CN102565452B - 一种新型微波雷达超薄水流测定传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，包括信号发射端、信号接收端和微处理MCU，信号发射端的发射信号经目标水面反射后，产生的回波信号被信号接收端接收，信号接收端对接收的回波信号和发射信号进行混频处理，得到频率为回波信号和发射信号频率之差的差频信号，微处理MCU对差频信号的频率进行采样，根据差频信号频率与目标水面水速的对应关系测定流速。根据微波多普勒效应，本发明的微波传感器信号接收端对回波信号和发射信号进行混频处理得到差频信号，通过频率采样，测得当前水速。本发明不仅实用，而且测量精确，适用于无压超薄水头和非均匀慢速流动的地表径流水速测定领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是一种新型微波雷达超薄水流测定传感器。
背景技术
土壤侵蚀对人类生产、生活会造成很大的危害，主要表现在如破坏土壤肥力、加剧沟壑发展、水土流失、水库淤积、河道阻塞、河床抬高。而在土壤侵蚀过程中，水流是产生土壤侵蚀和泥沙运动的主导者，因此水流速度的研究是定量分析土壤侵蚀和径流挟沙能力的基础因素之一。对于薄层水流流速测量，当超低水头的径流流速缓慢且微小时，传统的传感器就会因所产生的受水作用力相应较小，甚至无受水作用力，而无法进行测量。
现有技术提供了一种依靠电解质脉冲进行测量的方法，原理为应用电解质溶液在待测径流中电导率的变化，测定出含有该电解质的水流流经测量仪表设置点的时间，通过将该电解质溶液投放点到测量仪表设置点之间长度除以上述记录的两个时间之差，从而求得该段地表薄层径流的流速。具体实现则是由电解质控制系统定时释放一定量的电解质溶液，然后监测测试点的电导率的变化，如果电导率变化很大，那么系统就可以监测出变化的时间，通过运算，从而求得水流的速度。但该方法还处于实验室研究阶段，并未能在实际应用领域中得到推广。而且，经过验证，采用上述电解质脉冲法进行测量，在实际应用中存在一定弊端：其一是由于地面是不是规则的，水流的流向并不是固定不变的，而且长时间地面会容易发生变化，这就造成传感器的布置非常困然；其二是该测量方法受到外界的干扰也会非常大，比如水中如果含有微量的电解质，就会造成测量结果错误；其三是该方法由于需要不断释放电解质，这样就需要定期给设备添加原材料，从而带来人力浪费，增加成本。
发明内容
本发明的目的是根据微波多普勒效应，提供一种可对无压超薄水头、非均匀慢速流动的地表径流水流速度进行快速而精确测量的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器。
为实现该目的，本发明一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，包括信号发射端、信号接收端和微处理MCU，信号发射端的发射信号经目标水面反射后，产生的回波信号被信号接收端接收，信号接收端对接收的回波信号和发射信号进行混频处理，得到频率为回波信号和发射信号频率之差的差频信号，微处理MCU对差频信号的频率进行采样；
微处理MCU将采好样的差频信号频率送入一数据终端，根据差频信号频率与目标水面水速的对应关系测定流速。
进一步，数据终端是PC,PC在接收到差频信号频率后，根据差频信号频率与目标水面水速的对应数据信息，通过数据调用，得出所测目标水面的流速。
进一步，经过混频处理得到的差频信号，经过一频率跟踪器进行去噪处理。
进一步，所述差频信号在经过一运算放大器进行放大后再送入微处理MCU进行频率采样。
进一步，发射端通过锁相环回路产生一个10.2Hz固定频率的发射信号。
进一步，信号发射端和信号接收端均通过采用微带天线做成的发射天线和接收天线进行信号的发收。
进一步，微处理MCU与PC通过RS-232协议进行串口通信。
进一步，微处理MCU中使用11.0592M晶振。
本发明的有益效果是：本发明一种新型微波雷达超薄水流测定传感器包括信号发射端、信号接收端和微处理MCU，信号接收端对接收的回波信号和发射端的发射信号进行混频处理，得到频率为回波信号和发射信号频率之差的差频信号，微处理MCU对差频信号的频率进行采样后，根据微波多普勒效应测定流速。应用本发明不仅可对无压超薄水头、非均匀慢速流动的地表径流水流速度进行快速而精确测量，而且操作便捷，受外界干扰小，无需添加任何原材料，节约成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是水流速度与差频信号频率的实验关系图；
图2是实施例一提供的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器的结构示意图；
图3是频率跟踪器进行信号处理的结构示意图；
图4是实施例二提供的信号发射端电路原理图；
图5是实施例二提供的信号接收端电路原理图；
图6是实施例二提供的微处理器MCU图。
具体实施方式
微波多普勒效应，是指波源与接收机之间相对运动时，接收器接收到波源频率会发生变化的现象。波源频率与接收到的波源频率之差称为多普勒频率。以连续波作为波源，发射微波信号，接收由活动目标反射回来的回波信号，如已知波源频率，测量出多普勒频率就可以计算出目标的运动速度。
参照图1，水流速度与差频信号频率的实验关系图。由图中可看出，除了存在极个别的偏差较大的现象外，水流速度与差频信号频率基本是成线性关系。而这也正是本发明一种新型微波雷达超薄水流测定传感器的作用原理基础。
参照图2，实施例一提供的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器的结构示意图，该传感器包括信号发射端、信号接收端和微处理MCU，信号发射端的发射信号经目标水面反射后，产生的回波信号被信号接收端接收，信号接收端对接收的回波信号和发射信号进行混频处理，得到频率为回波信号和发射信号频率之差的差频信号，微处理器MCU对差频信号的频率进行采样，采好样的差频信号频率送入一数据终端。
该数据终端可以是集成在该传感器上的功能模块、外设的PC机等，用于根据存储的差频信号频率与对应水速的数据信息，在接收到差频信号频率后，通过数据调用，得出所测目标水面的流速。
在实际使用测量时，由于接收端接收到的回波信号会包含有多种噪声，如暗电流散粒噪声、背景光噪声和热噪声等，同时，还由于受到各方面的影响，如散粒受布朗运动的影响，散粒通过检测区域所需要的过渡时间，多粒子进入探测区域的相位不同等原因使得接收到的回波信号带宽会变宽。因此，为了减少回波信号的噪声和带宽，并能够从带有噪声的信号中取出有用的信号，从而保证差频信号的可靠性，可对信号采用频率跟踪器进行处理：
参照图3，RX端的回波信号在经过前级放大器放大后和TX端的发射信号经过混频器混频后得到差频信号，然后经过一个带通滤波器，消除噪声。为了控制差频信号幅度的脉动，通过一个限幅器对信号幅度进行限制，然后再经过鉴频器产生一个正比于差频信号频率的直流信号，通过积分器转换为电压信号。在对该电压信号经过放大器进行电压放大后，再来控制压控振荡器，从而形成一个信号处理回路，保证了处理后输出的差频信号的可靠性。
参照图4，实施例二提供的信号发射端电路原理图。
实施例中的N2是一个射频压控振荡器，作用是通过一个固定的电压差产生10.2Hz的信号频率。考虑到传感器作用的测量距离很短，以及避免信号发射端对临近设备的干扰，因此发射信号不需要太大的功率。发射信号在经过放大器D6后，信号的强度大概为14dbm。放大后的信号在经过一个四阶的低通滤波器进行输出功率的匹配调节后，经由发射天线E1向目标水面发出。
参照图5，实施例二提供的信号接收端电路原理图。
回波信号被天线A1接收后，经过射频滤波器FL1过滤掉外界信号后，通过一个分压式偏置电路进行射频放大。放大完成后再经过滤波器FL2滤除掉放大后的噪声。滤噪后的回波信号与从TX端进入的发射信号进行混频处理，将混频后得到的频率为回波信号和发射信号频率之差的差频信号送入中频放大电路进行放大处理，处理完后的差频信号由FRE端送入微处理器MCU。
参照图6，实施例二提供的微处理器MCU图。
微处理MCU通过管脚P1.3对输入的差频信号进行频率采样。由于在本实施例中，差频信号频率最大值一般为1MHz。因此，差频微处理器MCU使用11.0592M晶振，保证采样的最高频率为1MHz。
在本实施例中，微处理MCU通过RS-232协议与PC进行串口通信，将采样频率传输给PC。PC通过调用差值信号频率与水流对应关系数据表，得出水速值，从而实现对当前水速的测量。信号发射端和信号接收端均通过采用微带天线做成的发射天线和接收天线进行信号的发收，不仅安装方便，而且节约成本。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，包括信号发射端、信号接收端和微处理MCU，所述信号发射端的发射信号经目标水面反射后，产生的回波信号被信号接收端接收，其特征在于：所述信号接收端对接收的回波信号和发射信号进行混频处理，得到频率为回波信号和发射信号频率之差的差频信号，所述微处理MCU对差频信号的频率进行采样；
所述经过混频处理得到的差频信号，经过一频率跟踪器进行去噪处理；
所述微处理MCU将采好样的差频信号频率送入一数据终端，根据差频信号频率与目标水面水速的对应关系测定流速；
所述信号发射端包括射频压控振荡器（N2），所述射频压控振荡器（N2）的输出端依次连接有第一放大器（D6）、四阶的低通滤波器及发射天线（E1）；
所述信号接收端包括接收天线（A1），所述接收天线（A1）的输出端依次连接有第一射频滤波器（FL1）、分压式偏置电路、第二射频滤波器（FL2）、混频器及中频放大电路；
所述频率跟踪器包括带通滤波器，所述带通滤波器的输出端依次连接有限幅器、鉴频器、积分器、第二放大器以及压控振荡器；
所述频率跟踪器进行去噪处理的流程为：信号接收端的回波信号在经过放大后和信号发射端的发射信号经过混频器混频后得到差频信号，然后经过一个带通滤波器，消除噪声，为了控制差频信号幅度的脉动，通过一个限幅器对信号幅度进行限制，然后再经过鉴频器产生一个正比于差频信号频率的直流信号，通过积分器转换为电压信号，在对该电压信号经过第二放大器进行电压放大后，再来控制压控振荡器。
2.根据权利要求1所述的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，其特征在于：所述数据终端是PC,PC在接收到差频信号频率后，根据差频信号频率与目标水面水速的对应数据信息，通过数据调用，得出所测目标水面的流速。
3.根据权利要求1所述的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，其特征在于：所述信号发射端和信号接收端均通过采用微带天线做成的发射天线和接收天线进行信号的发收。
4.根据权利要求2所述的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，其特征在于：所述微处理MCU与PC通过RS-232协议进行串口通信。
5.根据权利要求1所述的一种新型微波雷达超薄水流测定传感器，其特征在于：所述微处理MCU中使用11.0592M晶振。
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