CN105865567A - 一种水位探测系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种水位探测系统，系统包括探测机构和记录机构，所述探测机构固定在水面上方，包括采集与水面距离的调频雷达，所述调频雷达输出距离信号至信号处理单元，所述信号处理单元将处理信号输送至无线通信模块，所述无线通信模块输出探测信号至远端的记录机构。系统具有可靠性高、寿命长、不受周围环境影响和便于维护等优点。

Description

一种水位探测系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及水文探测技术领域，具体涉及一种基于雷达的河流水位探测系统及其控制方法。

背景技术

水纹信息探测工作对于防洪防汛有着重要的影响，目前，用于河流水位探测的技术普遍采用接触式的水位计进行探测，这类探测装置存在很多问题，如传感器容易损坏，寿命短，同时还需要定期检测传感器周围环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种使用可靠、寿命长、不受周围环境影响和便于维护河流水位探测系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种水位探测系统，系统包括探测机构和记录机构，所述探测机构固定在水面上方，包括采集与水面距离的调频雷达，所述调频雷达输出距离信号至信号处理单元，所述信号处理单元将处理信号输送至无线通信模块，所述无线通信模块输出探测信号至远端的记录机构。

所述记录机构包括存储水纹数据的服务器和/或显示水纹数据的显示器。

所述的探测机构包括报警装置，所述信号处理单元输出报警信号至报警装置。

所述的探测机构至少设有两个，并将信号输送至同一个记录机构。

所述的探测机构上设有固定在探测机构上的空气温度传感器、风力传感器、湿度传感器，以及通过导线悬置于水面下的水温传感器，所述的空气温度传感器、风力传感器、湿度传感器和水温传感器均输出探测信号至信号处理单元，所述信号处理单元经无线通信模块输出探测信号至远端的记录机构。

所述探测单元的雷达天线发射方向沿水流方向倾斜固定。

所述信号处理单元包括DSP信号处理器、连接DSP信号处理器与调频雷达的中频信号处理电路和DAC调频信号产生电路，连接DSP信号处理器的数据缓冲器、连接DSP信号处理器与报警装置的报警装置控制电路，以及连接DSP信号处理器与无线通信模块的UART串行通信接口。

所述调频雷达由信号处理单元的DAC调频信号产生电路通过SPI接口进行配置，所述DAC调频信号产生电路输出信号至PLL锁相环和OSC压控振荡器，所述PLL锁相环接收回波信号进行混频产生I或者Q中频信号，所述OSC压控振荡器产生高频信号并经过PA功率放大器放大后通过发射天线发出，接收天线接收回波信号通过LNA低噪放滤波放大后进入混频器与发射端高频信号进行混频得到中频信号I,Q。

一种基于所述水位探测系统的控制方法，其特征在于：

步骤1、系统上电，初始化；

步骤2、是否有中断服务程序，若有则中断程序，若无则系统故障自检，若有问题则报警，若无问题则执行下一步；

步骤3、调频雷达实时采集水位信息，对采集的雷达中频信号进行滤波处理得到滤波后的中频信号，然后执行雷达算法含FFT变换，恒虚警检测算法、测距算法等得到水平面和雷达之间的垂直距离，多次累加取平均值，得到水位高度；

步骤4、通过无线通信模块发出距离信息，返回步骤2.

记录机构将设定时间段内每个探测机构所采集的水温、风速、空气温度、空气湿度、水温、河水流速数据求平均值、并存储。

本发明的优点在于：

1)本发明采用非接触式的雷达对水位进行探测，不受温度、湿度、大气压力、风向和光线环境因素影响，使用寿命长，可靠性高；

2)低精度的DAC加上滤波放大电路取代高精度的DAC和PLL锁相环等方案实现高线性度的调频信号。DAC的控制由DSP以及内置的多通道串行通信接口配合DMA进行控制，不需要额外增加DAC所需的MCU；

3)模数转换器使用DSP内置的ADC，不需要额外增加ADC；

4)采用传统的DSP系统SRAM配合DSP内部的DMA控制模块取代目前大部分系统采用的使用FPGA或者双口RAM实现的FIFO缓冲器。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为水位探测系统总体结构框图；

图2为水位探测系统信号处理单元组成和工作原理框图；

图3为水位探测系统中调频雷达结构和工作原理框图；

图4为水位探测系统的控制方法流程示意图；

图中标记为：1、信号处理单元；2、调频雷达；3、报警装置；4、无线通信模块；11、信号处理器；12、中频信号处理电路；13、DAC调频信号产生电路；14、数据缓冲器；15、报警装置控制电路；16、UART串行通信接口；21、内置发射天线；22、接收天线；23、OSC压控振荡器；24、PA功率放大器；25、混频器；26、PLL锁相环；27、LNA低噪放。

具体实施方式

随着雷达技术的发展，越来越多的应用于各种探测领域，本申请而采用雷达技术则可以实现非接触式水位测量，通过调频雷达2的测距功能可以实现雷达和待测水面的相对距离，实时获取河流水位信息，用于防汛、防灾等，可以避免由于水患造成的生命财产损失。

系统采用调频雷达2测量与河流水面的相对距离，雷达天线和水平面保持平行。通过对水平面反射回波进行分析计算，得到雷达平面与水平面之间的距离。调频信号由DSP通过多通道高速串行通信接口控制DAC数模转换器，并结合低噪放和可调电位器产生满足一定幅值的三角波信号。返回的中频信号经过带通交流滤波放大电路处理后，由DSP内置的ADC进行模数转换，并通过DSP内置的DMA将转换后的数字信号缓冲到数据缓冲器14中，由目标检测算法进行处理。

具体来说，水位探测系统包括探测机构和记录机构，探测机构固定在水面上方用于采集水纹信息，记录机构用接收探测机构的水纹信息，方便在室内上实时了解到水纹信息，探测机构可以设置多个，可以在不同区域分布采集水纹信息，并统一输送到同一个记录机构，从而能够获得更加精准可靠的数据。

如图1所示，探测机构包括信号处理单元1、调频雷达2、报警装置3和无线通信模块4。信号处理单元1为用于信号处理，除了包括DSP信号处理器5及其最小系统外，还包括中频信号处理电路12、DAC调频信号产生电路13、数据缓冲器14、报警装置控制电路15和UART串行通信接口16，其组成以及系统工作原理见图2所示。

中频信号处理电路12对雷达前端返回的I、Q两路中频信号，经过低噪放运算放大器进行滤波放大处理，然后经过RC滤波器处理，进入DSP内部的ADC模块，转换后的数字信号经过DMA传输到数据缓冲器14中。毫米波雷达算法对保存在数据缓冲器14中的数据进行处理，得到雷达平面和水平面之间的相对垂直距离信息。

DAC调频信号产生电路13用于周期产生三角调频信号，DAC调频信号产生电路13由DSP通过内置的MCBSPB多通道缓冲串行通信接口进行配置，并控制DAC调频信号产生电路13产生三角波调制波形，并经过滤波放大处理得到高线性度的调频信号作用于雷达前端产生射频调频信号。

调频雷达2用于探测与水平面的相对距离，调频雷达2如图3所示，内置发射天线21、接收天线22、OSC压控振荡器23、PA功率放大器24、混频器25、PLL锁相环26和LNA低噪放27。PLL锁相环26用于产生高频信号。三角波调制信号，施加到OSC压控振荡器产生高频信号并经过功率放大器放大后通过发射天线发出。接收天线22接收回波信号通过LNA低噪放27滤波放大后进入混频器25与发射端高频信号进行混频得到中频信号I,Q,雷达前端模块由DSP通过SPI接口进行配置，由DAC产生的V_{tune fine}信号，完成调谐曲线校准。

首先通过En ref使能信号屏蔽前端模块内部的LNA低噪放27，切断接收天线22回路，而通过内置的PLL锁相环26产生的信号作为接收回波信号进行混频产生I或者Q中频信号。通过V_{tune fine}配合SPI接口可以确定调频范围和对应的调频波形电压范围即确定调谐曲线。

调频雷达2优选采用窄角度天线，增大信号强度，增加系统的探测距离。此外，探测单元的雷达天线发射方向可沿水流方向倾斜固定，即将雷达平面和水平面呈一定夹角，则能够对水流流速测量，达到测量水流速度的目的。针对水平面水位探测，雷达前端天线角度小，探测距离远。

报警装置3用于当系统出现故障时，进行视觉和声觉报警，方便工作人员找出水位超常或者设备异常的地点，无线通信模块4用于和记录机构进行通信，输出水位高度信息以及报警信息。记录机构包括存储水纹数据的服务器和/或显示水纹数据的显示器，能够实时记录和显示水纹状态，方便工作人员进行实时监控。

此外，为了方便探测更加具体详细的信息，探测机构上设有固定在探测机构上的空气温度传感器、风力传感器、湿度传感器，以及通过导线悬置于水面下的水温传感器，这样不能能够探测水位、流速信息，还能够同时探测到空气温度、空气湿度、风速、水温等信息，空气温度传感器、风力传感器、湿度传感器和水温传感器均输出探测信号至信号处理单元1，信号处理单元1经无线通信模块4输出探测信号至远端的记录机构，方便工作人员进行实时监控。

基于上述水位探测系统的控制方法如图4所示，

步骤1、系统上电运行后系统初始化，包含ADC模数转换初始化、DMA使能以及中断开启，用于DAC配置的MCBSPB多通道缓冲串行通信接口的初始化和DMA使能以及中断开启，使得在DMA机制下不占用CPU指令周期的情况下完成ADC数据信号由缓冲区到SRAM的周期传输以及SRAM中存储的用于DAC配置数据到MCBSPB多通道缓冲区的周期传输以及3G/4G通信模块的初始化；

步骤2、系统进行自检，如果系统出现故障，则通过报警装置3进行报警，同时通过无线通信模块4将故障信息发送给记录机构。重复步骤2；否则执行步骤3；

步骤3、如果没有故障，则对采集的雷达中频信号进行滤波处理得到滤波后的中频信号，然后执行雷达算法含FFT变换，恒虚警检测算法、测距算法等得到水平面和雷达之间的垂直距离，多次累加取平均值，得到水位高度，并通过3G/4G通信模块实时发送到记录机构，返回执行步骤2。

在程序运行过程中随时可能进入中断服务程序，进行相关处理。记录机构将设定时间段内每个探测机构所采集的水温、风速、空气温度、空气湿度、水温、河水流速数据求平均值、并存储，设定时间可以是半小时，则一天可以得到48个数据点，这些数据点又是多点均值，则能够更加精准、全面的获得采集区域的数据信息。

上述系统将探测数据通过无线通信模块4发送给上记录机构，探测机构和记录机构均具有视觉和声觉报警装置3，当系统出现故障时，可以通过BUZZER和LED进行报警，由于探测机构悬于水面上方，不受温度、湿度、大气压力、风向和光线等环境因素影响，使用更加可靠。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水位探测系统，其特征在于：系统包括探测机构和记录机构，所述探测机构固定在水面上方，包括采集与水面距离的调频雷达，所述调频雷达输出距离信号至信号处理单元，所述信号处理单元将处理信号输送至无线通信模块，所述无线通信模块输出探测信号至远端的记录机构。

2.根据权利要求1所述的水位探测系统，其特征在于：所述记录机构包括存储水纹数据的服务器和/或显示水纹数据的显示器。

3.根据权利要求1或2所述的水位探测系统，其特征在于：所述的探测机构包括报警装置，所述信号处理单元输出报警信号至报警装置。

4.根据权利要求3所述的水位探测系统，其特征在于：所述的探测机构至少设有两个，并将信号输送至同一个记录机构。

5.根据权利要求1或4所述的水位探测系统，其特征在于：所述的探测机构上设有固定在探测机构上的空气温度传感器、风力传感器、湿度传感器，以及通过导线悬置于水面下的水温传感器，所述的空气温度传感器、风力传感器、湿度传感器和水温传感器均输出探测信号至信号处理单元，所述信号处理单元经无线通信模块输出探测信号至远端的记录机构。

6.根据权利要求5所述的水位探测系统，其特征在于：所述探测单元的雷达天线发射方向沿水流方向倾斜固定。

7.根据权利要求3所述的水位探测系统，其特征在于：所述信号处理单元包括DSP信号处理器、连接DSP信号处理器与调频雷达的中频信号处理电路和DAC调频信号产生电路，连接DSP信号处理器的数据缓冲器、连接DSP信号处理器与报警装置的报警装置控制电路，以及连接DSP信号处理器与无线通信模块的UART串行通信接口。

8.根据权利要求7所述的水位探测系统，其特征在于：所述调频雷达由信 号处理单元的DAC调频信号产生电路通过SPI接口进行配置，所述DAC调频信号产生电路输出信号至PLL锁相环和OSC压控振荡器，所述PLL锁相环接收回波信号进行混频产生I或者Q中频信号，所述OSC压控振荡器产生高频信号并经过PA功率放大器放大后通过发射天线发出，接收天线接收回波信号通过LNA低噪放滤波放大后进入混频器与发射端高频信号进行混频得到中频信号I,Q。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述水位探测系统的控制方法，其特征在于：

步骤1、系统上电，初始化；

步骤2、是否有中断服务程序，若有则中断程序，若无则系统故障自检，若有问题则报警，若无问题则执行下一步；

步骤3、调频雷达实时采集水位信息，对采集的雷达中频信号进行滤波处理得到滤波后的中频信号，然后执行雷达算法含FFT变换，恒虚警检测算法、测距算法等得到水平面和雷达之间的垂直距离，多次累加取平均值，得到水位高度；

步骤4、通过无线通信模块发出距离信息，返回步骤2。

10.根据权利要求9所述的水位探测系统的控制方法，其特征在于：记录机构将设定时间段内每个探测机构所采集的水温、风速、空气温度、空气湿度、水温、河水流速数据求平均值、并存储。