CN106441504A - 一种线性调频连续波雷达水位遥测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性调频连续波雷达水位遥测装置及方法，该装置包括雷达收发、雷达信号筛选放大电路和微控制器；雷达收发器包括锁相环、发射天线、第一混频器和接收天线；锁相环输出端连接发射天线，通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号；所述第一混频器的两个输入端分别连接锁相环输出端和接收天线，通过接收天线接收回波信号；所述第一混频器的输出端连接雷达信号筛选放大电路的输入端，雷达信号筛选放大电路的输出端连接微控制器的ADC采样端，通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的信号进行采样处理。本发明能够有效克服温度漂移的影响，保证雷达收发器发射频率的线性度，有效提高雷达水位计的测量精度。

Description

一种线性调频连续波雷达水位遥测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种雷达式水位测量装置，特别涉及一种线性调频连续波雷达水位遥测装置及方法。

背景技术

随着水文监测技术的发展与进步，非接触式的水位测量方式以其快捷、安全、精度高、适用范围广等优点得到了广泛关注。雷达水位测量设备采用非接触式的水位测量方式，无需另立静水井，不受水中杂物的影响，测量精度高，可应用于漂浮物多、含沙量大、水质条件不佳的平水测验、洪水监测、高洪抢测、危险水情测量等特殊工作，它在以防汛为主要目的测量中发挥了极大的作用，并且保证了测量人员的安全，因此，我国新建的水文监测站点大多采用雷达式水位测量设备进行水位测量。

目前应用较多的是基于线性调频连续波(LFMCW)方式的雷达，该调制方式要求在时域上雷达发射频率呈线性递增或递减，如图1所示，其中实线为雷达收发器的发射信号，虚线为雷达收发器接收的回波信号。然而，雷达收发器中的核心部件压控振荡器(VCO)本身存在一定的非线性，并且会受到温度变化影响，这两个因素是造成雷达收发器非线性的关键，对雷达水位测量结果精度有着直接影响。目前常用的方式是通过实测雷达收发器在不同温度下的VCO曲线并保存在表中，然后根据温度传感器测量的当前温度值，利用查表法调节雷达的VCO曲线，使之保持线性。但是这种方法存在两个问题，一是温度测量往往存在滞后性，尤其是在温度变化较大的场合，造成VCO曲线不匹配，从而产生测量误差。二是每个雷达收发器的固有VCO特性都有或多或少的差别，这样的话，要对每个雷达收发器进行VCO曲线测量，需要耗费大量的工作量。

市面上普遍的雷达水位计采用RS232或485接口输出，不具备数据无线传输及遥测功能，要想实现远程对水位数据的实时监测，必须外接专门的遥测终端机。这样存在的主要问题有三个：一是遥测终端与水位测量设备之间的数据传输协议与采集方式匹配问题，这增加了技术开发难度与设备调试时间，二是该方法不利于汛期与高洪抢测等需要频繁改变测量方式的应用场合。三是不能对雷达水位计软件进行远程更新升级，要想完成雷达水位计的功能升级，必须到站点现场进行操作。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种线性调频连续波雷达水位遥测装置，该装置能够克服温度漂移的影响，保证雷达收发器发射频率的线性度，有效提高雷达水位计的测量精度。

本发明的第二目的在于提供一种上述装置实现的线性调频连续波雷达水位遥测方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种线性调频连续波雷达水位遥测装置，包括雷达收发器、雷达信号筛选放大电路和微控制器；所述雷达收发器包括锁相环、发射天线、第一混频器和接收天线；所述锁相环输出端连接发射天线，通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号；所述第一混频器的两个输入端分别连接锁相环输出端和接收天线，通过接收天线接收回波信号；所述第一混频器的输出端连接雷达信号筛选放大电路的输入端，雷达信号筛选放大电路的输出端连接微控制器的ADC采样端，通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的信号进行采样处理。

优选的，还包括数据传输单元和上位机，所述微控制器连接数据传输单元，通过数据传输单元实现与上位机的通信；所述微控制器通过数据传输单元上传水位信息至上位机，上位机通过数据传输单元发送控制信号至微控制器；

所述雷达收发器的电源使能引脚端连接微控制器，上位机通过微控制器控制雷达收发器电源的通断；

所述数据传输单元通过GPRS无线传输方式与上位机进行通信。

优选的，所述锁相环中包括参考频率源、输入分频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二混频器、低通滤波器、程序分频器和固定频率源；参考频率源通过输入分频器连接鉴相器的正相输入端，程序分频器的输出端连接鉴相器的反相输入端，鉴相器的输出端通过环路滤波器连接压控振荡器，压控振荡器的输出端和固定频率源分别连接第二混频器的两个输入端，第二混频器的输出端通过低通滤波器连接程序分频器的输入端；所述程序分频器的分频比控制端连接微控制器，通过微控制器定时调整程序分频器的分频比。

优选的，所述雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端；通过微控制器分别采样第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号；所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路，所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过SPI接口编程调节PGA的增益。

更进一步的，所述第一级放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第三电容的一端；第一电容和第二电容并联后其中一端连接第一混频器的输出端，另一端连接第三电容的另一端；第三电容连接并联后的第一电容和第二电容的一端通过第一二极管连接直流电源，通过第二二极管接地；第一运算放大器的反相输入端通过并联后的第四电容和第二电阻连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的正相输入端依次连接第三电阻和第五电容后接地，第三电阻和第二电容连接的一端接直流电源；第一运算放大器的输出端依次连接第六电容和第四电阻后连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的反相输入端通过并联后的第七电容和第五电阻连接第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端依次连接第六电阻和第八电容后接地，第六电阻和第八电容连接的一端接直流电源；第二运算放大器的输出端作为第一级放大电路的输出端，连接微控制器的第一ADC输入端；

所述第二级放大电路包括第三运算放大器和第四运算放大器，第一级放大电路的输出端依次连接第九电容和第十电容后连接第三运算放大器的反相输入端，第九电容和第十电容连接的一端通过第十一电容连接第三运算放大器的输出端，第九电容和第十电容连接的一端还通过第七电阻接地；第三运算放大器的反相输入端通过并联的第十二电容和第八电阻连接第三运算放大器的输出端，第三运算放大器的正相输入端依次连接第九电阻和第十三电容后接地，第九电阻和第十三电容连接的一端接直流电源；第叁运算放大器的输出端依次连接第十四电容和第十电阻后连接第四运算放大器的反相输入端，第四运算放大器的反相输入端通过并联的第十五电容和第十一电阻连接第四运算放大器的输出端；第四运算放大器的正相输入端依次连接第十二电阻和第十六电容后接地，第十二电阻和第十六电容连接的一端接直流电源；第四运算放大器的输出端作为第二级放大电路的输出端，连接微控制器的第二ADC输入端；

所述第三级放大电路中PGA的CH端口通过电容连接第二级放大电路的输出端，PGA的CH端口通过电阻连接PGA的VREF端，PGA的VREF端连接直流电源，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过微控制器调节PGA的放大倍数；PGA的输出端作为第三级放大电路的输出端，连接微控制器的第三ADC输入端。

更进一步的，所述微控制器包括采样信号判别选取模块、FIR滤波模块、FFT模块、Chirp Z模块和滑动平均滤波模块；

所述采样信号判别选取模块，用于根据采样阈值针对微控制器从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路中采样得到的信号进行判定，以从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端选取出作为有效信号的一路信号；

FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波模块，用于消除有效信号在采样过程中引入的毛刺，获取到平滑的有效信号；

FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)模块，用于对有效信号进行快速傅氏变换，获取到有效信号的频段分布；

Chirp Z(线性调频Z变换)模块，用于对有效信号进行频谱细化，确定有效信号的频率；

滑动平均滤波模块，用于对有效信号进行滑动平均滤波处理。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于上述装置实现的线性调频连续波雷达水位遥测方法，步骤如下：

S1、雷达收发器中锁相环输出端输出的线性调频信号输入至第一混频器中，同时通过发射天线进行发射；雷达收发器中接收天线接收回波信号，并且传送到第一混频器中；

S2、雷达收发器中锁相环的输出端输出的线性调频信号和雷达收发器中接收天线接收回波信号在第一混频器中进行混频，输出差频信号；

S3、第一混频器输出的差频信号输入至雷达信号筛选放大电路，微控制器针对雷达信号筛选放大电路输出的信号进行采样处理，并且对采样得到的信号进行分析处理，根据分析处理结果得到水位信息。

优选的，步骤S3中微控制器获取到的水位信息通过SPI接口发送给数据传送单元，数据传输单元接收到微控制器发送的串口数据格式的水位信息时，转换成IP数据的水位信息，并且通过GPRS无线传输方式传送给上位机，同时上位机发送的控制信号通过GPRS无线传输方式传送给数据传输单元，数据传输单元接收到控制信号后，将控制信号的IP数据格式转换成串口数据格式，然后通过串口传送给微控制器；其中上位机发送的控制信号包括软件更新升级控制信号、水位测量时间间隔控制信号、休眠控制信号和雷达收发器通断控制信号。

优选的，雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端；所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路，所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过SPI接口编程调节PGA的增益；

步骤S3中微控制器分别针对第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号进行采样处理，在微控制器通过ADC输入端采样得到雷达信号筛选放大电路中输出的三路信号后，通过以下方式选取其中一路信号作为有效信号，具体为：

S31、设定第一级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit1，设定第二级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit2，设定第三级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit3；

S32、首先将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号与采样阈值ADLimit1进行比较，当微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号的最大值大于采样阈值ADLimit1时，则将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号作为有效信号；否则进入步骤S33；

S33、将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号与采样阈值ADLimit2进行比较，当微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号的最大值大于采样阈值ADLimit2时，则将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号作为有效信号；否则将微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号作为有效信号，然后进入步骤S34；

S34、当微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号小于采样阈值ADLimit3，通过微控制器控制增大第三级放大电路中PGA的增益；否则通过微控制器控制减小第三级放大电路中PGA的增益；即通过第三级放大电路输出信号的采样值来反馈PGA的增益调节值。

更进一步的，步骤S3中微控制器针对采样得到的信号中的一路有效信号，进行以下的分析处理得到水位信息：

首先进行FIR滤波处理，将消除有效信号在采样过程中引入的毛刺，得到平滑的采样信号；

然后对有效信号进行快速傅氏变换，获取到有效信号的频段分布；

再者通过Chirp Z变换对有效信号进行频谱细化，确定有效信号的频率；

最后有效信号进行滑动平均滤波处理，得到有效信号最终分析处理结果；微控制器根据有效信号的最终分析处理结果获取到水位信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明装置包括雷达收发器、雷达信号筛选放大电路和微控制器，其中雷达收发器包括锁相环、发射天线、第一混频器和接收天线；锁相环输出端连接发射天线，通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号；第一混频器对接收天线接收的回波信号以及锁相环输出端输出的线性调频信号进行混频处理，得到的差频信号通过雷达信号筛选放大电路放大处理后通过微控制器的ADC采样端输入至微控制器中，通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的差频信号进行采样处理，并且针对采样处理后的差频信号进行分析处理后得到水位信息。本发明雷达收发器通过锁相环输出需要发射的信号，能够有效克服温度漂移的影响，保证雷达收发器发射频率的线性度。本发明中通过硬件锁相环锁频的这种方式，具有锁频速度快、锁频精度高以及实时性高的优点。

(2)本发明中微控制器通过数据传输单元实现与上位机的通信，其中微控制器获取到的水位信息通过数据传输单元上传至上位机，因此能够实现远程水位监测；上位机发送的微控制器软件更新升级控制信号以及采样频率调节控制信号可以通过数据传输单元发送给微控制器，因此微控制器可以通过数据传输单元实现远程控制信号的响应，无需工作人员到达现场即可实现微控制器中软件更新升级，大大方便了本发明装置的运行和维护。另外本发明的雷达收发器的电源使能引脚端连接微控制器，当不需要检测水位时，上位机可以发送关闭雷达收发器的控制指令至微控制器，通过微控制器切断雷达收发器的电源。同时上位机可以发送休眠控制指令至微控制器，使微控制器进入休眠模式，大大节省了用电量。其中数据传输单元可以以GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)无线传输方式与上位机进行通信，使得本发明装置能够实现无线传输及遥测功能，并且具有传输效率高，通信可靠，有效抗雨衰，传输速度较快，功耗低以及特别适用于野外遥测应用场合的优点。

(3)本发明装置中锁相环的压控振荡器输出信号和固定频率源输出信号分别输入至第二混频器中，通过第二混频器混频后得到两者的差频信号、和频信号以及高阶项频率分量；差频信号、和频信号以及高阶项频率分量经过低通滤波器后，滤除和频信号和高阶项频率分量，输出的差频信号作为待锁频的信号输入至程序分频器，参考频率源经过输入分频器输出的信号和程序分频器输出的信号分别输入至鉴相器，鉴相器的输出端通过环路滤波器输入至压控振荡器，控制压控振荡器输出的信号。其中锁相环中参考频率源为一固定的频率源，输入分频器的分频比可根据想要锁频的频率间隔进行自主设定，并且通过微控制器定时改变程序分频器中的分频比能够调整锁频频段范围，实现预设调制频段的线性化以及锁频频段的自主设定和修改。

(4)本发明中雷达信号筛选放大电路包括三级放大电路，其中第一级和第二级运算放大电路为固定放大倍数的放大电路，第三级为增益可调节的放大电路。本发明中可以根据水位高低适当选取第一级放大电路和第二级放大电路的放大倍数，以适用于与目标水面距离不同的雷达收发器测量需求。对于第三级增益可调的放大电路，通过微控制器采样得到的采样值来反馈调节运放的增益，以适应更远的目标水面距离。

(5)本发明中雷达信号筛选放大电路的三级放大电路输出的信号分别输入至微控制器的多通道ADC输入端进行采样，微控制器根据采样阈值针对从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路中采样得到的信号进行判定，以从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端选取出作为有效信号的一路信号；通过这种方式实现自动量程切换功能，使得本发明装置同时满足长距离与短距离的测量需求，改善雷达差频信号的质量，减少测量误差。

(6)本发明微控制器通过对信号进行FIR滤波、FFT变换、频谱细化以及滑动平均滤波处理后得到水位信息，能够克服由水浪等引起的测量结果跳变与误差，具有测量精度以及测量稳定性高的优点。

附图说明

图1是LFMCW雷达调制原理图。

图2是本发明装置结构框图。

图3是本发明装置中锁相环结构原理图。

图4是本发明装置中锁相环的环路滤波器的电路原理图。

图5是本发明装置中雷达信号筛选放大电路的原理图。

图6是本发明装置中雷达信号筛选放大电路第一级放大电路的电路原理图。

图7是本发明装置中雷达信号筛选放大电路第二级放大电路的电路原理图。

图8是本发明装置中雷达信号筛选放大电路第三级放大电路的电路原理图。

图9是本发明装置中雷达信号筛选放大电路第三级放大电路与微控制器连接的电路原理图。

图10是本发明方法中微控制器针对有效信号进行处理的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种线性调频连续波雷达水位遥测装置，如图2所示，包括雷达收发器、雷达信号筛选放大电路、微控制器、数据传输单元和上位机；雷达收发器包括锁相环、发射天线、第一混频器和接收天线；锁相环输出端连接发射天线，通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号；第一混频器的两个输入端分别连接锁相环输出端和接收天线，通过接收天线接收回波信号；

第一混频器的输出端连接雷达信号筛选放大电路的输入端，雷达信号筛选放大电路的输出端连接微控制器的ADC采样端，通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的信号进行采样处理。可见，本实施例通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号；第一混频器对接收天线接收的回波信号以及锁相环输出端输出的线性调频信号进行混频处理，得到的差频信号通过雷达信号筛选放大电路放大处理后通过微控制器的ADC采样端输入至微控制器中，通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的差频信号进行采样处理，并且针对采样处理后的差频信号进行分析处理后得到水位信息。本实施例雷达收发器通过锁相环输出需要发射的信号，能够有效克服温度漂移的影响，保证雷达收发器发射频率的线性度。本发明中通过硬件锁相环锁频的这种方式，具有锁频速度快、锁频精度高以及实时性高的优点。

本实施例中，微控制器连接数据传输单元，通过数据传输单元实现与上位机的通信；微控制器通过数据传输单元上传水位信息至上位机，上位机通过数据传输单元发送控制信号至微控制器；雷达收发器的电源使能引脚端连接微控制器。本实施例中微控制器通过数据传输单元实现与上位机的通信，微控制器获取到的水位信息通过数据传输单元上传至上位机，因此能够实现远程水位监测；上位机发送的软件更新升级控制信号、水位测量时间间隔控制信号、休眠控制信号和雷达收发器通断控制信号可以通过数据传输单元发送给微控制器，因此微控制器可以通过数据传输单元实现远程控制信号的响应，无需工作人员到达现场即可实现微控制器中软件更新升级、水位测量时间间隔控制、休眠状态控制和雷达收发器通断控制，大大方便了本发明装置的运行和维护。另外本实施例中数据传输单元可以以GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)无线传输方式与上位机进行通信，使得本发明装置能够实现无线传输及遥测功能，并且具有传输效率高，通信可靠，有效抗雨衰，传输速度较快，功耗低以及特别适用于野外遥测应用场合的优点。

在本实施例中，如图3所示，锁相环中包括参考频率源、输入分频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二混频器、低通滤波器、程序分频器和固定频率源；参考频率源通过输入分频器连接鉴相器的正相输入端，程序分频器的输出端连接鉴相器的反相输入端，鉴相器的输出端通过环路滤波器连接压控振荡器，压控振荡器的输出端和固定频率源分别连接第二混频器的两个输入端，第二混频器的输出端通过低通滤波器连接程序分频器的输入端；所述程序分频器的分频比控制端连接微控制器，通过微控制器定时调整程序分频器的分频比N。

当本实施例雷达收发器采用K波段(24GHz)时，则预设调制频段为24.005GHz～24.255GHz，参考频率源为固定的频率源，选用30MHz的有源晶振，固定频率源的频率为24GHz，如图4所示，环路滤波器采用三阶无源滤波器。本实施例中输入分频器、鉴相器和程序分频器集成在一个芯片中，通过该芯片实现三部分的功能，如图3所示，本实施例中集成输入分频器、鉴相器和程序分频器的芯片选用ADF4110，当然也可以采用ADF4002。

本实施例中锁相环的工作原理如下：锁相环的压控振荡器输出信号和固定频率源输出信号分别输入至第二混频器中，通过第二混频器混频后得到两者的差频信号、和频信号以及高阶项频率分量；差频信号、和频信号以及高阶项频率分量经过低通滤波器后，滤除和频信号和高阶项频率分量，输出的差频信号作为待锁频的信号输入至程序分频器，参考频率源经过输入分频器输出的信号和程序分频器输出的信号分别输入至鉴相器，鉴相器的输出端通过环路滤波器输入至压控振荡器，控制压控振荡器输出的信号。

本实施例中锁相环输出信号的频率f_OUT为：

f_OUT＝△f·N+f_24G；

其中f_24G＝24GHz为参考频率源输出信号的频率，f_REFIN为参考频率源输出信号的频率；R为输入分频器的分频比，△f为鉴相频率；其中输入分频器的分频比R根据锁相环锁频的频率间隔进行设定，其中当R为30时，则本实施例中鉴相频率△f选用1MHz。

其中N为程序分频器的分频比，程序分频器的分频比N可以通过微控制器进行调整，具体为可在微控制器中设置定时中断，并在中断中更新程序分频器N即可。雷达发射信号的调频带宽△F为△f·(N_max-N_min)，当预设的发射频段带宽为250MHz时，则N_max-N_min＝250；其中取N_max＝255为分频比N取的最大值，取N_min＝5为分频比N取的最小值。通过锁相环，雷达收发器的线性发射频段f_OUT为24.005GHz～24.255GHz。

如图5所示，本实施例雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端；通过微控制器分别采样第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号；所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路，所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过SPI接口编程调节PGA的增益，本实施例中第一级放大电路的放大倍数A1为1000；本实施例中第二级放大电路的放大倍数A2为100。

如图6所示，本实施例中第一级放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻R1连接第三电容C3的一端；第一电容C1和第二电容C2并联后其中一端连接第一混频器的输出端，另一端连接第三电容C3的另一端；第三电容C3连接并联后的第一电容C1和第二电容C2的一端通过第一二极管D1连接直流电源，通过第二二极管D2接地；第一运算放大器的反相输入端通过并联后的第四电容C4和第二电阻R2连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的正相输入端依次连接第三电阻R3和第五电容C5后接地，第三电阻R3和第二电容C2连接的一端接直流电源；第一运算放大器的输出端依次连接第六电容C6和第四电阻R4后连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的反相输入端通过并联后的第七电容C7和第五电阻R5连接第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端依次连接第六电阻R6和第八电容C8后接地，第六电阻R6和第八电容C8连接的一端接直流电源；第二运算放大器的输出端作为第一级放大电路的输出端，连接微控制器的第一ADC输入端；本实施例中第一混频器输出端输出的信号SignIn经过第一电容C1和第二电容C2隔直，并且经过第一二极管D1和第二二极管D2限幅后输入至第一级放大电路中；第一级放大电路的输出端输出的信号SignOut1输入至微控制器的第一ADC输入端。

如图7所示，本实施例中第二级放大电路包括第三运算放大器和第四运算放大器，第一级放大电路的输出端依次连接第九电容C9和第十电容C10后连接第三运算放大器的反相输入端，第九电容C9和第十电容C10连接的一端通过第十一电容C11连接第三运算放大器的输出端，第九电容C9和第十电容C10连接的一端还通过第七电阻接地；第三运算放大器的反相输入端通过并联的第十二电容C12和第八电阻R8连接第三运算放大器的输出端，第三运算放大器的正相输入端依次连接第九电阻R9和第十三电容C13后接地，第九电阻R9和第十三电容C13连接的一端接直流电源；第三运算放大器的输出端依次连接第十四电容C14和第十电阻R9后连接第四运算放大器的反相输入端，第四运算放大器的反相输入端通过并联的第十五电容C15和第十一电阻R11连接第四运算放大器的输出端；第四运算放大器的正相输入端依次连接第十二电阻R12和第十六电容C16后接地，第十二电阻R12和第十六电容C16连接的一端接直流电源；第四运算放大器的输出端作为第二级放大电路的输出端，连接微控制器的第二ADC输入端；即将第二级放大电路的输出端输出的信号SignOut2输入至微控制器的第二ADC输入端。

如图8所示，本实施例中第三级放大电路中PGA的CH端口通过电容连接第二级放大电路的输出端，PGA的CH端口通过电阻连接PGA的VREF端，PGA的VREF端连接直流电源，微控制器通过SPI接口连接PGA，使得微控制器通过SPI接口编程来调节PGA的放大倍数；PGA的输出端作为第三级放大电路的输出端，连接微控制器的第三ADC输入端，即将第三级放大电路的输出端输出的信号SignOut3输入至微控制器的第三ADC输入端。如图9所示为本实施例中PGA与微控制器的连接图。

本实施例中可以根据水位高低适当选取第一级放大电路和第二级放大电路的放大倍数，以适用于与目标水面距离不同的雷达收发器测量需求。其中雷达收发器离目标水面越远，回波信号越弱，使得差频信号的幅值也越小，这不利于差频信号的处理。当差频信号幅值很小时，辨识的精度将会降低，为了保持辨识的精度，本实施例可以根据雷达收发器与目标水面的不同距离选择不同放大倍数的放大电路，当雷达收发器与目标水面的距离较大时，则应适当增加第一级放大电路和第二级放大电路的放大倍数。在本实施例中雷达信号筛选放大电路第一级放大电路的放大倍数A1为1000，第二级放大电路的放大倍数A2为100。

本实施例中微控制器包括采样信号判别选取模块、FIR滤波模块、FFT模块、ChirpZ模块和滑动平均滤波模块；

所述采样信号判别选取模块，用于根据采样阈值针对微控制器从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路中采样得到的信号进行判定，以从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端选取出作为有效信号的一路信号；

FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波模块，用于消除有效信号在采样过程中引入的毛刺，获取到平滑的有效信号；

FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)模块，用于对有效信号进行快速傅氏变换，获取到有效信号的频段分布；

Chirp Z(线性调频Z变换)模块，用于对有效信号进行频谱细化，确定有效信号的频率；

滑动平均滤波模块，用于对有效信号进行滑动平均滤波处理，避免测量结果数据的异常跳动。

本实施例微控制器通过采样信号判别选取模块获取到有效信号后，通过FIR滤波模块、FFT模块、Chirp Z模块和滑动平均滤波模块对有效信号进行依次处理后，根据处理结果获取到水位信息。上述处理方式能够克服由水浪等引起的测量结果跳变与误差，保证了测量精度以及测量的稳定性。

本实施例中雷达信号筛选放大电路的三级放大电路输出的信号分别输入至微控制器的多通道ADC输入端进行采样，微控制器根据采样阈值针对从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路中采样得到的信号进行判定，以从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端选取出作为有效信号的一路信号；通过这种方式实现自动量程切换功能。例如当雷达收发器与目标水面的距离小于5米，则选取的有效信号为第一级放大电路输出信号，当雷达收发器与目标水面的距离为5～10米，则选取的有效信号为第二级放大电路输出信号；当雷达收发器与目标水面的距离大于15米时，则选取的有效信号为第三级放大电路输出的信号，因此本实施例中雷达信号筛选放大电路可以满足长距离与短距离的测量需求，改善雷达差频信号的质量，减少测量误差。

本实施例还公开了一种基于上述线性调频连续波雷达水位遥测装置实现的线性调频连续波雷达水位遥测方法，步骤如下：

S1、雷达收发器中锁相环输出端输出的线性调频信号输入至第一混频器中，同时通过发射天线进行发射；雷达收发器中接收天线接收回波信号，并且传送到第一混频器中；

S2、雷达收发器中锁相环的输出端输出的线性调频信号和雷达收发器中接收天线接收回波信号在第一混频器中进行混频，输出差频信号；

S3、第一混频器输出的差频信号输入至雷达信号筛选放大电路，微控制器针对雷达信号筛选放大电路输出的信号进行采样处理，并且对采样得到的信号进行分析处理，根据分析处理结果得到水位信息。

本实施例中步骤S3中微控制器获取到的水位信息通过SPI接口发送给数据传送单元，数据传输单元接收到微控制器发送的串口数据格式的水位信息时，转换成IP数据的水位信息，并且通过GPRS无线传输方式传送给上位机，同时上位机发送的控制信号通过GPRS无线传输方式传送给数据传输单元，数据传输单元接收到控制信号后，将控制信号的IP数据格式转换成串口数据格式，然后通过串口传送给微控制器；其中上位机发送的控制信号包括软件更新升级控制信号、水位测量时间间隔控制信号、休眠控制信号和雷达收发器通断控制信号。例如遇到要进行高洪抢测的情况，微控制器将常规的每15min测量一次水位信息及时修改为每1分钟测量一次水位信息或者实时不间断式测量水位信息，以得到更加紧密的水位信息，上述的情况，上位机通过发送水位测量时间间隔控制信号即可远程完成。当不需要检测水位时，上位机可以发送关闭雷达收发器的控制信号至微控制器，通过微控制器切断雷达收发器的电源。同时上位机可以发送休眠控制指令至微控制器，使微控制器进入休眠模式，大大节省了用电量。

本实施例上述步骤S3中微控制器分别针对雷达信号筛选放大电路中的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号进行采样处理，在微控制器通过ADC输入端采样得到雷达信号筛选放大电路中输出的三路信号后，通过以下方式选取其中一路信号作为有效信号，具体为：

S31、设定第一级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit1，设定第二级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit2，设定第三级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit3；其中本实施例中ADLimit1、ADLimit2和ADLimit3均为采样满量程值的75％。

S32、首先将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号SignOut1与采样阈值ADLimit1进行比较，当微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号SignOut1的最大值大于采样阈值ADLimit1时，则选用微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号SignOut1作为有效信号；否则进入步骤S33。

S33、将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号SignOut2与采样阈值ADLimit2进行比较，当微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号SignOut2的最大值大于采样阈值ADLimit2时，则选用微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号SignOut2作为有效信号；否则选用微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号SignOut3作为有效信号，然后进入步骤S34。

S34、当微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号小于采样阈值ADLimit3，通过微控制器控制增大第三级放大电路中PGA的增益；否则通过微控制器控制减小第三级放大电路中PGA的增益。

本实施例中通过上述方式实现自动量程切换功能，使得本发明装置满足长距离与短距离的测量需求，改善雷达差频信号的质量，减少测量误差。

如图10所示，本实施例步骤S3中微控制器针对采样得到的信号中的一路有效信号，进行以下的分析处理得到水位信息：

首先进行FIR滤波处理，将消除有效信号在采样过程中引入的毛刺，得到平滑的采样信号；

然后对有效信号进行快速傅氏变换，获取到有效信号的频段分布；

再者通过Chirp Z变换对有效信号进行频谱细化，确定有效信号的频率；

最后有效信号进行滑动平均滤波处理，得到有效信号最终分析处理结果；微控制器根据有效信号的最终分析处理结果获取到水位信息。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线性调频连续波雷达水位遥测装置，包括雷达收发器，其特征在于，还包括雷达信号筛选放大电路和微控制器；所述雷达收发器包括锁相环、发射天线、第一混频器和接收天线；所述锁相环输出端连接发射天线，通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号；所述第一混频器的两个输入端分别连接锁相环输出端和接收天线，通过接收天线接收回波信号；所述第一混频器的输出端连接雷达信号筛选放大电路的输入端，雷达信号筛选放大电路的输出端连接微控制器的ADC采样端，通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的信号进行采样处理。

2.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置，其特征在于，还包括数据传输单元和上位机，所述微控制器连接数据传输单元，通过数据传输单元实现与上位机的通信；所述微控制器通过数据传输单元上传水位信息至上位机，上位机通过数据传输单元发送控制信号至微控制器；

所述雷达收发器的电源使能引脚端连接微控制器，上位机通过微控制器控制雷达收发器电源的通断；

所述数据传输单元通过GPRS无线传输方式与上位机进行通信。

3.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置，其特征在于，所述锁相环中包括参考频率源、输入分频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二混频器、低通滤波器、程序分频器和固定频率源；参考频率源通过输入分频器连接鉴相器的正相输入端，程序分频器的输出端连接鉴相器的反相输入端，鉴相器的输出端通过环路滤波器连接压控振荡器，压控振荡器的输出端和固定频率源分别连接第二混频器的两个输入端，第二混频器的输出端通过低通滤波器连接程序分频器的输入端；所述程序分频器的分频比控制端连接微控制器，通过微控制器定时调整程序分频器的分频比。

4.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置，其特征在于，所述雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端；通过微控制器分别采样第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号；所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路，所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过SPI接口编程调节PGA的增益。

5.根据权利要求4所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置，其特征在于，所述第一级放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第三电容的一端；第一电容和第二电容并联后其中一端连接第一混频器的输出端，另一端连接第三电容的另一端；第三电容连接并联后的第一电容和第二电容的一端通过第一二极管连接直流电源，通过第二二极管接地；第一运算放大器的反相输入端通过并联后的第四电容和第二电阻连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的正相输入端依次连接第三电阻和第五电容后接地，第三电阻和第二电容连接的一端接直流电源；第一运算放大器的输出端依次连接第六电容和第四电阻后连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的反相输入端通过并联后的第七电容和第五电阻连接第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端依次连接第六电阻和第八电容后接地，第六电阻和第八电容连接的一端接直流电源；第二运算放大器的输出端作为第一级放大电路的输出端，连接微控制器的第一ADC输入端；

所述第二级放大电路包括第三运算放大器和第四运算放大器，第一级放大电路的输出端依次连接第九电容和第十电容后连接第三运算放大器的反相输入端，第九电容和第十电容连接的一端通过第十一电容连接第三运算放大器的输出端，第九电容和第十电容连接的一端还通过第七电阻接地；第三运算放大器的反相输入端通过并联的第十二电容和第八电阻连接第三运算放大器的输出端，第三运算放大器的正相输入端依次连接第九电阻和第十三电容后接地，第九电阻和第十三电容连接的一端接直流电源；第叁运算放大器的输出端依次连接第十四电容和第十电阻后连接第四运算放大器的反相输入端，第四运算放大器的反相输入端通过并联的第十五电容和第十一电阻连接第四运算放大器的输出端；第四运算放大器的正相输入端依次连接第十二电阻和第十六电容后接地，第十二电阻和第十六电容连接的一端接直流电源；第四运算放大器的输出端作为第二级放大电路的输出端，连接微控制器的第二ADC输入端；

所述第三级放大电路中PGA的CH端口通过电容连接第二级放大电路的输出端，PGA的CH端口通过电阻连接PGA的VREF端，PGA的VREF端连接直流电源，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过微控制器调节PGA的放大倍数；PGA的输出端作为第三级放大电路的输出端，连接微控制器的第三ADC输入端。

6.根据权利要求4所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置，其特征在于，所述微控制器包括采样信号判别选取模块、FIR滤波模块、FFT模块、Chirp Z模块和滑动平均滤波模块；

所述采样信号判别选取模块，用于根据采样阈值针对微控制器从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路中采样得到的信号进行判定，以从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端选取出作为有效信号的一路信号；

FIR滤波模块，用于消除有效信号在采样过程中引入的毛刺，获取到平滑的有效信号；

FFT模块，用于对有效信号进行快速傅氏变换，获取到有效信号的频段分布；

Chirp Z模块，用于对有效信号进行频谱细化，确定有效信号的频率；

滑动平均滤波模块，用于对有效信号进行滑动平均滤波处理。

7.一种基于权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置实现的线性调频连续波雷达水位遥测方法，其特征在于，步骤如下：

S1、雷达收发器中锁相环输出端输出的线性调频信号输入至第一混频器中，同时通过发射天线进行发射；雷达收发器中接收天线接收回波信号，并且传送到第一混频器中；

S2、雷达收发器中锁相环的输出端输出的线性调频信号和雷达收发器中接收天线接收回波信号在第一混频器中进行混频，输出差频信号；

S3、第一混频器输出的差频信号输入至雷达信号筛选放大电路，微控制器针对雷达信号筛选放大电路输出的信号进行采样处理，并且对采样得到的信号进行分析处理，根据分析处理结果得到水位信息。

8.根据权利要求8所述的线性调频连续波雷达水位遥测方法，其特征在于，

步骤S3中微控制器获取到的水位信息通过SPI接口发送给数据传送单元，数据传输单元接收到微控制器发送的串口数据格式的水位信息时，转换成IP数据的水位信息，并且通过GPRS无线传输方式传送给上位机，同时上位机发送的控制信号通过GPRS无线传输方式传送给数据传输单元，数据传输单元接收到控制信号后，将控制信号的IP数据格式转换成串口数据格式，然后通过串口传送给微控制器；其中上位机发送的控制信号包括软件更新升级控制信号、水位测量时间间隔控制信号、休眠控制信号和雷达收发器通断控制信号。

9.根据权利要求7或8所述的线性调频连续波雷达水位遥测方法，其特征在于，雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端；所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路，所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路，微控制器通过SPI接口连接PGA，通过SPI接口编程调节PGA的增益；

步骤S3中微控制器分别针对第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号进行采样处理，在微控制器通过ADC输入端采样得到雷达信号筛选放大电路中输出的三路信号后，通过以下方式选取其中一路信号作为有效信号，具体为：

S31、设定第一级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit1，设定第二级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit2，设定第三级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit3；

S32、首先将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号与采样阈值ADLimit1进行比较，当微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号的最大值大于采样阈值ADLimit1时，则将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号作为有效信号；否则进入步骤S33；

S33、将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号与采样阈值ADLimit2进行比较，当微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号的最大值大于采样阈值ADLimit2时，则将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号作为有效信号；否则将微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号作为有效信号，然后进入步骤S34；

S34、当微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号小于采样阈值ADLimit3，通过微控制器控制增大第三级放大电路中PGA的增益；否则通过微控制器控制减小第三级放大电路中PGA的增益；即通过第三级放大电路输出信号的采样值来反馈PGA的增益调节值。

10.根据权利要求9所述的线性调频连续波雷达水位遥测方法，其特征在于，步骤S3中微控制器针对采样得到的信号中的一路有效信号，进行以下的分析处理得到水位信息：

首先进行FIR滤波处理，将消除有效信号在采样过程中引入的毛刺，得到平滑的采样信号；

然后对有效信号进行快速傅氏变换，获取到有效信号的频段分布；

再者通过Chirp Z变换对有效信号进行频谱细化，确定有效信号的频率；

最后有效信号进行滑动平均滤波处理，得到有效信号最终分析处理结果；微控制器根据有效信号的最终分析处理结果获取到水位信息。