CN109557531A - 一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及河流雷达领域，具体涉及一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，包括相控阵天线、综合机箱和电源机柜；所述相控阵天线包括接收天线和发射天线；所述综合机箱内置发射单元、接收单元、信号产生单元、波束形成单元、信号处理单元、数据处理单元、数据传输单元和通讯模块；所述发射单元包括功率放大器，将输入信号放大输出到发射天线，所述接收单元包括16个低噪声放大器，将信号放大送至波束形成单元，所述波束形成单元包括A/D采样、幅度校准、相位校准及波束指向计算，解决了现有技术问题中存在的测量耗时长、成本高、危险系数大的技术缺陷。本发明提供一种具有测量时间短、测量精度低、成本低廉和安全性高的雷达装置。

Description

一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置

技术领域

本发明涉及河流雷达领域，具体涉及一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置。

背景技术

河流的实时流量是水文、水资源管理以及水利工程中最重要的资料，是“智慧水文”建设中一个重要内容。大江大河的流速流量监测是“智慧水文”中数据采集、数据传输的重要组成部分。传统水文，老辈水文人在水文站夜以继日地坚守，时刻准备着测验测报工作，但是受气候、测量手段、测量安全性、响应时间等限制，流量测验一直是当今水文测量的难点。特别是对于1km以上甚至5km以上的宽阔河面，以及大江大河与湖泊或海洋交汇处的流量测验，是传统手段难以完成的工作。这些地方在高洪期时水流流速快、含沙量高、漂浮杂物多，易造成仪器损坏并威胁人身安全；枯水期水流量小，部分水深很小；水运航道上常有舰船航行，传统测验测报需要封锁航道，互相产生影响，其流量测验测报难度更大。

天然河道的流量测验通常以测量流速为重点，在已知断面地形情况下（如不同位置水深分布）即可根据流速乘以面积计算获得流量，因此，流量的测量实际上核心是流速的测量。目前我国在河流监测方面主要有三种方法：人工测流方法、定点接触式测量以及超声波多普勒流量计。在宽阔水面测验时，这些方法均存在明显缺点：人工测流耗时过长，测量一次宽阔河流断面需要耗费巨大的人力物力。定点接触式测量无法用于宽阔河流的测验。超声波多普勒流量计需要船舶在河流或者湖泊上行驶，在高洪期其危险性不言而喻。采用相控阵雷达测流方法可以实现宽阔河流的水流速度实时连续测量，在极其恶劣的条件下不间断地自动测量并记录数据，在洪水流量峰值时能达到较好的流量测定，使它在日常业务观测、高洪洪水量级和时间特征分析上有着重要的贡献，为水文分析提供科学依据。

近40年来，高频（HF）雷达一直用于测量海洋表面的流速和波谱。HF雷达的工作频率在7MHz至50MHz之间。基础物理学原理是雷达与波浪相互作用的布拉格散射。当水面表面波是入射雷达波长的一半时产生共振，雷达收到水面后向散射。这种布拉格散射效应在多普勒频谱中产生两个离散的峰。在没有表面流速时，频谱峰值关于布拉格频率（vb）从原点偏移一个与2c0λ-1成比例的量对称，其中c0表示水面波的线性相速度，λ是雷达波长。如果存在表面流速，则多普勒频谱中的布拉格峰值移位是Δv=2Vcrλ-1，其中Vcr是沿雷达方向的水流的径向分量。因此，为了解析二维（2-D）水流场，需要两个雷达站，它们之间的距离决定了映射区域面积。在两个雷达波束呈90°夹角时测量精度最好，当夹角偏离该最佳值时，解析出的水流矢量的误差随之增加。发射HF的部分能量沿水面传播，可超视距测量。频率越低，测量距离越大，但距离分辨率也越低（2km以上）。国外（如NOAA、德国汉堡大学）从1980年代开始开展HF雷达观测海洋的研究，取得大量成果。但是HF雷达较少用于河流的流速检测，特别是对于大江大河的表面流速测验，还没有相关产品。

发明内容

针对现有技术问题中存在的测量耗时长、成本高、危险系数大的技术缺陷。本发明提供一种新的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，该基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置具有测量时间短、测量精度低、成本低廉和安全性高的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

为解决上述技术缺陷，本发明提供一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，包括相控阵天线、综合机箱和电源机柜；

所述相控阵天线包括接收天线和发射天线；

所述综合机箱内置发射单元、接收单元、信号产生单元、波束形成单元、信号处理单元、数据处理单元、数据传输单元和通讯模块；所述发射单元包括功率放大器，将输入信号放大输出到发射天线，所述接收单元包括16个低噪声放大器，将信号放大送至波束形成单元，所述波束形成单元包括A/D采样、幅度校准、相位校准及波束指向计算。所述信号处理单元包括调频信号脉冲压缩和FFT计算。所述数据处理单元进行谱矩分析，得到径向速度，再融合得到河流的表面速度。所述数据传输单元双向传输数据，将河流表面速度数据发送到指定地点，并接收命令；

所述电源机柜内有蓄电池和市电接口，用于接入市电或者其他电源，转换成雷达各部分需要的电源电压。

工作在VHF波段（50MHz左右），采用脉冲多普勒体制，应用相控阵技术、数字波束形成技术、脉冲压缩技术，实现高精度河流表面流速检测。相控阵河流雷达包括：相控阵天线、发射单元、接收单元、信号产生单元、数字波束形成单元、信号处理单元、数据处理单元、通讯模块及电源模块。其组成如图1所示。

发射天线为1个阵子，接收天线为16个阵子的相控阵天线。接收天线阵子数量可根据安装场地的实际情况增加或减少，最少需要4个接收天线阵子。接收天线阵子按照一维线阵排列，法线方向指向河流水面。发射天线阵子可以与接收天线阵子同一行排列，也可以相距一定距离排列，但距离最近的接收阵子应不超过500m。接收天线阵子之间的间距为0.6λ（λ为雷达波长）。

发射单元包括功率放大器，将信号产生输出的信号放大后输出到发射天线。信号产生单元由数据处理单元控制。信号产生单元包括产生具有一定重复周期的窄脉冲信号或宽脉冲调频连续波信号的信号发生器及激励源。

接收单元包括16个低噪声放大器，将16个天线阵子接收到的信号分别放大后送至波束形成单元。

波束形成单元的特征在于接收单元将16路信号送来，在波束形成单元中完成16路信号的A/D采样，进行数字正交处理，得到IQ信号，对各路之间的幅度和相位进行校准，以补偿16路接收通道的增益与相位的变化。波束形成单元包括A/D采样、幅度校准、相位校准及波束指向计算。。

信号处理单元的特征在于包括有硬件及软件处理，软件处理算法步骤包括调频信号脉冲压缩、相干脉冲积累、加窗、FFT计算、杂波抑制、非相干积累。脉冲压缩后距离分辨率可以达到50m以内，实现高分辨率探测。

数据处理单元进行谱矩分析，采用小波分析算法得到径向速度数据，再采用最小二乘法拟合算法融合得到河流断面间隔为50m的平均流速。数据传输单元双向传输数据，将河流表面速度数据发送到指定地点，并接收命令。

电源模块用于接入市电或者其他电源，转换成雷达各部分需要的电源电压。雷达安装在河岸上。两台河流雷达协同工作，得到河流表面流速和流向分布。

本发明提出的一种相控阵河流雷达，其特征在于所述的雷达利用现有设备可进行通道校准。只有各通道的幅度和相位达到需要的精度，才能保证探测的河流速度精度。雷达在现场结构安装后，即需要进行通道校准。在通道校准时采用发射天线作为校准单元，将发射天线分别与每个接收天线单元靠近，距离为1m左右，得到每一路接收通道的幅度和相位。此幅度和相位数据用于数字波束形成的计算中。

本发明提出的一种相控阵河流雷达，其特征在于所述2台雷达构成联合观测系统，2台雷达安装位置距离间隔应超过3km。2台雷达的法向波束呈90°夹角时测量精度最好，当夹角偏离该最佳值时，解析出的水流矢量的误差随之增加。2台雷达的工作频率应间隔5MHz。接收到指令后发射信号，2台雷达分别得到河流表面径向速度，采用矢量合成算法，得到河流表面每个监测单元的流速和流向数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

效果一，采用收发分置发射天线和接收天线；发射天线是1根阵子，同时可以作为测试天线使用。接收是16根天线阵子组成的相控阵天线，直接射频采样后采用数字波束形成得到不同指向。设计简单，可靠性高，维护容易；

效果二，采用线性调频脉冲压缩技术，既保证最大探测距离，又保证高距离分辨率，实现河流表面速度的测量，2台雷达联合观测，无需修改，可获得河流表面流场分布；

效果三，采用相控阵技术，雷达无需机械运动，直接照射水面进行扫描，获取最大超过3600个水面分辨单元的速度，具有测量功能齐全、免维护、成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明河流雷达装置系统框图；

图2为本发明河流雷达装置调频连续波脉冲信号形式；

图3为本发明河流雷达装置窄脉冲信号形式；

图4为本发明河流雷达装置数字波束形成的处理算法；

图5为本发明河流雷达装置信号处理算法。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

本发明提供一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，包括相控阵天线、综合机箱和电源机柜；所述相控阵天线包括接收天线和发射天线；所述综合机箱内置发射单元、接收单元、信号产生单元、波束形成单元、信号处理单元、数据处理单元、数据传输单元和通讯模块；所述发射单元包括功率放大器，将输入信号放大输出到发射天线，所述接收单元包括16个低噪声放大器，将信号放大送至波束形成单元，所述波束形成单元包括A/D采样、幅度校准、相位校准及波束指向计算。所述信号处理单元包括调频信号脉冲压缩和FFT计算。所述数据处理单元进行谱矩分析，得到径向速度，再融合得到河流的表面速度。所述数据传输单元双向传输数据，将河流表面速度数据发送到指定地点，并接收命令；所述电源机柜内有蓄电池和市电接口，用于接入市电或者其他电源，转换成雷达各部分需要的电源电压。

如图1所示，测流雷达采用相控阵技术实现，收发天线分开。测流雷达工作频段为VHF频段，考虑到尽量提高分辨率，这里举例为50MHz，波长λ为6m。接收采用16根天线阵子，发射采用1根天线阵子。天线阵子设计高度为(1/4)λ，即1.5m。天线支撑杆高度设计为0.5m。接收天线阵子按照一维线阵排列。相控阵天线阵子的间距与扫描角度有关，这里我们设计为0.6λ，即相控阵天线阵子的间距约3.6m。我们设计时发射天线阵子与接收天线阵子排在同一直线上，这样总的天线阵长度约为58m。天线阵的法线方向对着河流，安装在岸上。如果没有足够长度的场地安装天线阵，天线阵子的数量可减少，最少需要4个接收天线阵子。发射天线阵子同时可兼做接收天线幅相测试的工具。

除天线阵和电源外，其他模块都安装在综合机箱中。综合机箱与天线阵子之间采用稳相稳幅的馈线电缆连接，共有17根电缆。综合机箱与相控阵接收天线连接的16根馈线电缆长度相同，与发射阵子连接的馈线电缆可以与其他馈线电缆长度不同。接收单元中有16个低噪声放大器，噪声系数在1.2dB以下。信号部分采用直接射频A/D采样、数字正交相参处理，利用数字波束形成得到各方向的信息。A/D采样频率选用400MHz，采样位数为14位。信号产生采用DDS频率合成，输出到发射单元。发射单元发射峰值功率设计为500W，可以保证探测距离。

16位A/D、数字波束形成及信号处理都在一个模块中实现，模块安装在综合机箱中。数据处理模块采用嵌入式工业控制计算机。信号处理与数据处理通讯采用以太网方式。

该雷达装置在通道校准时采用发射天线作为校准单元，将发射天线分别与每个接收天线单元靠近，距离为1m左右，得到每一路接收通道的幅度和相位。此幅度和相位数据用于数字波束形成的计算中。校准后的16通道之间幅度变化不超过0.5dB，相位变化不超过5°。

该数据传输采用以太网通信技术，也可利用手机信号或其他通信方式完成。

该电源模块提供全雷达各部分的供电，可以使用220V~50Hz的市电，也可以使用12V直流供电。市电与太阳能电源可切换工作。

如图2和图3所示，相控阵河流雷达的信号形式有两种。一种信号形式是调频连续波宽脉冲工作方式，τ1为2μs，PRT1为100μs，占空比为2%，调频带宽B为1MHz。脉冲压缩后的距离分辨率为50m。另一种信号形式是窄脉冲工作方式，τ2为0.33μs，PRT1为80μs，占空比为0.4125%，距离分辨率为50m。这样10km宽度的水面将分为200个测量单元。宽脉冲与窄脉冲的工作方式由数据处理单元指令确定，缺省是宽脉冲与窄脉冲交替进行工作。

如图4所示，波束形成单元接收16路低噪声放大器输出的接收信号，在波束形成单元中完成16路信号的A/D采样，进行数字正交处理，得到IQ信号，对各路之间的幅度和相位进行校准，以补偿16路接收通道的增益与相位的变化。数字波束形成采用加权和相移信号，形成不同角度上的接收波束信号。发射波束在方位角上是全向波束。接收信号加权减少了天线副瓣，相移使波束转向所需的方向。波束宽度取决于天线孔径，即阵列的总长度。雷达扫描角度为±45°，波束跃度我们设计为5°，则有18个波束指向。这样整个10km宽的河流将有3600个分辨单元。

如图5所示，信号处理单元有硬件及软件处理，软件处理算法步骤包括：调频信号脉冲压缩、相干脉冲积累、加窗、FFT计算、杂波抑制、非相干积累。脉冲压缩后距离分辨率可以达到50m以内，实现高分辨率探测。

本发明专利未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，包括相控阵天线、综合机箱和电源机柜；

所述相控阵天线包括接收天线和发射天线；

所述综合机箱内置发射单元、接收单元、信号产生单元、波束形成单元、信号处理单元、数据处理单元、数据传输单元和通讯模块；所述发射单元包括功率放大器，将输入信号放大输出到发射天线，所述接收单元包括16个低噪声放大器，将信号放大送至波束形成单元，所述波束形成单元包括A/D采样、幅度校准、相位校准及波束指向计算；

所述信号处理单元包括调频信号脉冲压缩和FFT计算；

所述数据处理单元进行谱矩分析，得到径向速度，再融合得到河流的表面速度；

所述数据传输单元双向传输数据，将河流表面速度数据发送到指定地点，并接收命令；

所述电源机柜内有蓄电池和市电接口，用于接入市电或者其他电源，转换成雷达各部分需要的电源电压。

2.根据权利要求1所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述接收天线与发射天线一共17根。

3.根据权利要求2所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述接收天线由16根天线阵子采用相控阵技术组成，所述天线阵子之间的间距为0.6λ，所述λ为雷达波长，所述天线阵子按照线阵形式排列；所述发射天线为1根天线阵子。

4.根据权利要求1所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述信号产生单元包括信号发生器及激励源，信号产生单元产生窄脉冲信号及宽脉冲调频连续波脉冲信号，在信号处理单元中完成宽脉冲调频连续波脉冲压缩处理得到信号。

5.根据权利要求3所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述天线阵子接收到信号后，在波束形成单元中完成16路信号的A/D采样，对各路之间的幅度和相位进行校准，得到补偿16路接收通道的增益与相位的变化后的校准信号。

6.根据权利要求5所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述校准信号根据期望的波束指向进行合成，形成接收波束。

7.根据权利要求6所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述接收波束将信号输入到信号处理单元，在信号处理单元中进行脉冲压缩，实现距离上的高精度分辨率，再进行加窗FFT计算，得到功率谱。

8.根据权利要求1所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述雷达装置在通道校准时采用发射天线作为校准单元，将发射天线分别与每个接收天线单元靠近，距离为1m左右，得到每一路接收通道的幅度和相位。

9.根据权利要求8所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述雷达装置为2台相控阵河流雷达，沿河边平行设置或沿河对面设置来获取河流表面流场分布。

10.根据权利要求9所述的基于相控阵技术的高分辨率河流雷达装置，其特征在于，所述2台相控阵河流雷达接收到指令后同时开始发射信号，分别得到河流表面径向速度，采用矢量合成算法，得到河流表面每个监测单元的流速和流向数据。