CN104007286A - 一种用于河道表面流速的自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于河道表面流速的自动监测系统，包括多个雷达终端以及一河道表面流速监测平台。每个雷达终端将所采集到的表面流速数据通过互联网传送至河道表面流速监测平台，并且河道表面流速监测平台将参数设置命令通过互联网下发至多个雷达终端中的每个雷达终端。相比于现有技术，本发明的河道表面流速监测系统可仅根据雷达终端所发射的雷达波以及所接收的波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速数据，鉴于该系统以非接触方式测量水流表面流速，不受液面条件的影响，因而可在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均能进行精准测量。

Description

一种用于河道表面流速的自动监测系统

技术领域

本发明涉及一种水、泥浆等液体表面流速测量领域，尤其涉及一种用于河道表面流速的自动监测系统。

背景技术

现有的河道流速测量装置主要包括旋桨式、旋杯式机械流速仪或声学多普勒流速剖面仪(包括走航式和旁测式)进行测量。例如，将测量装置装载在小船上，通过小船在河道上的航行来测量河道中的河水流速。又如，通过人造示踪物在河道上的漂流状态来测量河水流速，上述两种测量方式对于平静的水面或具有平坦岸边的水面来说，测量效果较好。而对于水流湍急或在悬崖峭壁中穿行的水面来说，均无法使用上述两种测量方式来测量河道表面的流速。

此外，上述测量方式均为接触式测量。对于污水、泥浆等含有腐蚀性成分或者杂质的液体表面流速测量，以及洪水、特大洪水尤其是洪峰的测量，接触式测量会受到诸多限制。再者，接触式测量方式需要的人员多、测量周期长、测量精度低，尤其是山洪测量中的人身安全也将遭受威胁，于水文测量现代化的发展十分不协调。有鉴于此，如何设计一种河道表面流速的自动化测量方案，以有效改善或消除上述缺陷，是当前亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术的河道表面流速测量所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新颖的非接触测量方式的用于河道表面流速的自动监测系统。

依据本发明的一个方面，提供了一种用于河道表面流速的自动监测系统，包括多个雷达终端以及一河道表面流速监测平台，

其中，每个雷达终端将所采集到的表面流速通过互联网(Internet)传送至所述河道表面流速监测平台，并且所述河道表面流速监测平台将参数设置命令通过互联网下发至所述多个雷达终端中的每个雷达终端，所述表面流速v满足数学关系式：

$v=\frac{c\×f_d}{2f\×\cos \mathrm{\θ}}$

其中，c为雷达波在空气中的传播速度，f_d为河道液面的波浪所接收的第一雷达波f与所反射的第二雷达波f′之间的多普勒频差(f_d＝|f-f′|)，θ为所述雷达终端向河道液面发射的第一雷达波f入射水面的角度。

在其中的一实施例，所述雷达终端包括一雷达模块、一通讯模块和一电源模块，其中所述雷达模块用于向河道液面发送所述第一雷达波，并接收来自所述河道液面反射的第二雷达波，并根据所述第一雷达波、第二雷达波以及第一雷达波入射水面的角度计算所述表面流速。所述通讯模块连接至所述雷达模块，用于将所述表面流速通过互联网传送至所述河道表面流速监测平台。所述电源模块用于向所述雷达模块和所述通讯模块提供工作电压。

在其中的一实施例，所述雷达模块包括天线、收发机和信号处理模块，所述天线和所述收发机用于发送所述第一雷达波并接收所述第二雷达波，并产生一差拍中频信号，所述信号处理模块接收所述差拍中频信号并进行放大采样，计算得出所述表面流速。

在其中的一实施例，所述通讯模块为GPRS无线模块、Wi-Fi无线模块或Zigbee无线模块。

在其中的一实施例，所述电源模块为锂电池组、太阳能蓄电池或交流/直流变换器。

在其中的一实施例，所述雷达模块还包括具有防水功能的天线罩，所述天线、收发机和信号处理模块依次安设于所述天线罩的后方，所述天线罩与所述壳体采用卡口式连接。

在其中的一实施例，所述天线、收发机设置于一电路板，所述信号处理模块设置于另一电路板，这两块电路板通过铝合金板与雷达模块的壳体相连接。

在其中的一实施例，所述天线设置为平面微带天线形式，包括9×12阵列的发射天线以及9×12阵列的接收天线。

在其中的一实施例，所述信号处理模块包括加速度传感器芯片，用于采集所述雷达终端向河道液面发射的第一雷达波入射水面的倾斜角度。

在其中的一实施例，所述信号处理模块通过下列操作判断河道表面的流速及流动方向：对I路信号进行快速傅里叶变换(FFT)；计算FFT频谱的最大值；计算信噪比SNR(Signal Noise Ratio)，当所述信噪比高于预设阈值时，对Q路信号进行快速傅里叶变换；根据I路信号的FFT频谱最大值和Q路信号的FFT频谱最大值，计算相位差，以判断河道液面的流动方向；读取第一雷达波入射水面的倾斜角度，根据最大频率值计算所述表面流速。

采用本发明的用于河道表面流速的自动监测系统，其包括多个雷达终端以及一河道表面流速监测平台，由雷达终端将所采集到的表面流速通过互联网传送至河道表面流速监测平台，并且监测平台将参数设置命令通过互联网下发至多个雷达终端中的每个雷达终端。相比于现有技术，本发明的河道表面流速监测系统可仅根据雷达终端所发射的雷达波以及所接收的波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速，鉴于该系统以非接触方式测量水流表面流速，不受液面条件的影响，因而可在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均能进行精准测量。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出依据本发明的一实施方式，用于河道表面流速的自动监测系统的结构组成示意图；

图2示出图1的自动监测系统的雷达终端的一具体实施例；

图3为图2的雷达终端利用雷达波计算表面流速的原理图；

图4示出图2的雷达终端的示意性硬件电路组成框图；以及

图5示出图2的雷达模块的信号处理模块的处理流程框图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出依据本发明的一实施方式，用于河道表面流速的自动监测系统的结构组成示意图。

参照图1，本发明的河道表面流速自动监测系统包括多个雷达终端12以及一河道表面流速监测平台10。其中，每个雷达终端12将所采集到的表面流速通过互联网(Internet)传送至河道表面流速监测平台10。并且，河道表面流速监测平台10将参数设置命令12通过互联网下发至多个雷达终端中的每个雷达终端12。例如，河道因地理条件或其它因素可划分为不同的河段，每个河段对应单个的雷达终端，如此一来，不同的雷达终端所采集的表面流速也是不同的。相比于现有技术，本发明可仅根据雷达终端所发射的雷达波以及所接收的波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速，鉴于该系统以非接触方式测量水流表面流速，不受液面条件的影响，因而可在高速水流、浑水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均能进行精准测量。

图2示出图1的自动监测系统的雷达终端的一具体实施例。图3为图2的雷达终端利用雷达波计算表面流速的原理示意图。图4示出图2的雷达终端的示意性硬件电路组成框图。图5示出图2的雷达模块的信号处理模块的处理流程框图。

参照图3，c为雷达波在空气中的传播速度，f_d为河道液面的波浪所接收的第一雷达波(图3以f标识)与所反射的第二雷达波(图3以f’标识)之间的多普勒频差f_d＝|f-f′|，f为雷达终端向河道液面发射的第一雷达波(例如24GHz)，θ为雷达终端向河道液面发射的第一雷达波f入射水面的角度。则表面流速v满足数学关系式：

$v=\frac{c\×f_d}{2f\×\cos \mathrm{\θ}}$

为了计算该表面流速，在图2的示意性实施例中，上述雷达终端12包括一雷达模块122、一通讯模块124和一电源模块126。其中，雷达模块122用于向河道液面发送第一雷达波f，并接收来自河道液面反射的第二雷达波f’，并根据第一雷达波f、第二雷达波f’以及第一雷达波入射水面的角度θ计算表面流速V。

通讯模块124连接至雷达模块122，用于将表面流速通过其内部的无线通讯模块和外部的互联网传送至河道表面流速监测平台10。例如，通讯模块可为GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务)无线模块、Wi-Fi无线模块或Zigbee无线模块。电源模块126用于向雷达模块122和通讯模块124提供工作电压。例如，电源模块126为直流电源，其可为锂电池组、太阳能蓄电池或交流/直流变换器。

在一具体实施例，雷达模块122包括天线、收发机和信号处理模块，如图2所示。其中，天线和收发机用于发送第一雷达波f并接收第二雷达波f’，并产生一差拍中频信号。信号处理模块接收该差拍中频信号并进行放大采样，计算得出表面流速。较佳地，信号处理模块包括加速度传感器芯片，用于采集雷达终端122向河道液面发射的第一雷达波f入射水面的倾斜角度。

例如，发射天线和接收天线采用平面微带天线形式，在衬底上涂覆一个9×12的阵列作为发射天线，另一个9×12的阵列作为接收天线。雷达模块122还包括具有防水功能的天线罩。天线、收发机和信号处理模块依次安设于天线罩的后方，天线罩与壳体采用卡口式连接。此外，该雷达模块由两块电路板组成，其中的一块是天线及收发机板，另一块是信号处理板，这两块电路板通过铝合金板与雷达模块的壳体相连接。天线及收发机板的背面是集成在PCB板上的K波段发射机和接收机(虚线框内)。

如图4所示，24GHz介质振荡器为收发机的频率源，用于产生24GHZ频率的振荡波。功放及低噪放为K波段P-HEMT高电子迁移率场效应管，作用是对微弱射频信号进行放大。混频器为K波段肖特基混频二极管，作用是对发射信号和接收信号进行混频从而得到低频的差频信号，然后此差频信号通过接口送到信号处理模块。信号处理模块对此信号进行放大、采样，计算频率及流速，并将结果通过通信接口输出。信号处理板中的信号采样、频率计算、通信接口由ARM芯片实现，雷达波与水面倾斜角由加速度传感器芯片实现。

在一具体实施例中，信号处理模块通过下列操作判断河道表面的流速及流动方向。首先，对I路信号进行快速傅里叶变换(FFT)，然后计算FFT频谱的最大值和计算信噪比SNR(Signal NoiseRatio)。判断信噪比是否大于预设阈值，若小于预设阈值则无结果输出；若大于预设阈值时，对Q路信号进行快速傅里叶变换。

接着，根据I路信号的FFT频谱最大值和Q路信号的FFT频谱最大值，计算相位差以判断河道液面的流动方向。然后读取第一雷达波入射水面的倾斜角度，根据最大频率值计算表面流速。

采用本发明的用于河道表面流速的自动监测系统，其包括多个雷达终端以及一河道表面流速监测平台，由雷达终端将所采集到的表面流速数据通过互联网传送至河道表面流速监测平台，并且监测平台将参数设置命令通过互联网下发至多个雷达终端中的每个雷达终端。相比于现有技术，本发明的河道表面流速监测系统可仅根据雷达终端所发射的雷达波以及所接收的波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速数据，鉴于该系统以非接触方式测量水流表面流速，不受液面条件的影响，因而可在高速水流、浑水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均能进行精准测量。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于河道表面流速的自动监测系统，其特征在于，该自动监测系统包括多个雷达终端以及一河道表面流速监测平台，

其中，每个雷达终端将所采集到的表面流速通过互联网(Internet)传送至所述河道表面流速监测平台，并且所述河道表面流速监测平台将参数设置命令通过互联网下发至所述多个雷达终端中的每个雷达终端，所述表面流速v满足数学关系式：

$v=\frac{c\×f_d}{2f\×\cos \mathrm{\θ}}$

其中，c为雷达波在空气中的传播速度，f_d为河道液面的波浪所接收的第一雷达波f与所反射的第二雷达波f′之间的多普勒频差(f_d＝|f-f′|)，θ为所述雷达终端向河道液面发射的所述第一雷达波f入射水面的角度。

2.根据权利要求1所述的自动监测系统，其特征在于，所述雷达终端包括一雷达模块、一通讯模块和一电源模块，

其中，所述雷达模块用于向河道液面发送所述第一雷达波，并接收来自所述河道液面反射的第二雷达波，并根据所述第一雷达波、第二雷达波以及第一雷达波入射水面的角度计算所述表面流速；

其中，所述通讯模块连接至所述雷达模块，用于将所述表面流速通过互联网传送至所述河道表面流速监测平台，所述电源模块用于向所述雷达模块和所述通讯模块提供工作电压。

3.根据权利要求2所述的自动监测系统，其特征在于，所述雷达模块包括天线、收发机和信号处理模块，

所述天线和所述收发机用于发送所述第一雷达波并接收所述第二雷达波，并产生一差拍中频信号，所述信号处理模块接收所述差拍中频信号并进行放大采样，计算得出所述表面流速。

4.根据权利要求2所述的自动监测系统，其特征在于，所述通讯模块为GPRS无线模块、Wi-Fi无线模块或Zigbee无线模块。

5.根据权利要求2所述的自动监测系统，其特征在于，所述电源模块为锂电池组、太阳能蓄电池或交流/直流变换器。

6.根据权利要求3所述的自动监测系统，其特征在于，所述雷达模块还包括具有防水功能的天线罩，所述天线、收发机和信号处理模块依次安设于所述天线罩的后方，所述天线罩与所述壳体采用卡口式连接。

7.根据权利要求6所述的自动监测系统，其特征在于，所述天线、收发机设置于一电路板，所述信号处理模块设置于另一电路板，这两块电路板通过铝合金板与雷达模块的壳体相连接。

8.根据权利要求3所述的自动监测系统，其特征在于，所述天线设置为平面微带天线形式，包括9×12阵列的发射天线以及9×12阵列的接收天线。

9.根据权利要求3所述的自动监测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括加速度传感器芯片，用于采集所述雷达终端向河道液面发射的第一雷达波入射水面的倾斜角度。

10.根据权利要求3所述的自动监测系统，其特征在于，所述信号处理模块通过下列操作判断河道表面的流速及流动方向：

对I路信号进行快速傅里叶变换(FFT)；

计算FFT频谱的最大值；

计算信噪比SNR(Signal Noise Ratio)，当所述信噪比高于预设阈值时，对Q路信号进行快速傅里叶变换；

根据I路信号的FFT频谱最大值和Q路信号的FFT频谱最大值，计算相位差，以判断河道液面的流动方向；

读取第一雷达波入射水面的倾斜角度，根据最大频率值计算所述表面流速。