Q2构成.
两接收机输出的信号可以表示为：
Spe1 = S + N1 Spe2 = S + N2
S为共同的多普勒信号，因为两收发***使用分时工作和独立本振源，所以N1和N2为互不相关噪声。
互相关处理过程：
SF1 为Spe1经过FFT变换后的频谱信号，SF2 为Spe2经过FFT变换后的频谱信号.
SF1 = FFT(Spe1) SF2 = FFT(Spe2)
SF1和SF2共轭相乘
Figure SMS_4
获得一次互相关结果。
对N组互相关结果进行积累，可获得信噪比改善
Figure SMS_5
倍。
如图2所示，在实际使用的时候，两个雷达分别的工作时间稍短于静默时间，为此避免了雷达相互收到对方的回波，保证了测量的准确性。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述；需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容；因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.互相关雷达流速仪：其特征在于：包括至少两套工作频率相同的雷达，两套所述雷达交替收发，所述雷达的交替频率大于河面流速产生的多普勒信号频率。
2.根据权利要求1所述的互相关雷达流速仪，其特征在于：所述雷达均采用独立本振源。
3.雷达信号去噪方法，应用于如权利要求1-2任一所述的互相关雷达流速仪，其特征在于：包括以下步骤：
S1：两个雷达交替对同一待测水面收发，获得各自信号Spe1和信号Spe2；
S2：对Spe1和Spe2进行分别FFT变换，获得频谱信号SF1和SF2；
S3：将SF1与SF2共轭相乘，获得一次互相关信号结果X；
S4：重复S1-S3获得信号结果集{X1；X2；X3……Xn};
S5：对信号结果集进行积累。
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