CN109596856A - 应用在雷达波流速仪的流速测量方法及雷达波流速仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的雷达波流速仪及应用在雷达波流速仪的流速测量方法，根据雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长，并利用修正后的电磁波波长进行流速计算，提高了流速计算的准确度。进一步的，通过将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，提高了多普勒频率值的计算准确度，进而提高了流速计算的准确度。以及利用连带傅里叶变换算法可以在有限的采样点数据下，计算出高精度的多普勒频率值，使得流速计算结果的可以精确到0.1mm/s。

Description

应用在雷达波流速仪的流速测量方法及雷达波流速仪

技术领域

本发明涉及流速仪技术领域，更具体地说，涉及应用在雷达波流速仪的流速测量方法及雷达波流速仪。

背景技术

目前，河流流速的测量通常采用流速仪。流速仪主要分为机械、电测、超声以及雷达波四种类型。机械式、电测和超声属于接触式测量方式。雷达波属于非接触式测量。雷达波流速仪是根据多普勒原理来进行水流流速测量。当雷达波流速仪发射的电磁波照射到流动的水面上时，由于多普勒效应，雷达的接收频率会发生变化。当水面流速方向和电磁波方向一致时，接收到的频率增加。当水面流速方向和电磁波方向相反时，接收到的频率会减小。

但是，现有的雷达波流速仪存在有以下的一些不足：

(1)雷达波流速仪本身的振动影响测量精度。例如，安装在桥面下方的雷达波流速仪，极易受到过往车辆产生的振动的影响。震动产生的频率极易影响到电磁波的接收频率，进而影响雷达波流速仪的测量精度。安装在河岸横杆上的雷达流速仪，受到大风的影响产生震动，更容易影响到电磁波的接收频率。

(2)天气因素影响雷达波流速仪的测量精度。例如，大风以及暴雨等天气，会对电磁波的发射和接收信号产生一定的影响，进而影响雷达波流速仪的测量精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提出应用在雷达波流速仪的流速测量方法及雷达波流速仪，欲实现提高雷达波流速仪的流速测量精度的目的。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种应用在雷达波流速仪的流速测量方法，其特征在于，包括：

获取所述雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压；

依据所述高度、所述温度和所述气压，计算得到修正后的电磁波波长；

采用所述修正后的电磁波波长进行流速计算。

可选的，上述应用在雷达波流速仪的流速测量方法，还包括：

获取所述雷达波流速仪的振动频率和振动幅值；

将电磁波接收信号中振动干扰信号滤除，所述振动干扰信号包括频率为所述振动频率且幅值为所述振动幅值的信号；

根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值。

可选的，所述根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值包括：

根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，利用连带傅里叶变换算法(ZOOMFFT)计算多普勒频率值。

一种雷达波流速仪，包括微控制器，与所述微控制器连接的射频模块、显示控制模块、中频信号处理模块和天气测量模块，以及与所述射频模块连接的天线模块；

所述天气测量模块包括高度传感器、温度传感器和气压传感器，所述高度传感器用于采集所述雷达波流速仪所处位置的高度，所述温度传感器用于采集所述雷达波流速仪所处位置的温度，所述气压传感器用于采集所述雷达波流速仪所处位置的气压；

所述微控制器，用于依据所述天气测量模块采集的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长，并采用所述修正后的电磁波波长进行流速计算。

可选的，上述雷达波流速仪，还包括：与所述微控制器连接的加速度传感器；

所述加速度传感器，用于采集所述雷达波流速仪的方位角、振动频率和振动幅值；

所述中频信号处理模块，用于将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，并将滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号传输至所述微控制器，所述振动干扰信号包括频率为所述振动频率且幅值为所述振动幅值的信号；

所述微控制器，用于根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值。

可选的，所述微控制器，具体用于根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，利用连带傅里叶变换算法计算多普勒频率值。

可选的，所述中频信号处理模块包括：双T型陷波滤波器、带通滤波器和放大器；

所述双T型陷波滤波器，用于将所述射频模块发送的电磁波接收信号中的电源干扰信号滤除，并将滤除干扰电源信号的电磁波接收信号发送至所述带通滤波器，所述电源干扰信号包括频率为电源频率、电源频率二倍、电源频率三倍的信号；

所述带通滤波器，用于将所述双T型陷波滤波器发送的电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，并将滤除振动干扰信号的电磁波接收信号发送至所述放大器；

所述放大器，用于将所述带通滤波器发送的电磁波接收信号进行放大处理，并将放大处理后的电磁波接收信号输出至所述微处理器。

可选的，所述射频模块包括：依次连接的功率放大器、压控振荡器、混频器和低噪声放大器；

所述压控振荡器，用于生成电磁波发射信号；

所述功率放大器，用于对所述压控振荡器生成的电磁波发射信号进行放大，并将放大后的电磁波发射信号传输至所述天线模块；

所述低噪声放大器，用于对所述天线模块接收的电磁波接收信号进行放大，并将放大后的电磁波接收信号传输至混频器；

所述混频器，用于将所述低噪声放大器传输的电磁波接收信号和所述压控振荡器产生的电磁波发射信号进行混频处理，得到中频的电磁波接收信号。

可选的，所述天线模块包括：接收天线和发射天线；

所述接收天线和所述发射天线同时工作。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的雷达波流速仪及应用在雷达波流速仪的流速测量方法，根据雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长，并利用修正后的电磁波波长进行流速计算，提高了流速计算的准确度。

进一步的，通过将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，提高了多普勒频率值的计算准确度，进而提高了流速计算的准确度。以及利用连带傅里叶变换算法可以在有限的采样点数据下，计算出高精度的多普勒频率值，使得流速计算结果的可以精确到0.1mm/s。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种应用在雷达波流速仪的流速测量方法的流程图；

图2为雷达波流速仪的安装示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种应用在雷达波流速仪的流速测量方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种雷达波流速仪的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种雷达波流速仪的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明实施例提供了一种应用在雷达波流速仪的流速测量方法，参见图1，该流速测量方法可以包括步骤：

S11：获取雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压。

在一个具体实施例中，通过设置高度传感器采集雷达波流速仪所处位置的高度；设置温度传感器采集雷达波流速仪所处位置的温度；以及设置气压传感器采集雷达波流速仪所处位置的气压。

S12：依据雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长。

在一个具体实施例中，预先建立温度、气压与空气常量的映射关系；建立高度、气压与气体分子质量常量的映射关系；以及建立温度和温度常量的关系。在流速测量过程中，依据获取的雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压，匹配得到对应的空气常量、温度常量以及气体分子质量常量。根据下面公式计算得到修正后的电磁波波长：

其中，λ表示修正后的电磁波波长，R_air表示空气常量，T_χ表示温度常量，M表示气体分子质量常量，v表示电磁波频率。

S13：采用修正后的电磁波波长进行流速计算。

利用修正后的电磁波波长计算流速的公式如下：

其中，v_r表示河流的流速，f表示多普勒频率值，λ为电磁波的波长，θ为雷达波流速仪和水平面的夹角。参见图2，为雷达波流速仪的安装示意图。

本实施例提供的流速测量方法，根据雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长，并利用修正后的电磁波波长进行流速计算，提高了流速计算的准确度。

本发明实施例提供了另一种应用在雷达波流速仪的流速测量方法，参见图3，该流速测量方法可以包括步骤：

S31：获取雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压。

步骤S31与步骤S11一致，本实施例不再赘述。

S32：获取雷达波流速仪的振动频率和振动幅值。

在一个具体实施例中，设置MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)加速度传感器采集雷达波流速仪的振动频率和振动幅值。

S33：将电磁波接收信号中振动干扰信号滤除。

振动干扰信号包括频率为雷达波流速仪的振动频率，且幅值为雷达波流速仪的振动幅值的信号。在一个具体实施例中，通过中频信号处理模块将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除。通过将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，提高了多普勒频率值的计算准确度，进而提高了流速计算的准确度。

S34：根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值。

在一个具体实施例中，利用连带傅里叶变换算法计算多普勒频率值。具体的，对I通道和Q通道的信号组合起来进行复数FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)，根据FFT频率的正负来判断水流方向与电磁波的方向。然后重新采集数据，对重新采集的数据进行ZOOM FFT变换，从而得出一系列的频率及与频率对应的幅值。按照加权平均的方法得到多普勒频率。以下是加权平均的多普勒频率计算公式：

其中，f表示多普勒频率值。f_i,A_i分别为带宽内的频率及其幅值，i取值1、2、……、n。

利用ZOOM FFT可以在有限的采样点数据下，计算出高精度的多普勒频率值，使得流速计算结果的可以精确到0.1mm/s。

S35：依据雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长。

S36：采用修正后的电磁波波长进行流速计算。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

参见图4，为本发明实施例提供的一种雷达波流速仪。该雷达波流速仪包括微控制器41，与微控制器41连接的射频模块42、显示控制模块43、中频信号处理模块44和天气测量模块45，以及与射频模块42连接的天线模块46。

天线模块46主要对电磁波信号进行放大和滤波。射频模块42进行电磁波的生成和放大以及与微控制器41进行通信，同时产生多普勒信号的差频信号。中频信号处理模块44进行电源干扰信号的滤除等。显示控制模块43实现人机交互功能，主要完成流速计算结果输出和参数设置等。

天气测量模块45包括高度传感器、温度传感器和气压传感器。高度传感器用于采集雷达波流速仪所处位置的高度；温度传感器用于采集雷达波流速仪所处位置的温度；气压传感器用于采集雷达波流速仪所处位置的气压。

微控制器41主要完成各个模块的状态采集及控制，且用于依据天气测量模块45采集的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长，并采用修正后的电磁波波长进行流速计算。

在一个具体实施例中，天线模块46包括接收天线和发射天线；接收天线和发射天线同时工作。

射频模块42包括：依次连接的功率放大器(PA，PowerAmplifier)、压控振荡器(VCO，voltage-controlled oscillator)、混频器和低噪声放大器(LNA，Low NoiseAmplifier)。其中，压控振荡器，用于生成电磁波发射信号；功率放大器，用于对压控振荡器生成的电磁波发射信号进行放大，并将放大后的电磁波发射信号传输至天线模块；低噪声放大器，用于对天线模块接收的电磁波接收信号进行放大，并将放大后的电磁波接收信号传输至混频器；混频器，用于将低噪声放大器传输的电磁波接收信号和压控振荡器产生的电磁波发射信号进行混频处理，得到中频的电磁波接收信号。

中频信号处理模块43包括双T型陷波滤波器、带通滤波器和放大器。双T型陷波滤波器，用于将射频模块42发送的电磁波接收信号中的电源干扰信号滤除，并将滤除电源信号的电磁波接收信号发送至所述带通滤波器，电源干扰信号包括频率为电源频率、电源频率二倍、电源频率三倍的信号。带通滤波器，用于将双T型陷波滤波器发送的电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，并将滤除振动干扰信号的电磁波接收信号发送至放大器；放大器，用于将带通滤波器发送的电磁波接收信号进行放大处理，并将放大处理后的电磁波接收信号输出至微处理器41。

参见图5，为本发明实施例提供的另一种雷达波流速仪。相比图4提供的雷达波流速仪还包括：与微控制器41连接的加速度传感器47。加速度传感器47，用于采集雷达波流速仪的方位角、振动频率和振动幅值。中频信号处理模块44，还用于将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，并将滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号传输至微控制器41，振动干扰信号包括频率为雷达波流速仪的振动频率且幅值为雷达波流速仪的振动幅值的信号；微控制器41，用于根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值。

在本发明一个优选实施例中，微控制器41，具体用于根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，利用连带傅里叶变换算法计算多普勒频率值。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种应用在雷达波流速仪的流速测量方法，其特征在于，包括：

获取所述雷达波流速仪所处位置的高度、温度和气压；

依据所述高度、所述温度和所述气压，计算得到修正后的电磁波波长；

采用所述修正后的电磁波波长进行流速计算。

2.根据权利要求1所述的流速测量方法，其特征在于，还包括：

获取所述雷达波流速仪的振动频率和振动幅值；

将电磁波接收信号中振动干扰信号滤除，所述振动干扰信号包括频率为所述振动频率且幅值为所述振动幅值的信号；

根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值。

3.根据权利要求1所述的流速测量方法，其特征在于，所述根据滤除干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值包括：

根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，利用连带傅里叶变换算法计算多普勒频率值。

4.一种雷达波流速仪，包括微控制器，与所述微控制器连接的射频模块、显示控制模块和中频信号处理模块，以及与所述射频模块连接的天线模块，其特征在于，还包括：与所述微控制器连接的天气测量模块；

所述天气测量模块包括高度传感器、温度传感器和气压传感器，所述高度传感器用于采集所述雷达波流速仪所处位置的高度，所述温度传感器用于采集所述雷达波流速仪所处位置的温度，所述气压传感器用于采集所述雷达波流速仪所处位置的气压；

所述微控制器，用于依据所述天气测量模块采集的高度、温度和气压，计算得到修正后的电磁波波长，并采用所述修正后的电磁波波长进行流速计算。

5.根据权利要求4所述的雷达波流速仪，其特征在于，还包括：与所述微控制器连接的加速度传感器；

所述加速度传感器，用于采集所述雷达波流速仪的方位角、振动频率和振动幅值；

所述中频信号处理模块，用于将电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，并将滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号传输至所述微控制器，所述振动干扰信号包括频率为所述振动频率且幅值为所述振动幅值的信号；

所述微控制器，用于根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，计算多普勒频率值。

6.根据权利要求5所述的雷达波流速仪，其特征在于，所述微控制器，具体用于根据滤除振动干扰信号后的电磁波接收信号，利用连带傅里叶变换算法计算多普勒频率值。

7.根据权利要求5所述的雷达波流速仪，其特征在于，所述中频信号处理模块包括：双T型陷波滤波器、带通滤波器和放大器；

所述双T型陷波滤波器，用于将所述射频模块发送的电磁波接收信号中的电源干扰信号滤除，并将滤除电源信号的电磁波接收信号发送至所述带通滤波器，所述电源干扰信号包括频率为电源频率、电源频率二倍、电源频率三倍的信号；

所述带通滤波器，用于将所述双T型陷波滤波器发送的电磁波接收信号中的振动干扰信号滤除，并将滤除振动干扰信号的电磁波接收信号发送至所述放大器；

所述放大器，用于将所述带通滤波器发送的电磁波接收信号进行放大处理，并将放大处理后的电磁波接收信号输出至所述微处理器。

8.根据权利要求4所述的雷达波流速仪，其特征在于，所述射频模块包括：依次连接的功率放大器、压控振荡器、混频器和低噪声放大器；

所述压控振荡器，用于生成电磁波发射信号；

所述功率放大器，用于对所述压控振荡器生成的电磁波发射信号进行放大，并将放大后的电磁波发射信号传输至所述天线模块；

所述低噪声放大器，用于对所述天线模块接收的电磁波接收信号进行放大，并将放大后的电磁波接收信号传输至混频器；

所述混频器，用于将所述低噪声放大器传输的电磁波接收信号和所述压控振荡器产生的电磁波发射信号进行混频处理，得到中频的电磁波接收信号。

9.根据权利要求4所述的雷达波流速仪，其特征在于，所述天线模块包括：接收天线和发射天线；

所述接收天线和所述发射天线同时工作。