CN110618291B - 利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法。将微波测量探头正对河流流速方向设置；采用正交混频减法，得到真实的多普勒频差；对中频信号进行FFT变换，利用软件鉴别波形相位或者采用物理方法鉴别波形相位，鉴别后消除风雨干扰因素。两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频、差频分量，差频分量就是混频所需的中频成分，通过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频。利用相位鉴别，可以消除降雨等干扰因素造成河流、渠道等水面流速受到降雨等干扰因素。通用性高、安装效率高，可以在原来水位计上面进行改动节约时间提高刚性。

Description

利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法

技术领域

本发明涉及利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法。

背景技术

目前，河道流速测量，特别是洪水期的水流流速测量，在水温测量领域一直没有得到很好的解决。传统测量方式为接触式测量，对于大洪水、特大洪水特别是洪峰流量测量，受自然环境和河道漂浮物影响，接触式测量仪器受水流条件的影响不能正常使用，只有用传统的浮标法测量洪水表面流速。浮标法测量需要人员多(多达11人)、测量周期长、测量精度低，尤其是山洪测量中测量人员人身安全受到威胁，与水文测量现代化的发展十分不协调。

2004年水文局提出研发非接触式水面流速仪。经过调研，决定采用微波多谱勒原理研发微波流速仪。2007年开始应用于河道洪水测量。

YMCP-1型非接触式微波流速仪替代浮标法测量水面流速，不受泥沙、漂浮物的影响，适用于一般河道、渠道流速测量，尤其适用于高洪、急流、高含沙量、高污染的河面流速测量。该仪器于2007年研发成功，2008年获得了“黄河水利委员会应用技术创新成果重大奖”。2009年，经水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心监测，取得了“全国工业产品生产许可证”。

YMCP-1型非接触式微波流速仪已生产销售近600余台/套，应用于多个流量测验系统。产品主要分布在黄河流域委属水文测站及新疆、内蒙、西藏、陕西、甘肃、山西、河北、四川等省区。

YMCP-1型非接触式微波测流仪有八大部分组成：其中包括1台YMCP-1型非接触式微波测流仪主机、1套YMCP-1型非接触式微波测流仪数据接收终端、2 套超短波数传电台吸盘天线、2个锂电池充电器、1根RS232数据线 (DB9SL-FQ14_9T)、1根RS232数据线(DB9SL-DB9FL)、1套仪器维护常用工具、1套微波测流仪主机固定支架(定制)。

可选设备有：1套起点距传感器支架(定制)、1套起点距传感器、1套流量自动测控终端(触摸屏)、1套流量自动测控终端外接键盘、2套超短波数传电台全向或定向天、2块12V65AH铅酸电池等。

YMCP-1型非接触式微波测流仪技术指标：

1.测量范围：(V)0.3～15米/秒；

2.测量角度：俯角(θ1)：60°～85°

3.方位角(θ2)：0°～30°，必要时可达60°；

4.测量时段：(T)以秒为单位任意设定，(大水流时可按10秒为单位设定)；

5.测量精度：均方差≤3％；

6.测量距离：流速＞0.8m/s时测量距离最远不小于20m；

7.显示方式：四位LCD显示，显示流速、频率、电池电压、仪器状态故障信息等；

8.通讯接口：超短波电台通讯，RS232C接口；

9.存储容量：8M字节FALASH，128K字节EEPROM；

10.电源：11.1V，8.8Ah大容量可充电锂电池；电源电压：+11.1V DC(电池电压允许波动范围：11.1---12.3V)；

11.平均功耗：小于10W(不包括通讯设备如超短波电台)；

12.工作环境温度：-10℃～50℃；存储温度：-20℃～+60℃；相对湿度：≤95％ (+40℃时)；

YMCP-1型非接触式微波测流仪应用方式：

1)可安装在跨河建筑物(桥梁或缆索)或岸边固定支架上进行固定位置测量；

2)可安装在铅鱼、吊箱或测船等过河载体上进行动态测量；

3)可手持巡测；

4)在流量自动测控终端的管理下，测验断面配置多个流速仪传感器，可实现远程在线流量监测。

YMCP微波流速仪原理是，如图1-2所示，通过微波天线向水面发射频率 37.5GHz的一束微波，在水面发生折射、透射和反射，反射波被微波天线接收。由于多普勒效应，接收到的微波频率发生了改变，根据频率变化量结合微波入射角计算水面流速。

其关系如下：

式中：

fa——多普勒频率；

v——水流速度；

——俯角，发射波和水流方向在垂直面的夹角；

——方向角，发射波和水流方向在水平面的夹角(测量时方向角为 0)；

λ——波长系数，λ＝f_o/c；其中f_o为发射的微波频率，c为电波在空气中的传播速度(3×10⁸m/s)；

详细介绍如下：

根据微波多普勒公式：

测速系统为了能减少采样时间，缩短测量周期，我们选用了位于Ka波段8mm 波长(对应频率为37.5GHz)的微波作为测量微波的中心频率。选用较高的频率，我们可以取的相对明显的多普勒频率变化，根据多普勒公式我们可以看出，当微波波长越短(对应的微波频率越高)时，f_d就越明显。

采用高频的微波波段，收发双工天线可以做的很小，直径可以做到20cm以下，另外波束的宽度可以做小，信号的旁瓣同样缩小，受到的干扰可以降低。微波的传输受到多方面原因的影响，其中传输介质中的漫反射微粒影响比较大，例如暴雨等，但是由于我们采用的多普勒频率测量速度信号，对微波的传输信号幅度要求不高，另外雨衰的问题主要是集中在远距离传播，而我们的采集距离非常近，由于高频带来的雨衰问题可以忽略，而高频使我们的信号采集变的容易，而且可采集的最小流量可以得到提高。

当我们要采集到0.1m/s的径向流速时，根据多普勒频率公式我们可知：

由于微波发射方向和水流之间存在夹角，那么我们根据有最大俯角时0.1m/s 流速来计算可得：

根据计算，我们在具有60°最大俯角时根据仪器的性能是可以稳定的采集到多普勒频率的。

当微波发射方向和水流之间的俯角和方向角同时存在最大夹角时，按水面流速是0.1m/s时计算可得：

因此，我们可以在1秒钟内采集到多普勒频率信号。如果使用的是目前南京中国船舶重工集团公司第724研究所采用的9.3GHz(对应波长为32mm)时，由计算可知：

至少需要1秒钟才能采集到信号，而信号的稳定度等根本无法判断与保证。

现有的微波流速仪安装方式可选，可以正对水流方向，也可以背对水流方向进行测量。降雨时采用异常数据滤除，或者进行多次测量进行真实值智能识别，或者降雨过大时抛弃采集数据，滤除降雨影响。

另一种方法为时间延时判断法，通过延时一定的时间，判断流量的变化幅度不会突然增加或减少，来判断是否是风或者降雨影响真实水面流速。

由于现有技术没有规定如何安装，也不考虑中频频差是正相位还是反相位，统统归纳为水的表面流速，容易将降雨因素加权到真实的水表面流速里去。多次测量、智能识别都存在真实降雨和真实水面流速数据基本上偏差很小，主要集中在8-10米之间的范围，无法分清究竟是降雨的速度还是水面流速的真实数据。延时这种滤波方法对应于大洪水或者特大洪水这样的陡涨陡落河流无法进行流量观测，等到延时结束，真实的水面流速已经降低或者已经起了洪峰，无法及时有效的进行水面流速测量。

发明内容

本发明提出一种利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法，以解决现有非接触测量方法无法消除风雨等因素干扰的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法，将微波测量探头正对河流流速方向设置；采用正交混频减法，得到真实的多普勒频差；对中频信号进行FFT变换，利用软件鉴别波形相位或者采用物理方法鉴别波形相位，鉴别后消除风雨干扰因素。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，采用正交混频减法时，两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频、差频分量，差频分量fLo-fs就是混频所需要的中频成分，通过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，根据多普勒效应，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，并利用正交混频得到的中频频差，可以区分出来微波反射物体是远离波源还是接近波源。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，相对于微波测量探头的位置，水流速度方向距离微波测量探头远，水面反射的信号较弱，检测到需要较高的放大增益；相对于微波测量探头的位置，降雨速度方向是靠近探头，反射信号强，检测需要的放大增益小。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，当电路收到判断为一场的信号频率时，及时反馈给RTU，需要进行去除降雨干扰，让RTU等待。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，第一步，把放大增益调整至最小以进行频率采集，采集到的频率确认为降雨造成的频率干扰；按正常的采集增益进行设置，同时采集到来自水面的信号和来自降雨的信号，去除降雨频率，得到真实的水面流速。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：相对于传统接触式测量方式，其具有测量安全性高、适应性高的特点；相对于现有接触式测量方式，利用相位鉴别，可以消除降雨等干扰因素造成河流、渠道等水面流速受到降雨等干扰因素。本技术通用性高、安装效率高，可以在原来水位计上面进行改动节约时间提高刚性。为以后的维护提供方便。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的微波流速仪的工作原理的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为混频电路的实现模型中的输入信号频谱示意图；

图4为混频器输出电流频谱中的参考示意图；

图5为过零比较器进行波形转换的原理示意图；

图6为本发明的方案中的工作原理示意图；

图7为采用软件处理进行FFT变换的波形图。

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。

本发明利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法的具体实施例：

关于混频电路的设计：

混频是将中心频率为fc(载频)的已调信号υs，不失真地变换为中心频率为fI 的已调信号υI的频率变换过程。通常将υI称为中频信号，fI称为中频频率(简称中频)。

图中，υL＝VLmcosωLt是本地振荡电压，ωL＝2πfL为本振角频率。

f_I＝f_c+f_L或

通常取fI＝fL-fc

混频实质：就频谱搬移观点而言，混频的作用就是将输入已调信号频谱不失真的从fc搬移到fI的位置上。因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器来实现。

其实现模型如下：

输入信号频谱(调制信号为Fmin～Fmax时)，如图3所示。

混频器输出电流频谱：

υ_s＝V_sm[1+a(t)]cosω_ct

设输入调幅波本振信号υ_L＝V_Lmcosω_Lt调制信号为υΩ(t),a(t)∝υΩ(t), 当fL>fc时

乘法器输出电流i为：

如图4所示。

经中频LC中频带通滤波器输出

一般取差频ω I＝ωL-ωC；若取和频ωI＝ωL+ωC。

通常的混频电路有：模拟乘法器混频电路，二极管双平衡混频电路，双差分对混频电路，三极管混频电路。前三者都是用相乘器电路来实现；后者则用非线性器件来实现。

二极管混频的优点是电路简单，噪声干扰小，组合频率分量少，工作频率高，但无混频增益。主要特点是比三极管混频组合频率分量少，产生干扰小；对本振电压没有严格要求。而集成混频和三极管混频增益高；输入信号与本振信号间隔离好；有很大的输入线性动态范围；体积小，易调整，稳定性高。

实际混频电路中，加到输入端的往往是有用信号和多种干扰信号迭加的产物。干扰哨声，寄生通道干扰和各种非线性失真均可能同时存在，往往只有其中某一种或几种是主要的。因此需要采用高Q值的滤波器，低噪声放大器等方法对信号进行处理。

表面流速测量的难点：目前表面流速采用的都是单通道的混频，无论是正向的多普勒信号，或者是反向的多普勒信号，甚至是来自于风，雨等外界的影响因素均处理成水的表面流速信号。在现有微波(电波)流速仪测量河道表面流速的应用中，经常出现风速影响、降雨影响多普勒频移造成流速测量不准的情况，为了解决这一状况，在实际应用中出现了各种各样的方法，本发明主要根据多普勒频移、中频相位和降雨等干扰因素之间的关系，提出一种新的消除这类干扰的方法。

关于正交混频技术：由于从混频电路传送过来的多普勒信号很微弱，一般都是微伏级的信号，所以需要对信号进行放大。根据多普勒的特性和测量范围要求，对放大后的信号还要进行低通滤波和整形，以便为一幅度稳定的方波信号进行频率采样。

为了能达到检测电压的要求，那么根据放大器电压增益

电压增益应该在80dB左右。经过放大的信号含有多种杂波，我们利用低通滤波器将高频信号滤除，留下低频的多普勒信号。

如图5所示，为了能将正弦波变为方波信号以便于检测，我们使用过零比较器进行波形转换，从过零检测器输出的信号幅度一般不会很理想，因此我们要经过一次放大后送给单片机处理。

关于多普勒效应：多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了这一理论.主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化.在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移 blue shift)；当运动在波源后面时,会产生相反的效应.波长变得较长,频率变得较低(红移red shift).波源的速度越高,所产生的效应越大.根据波红(蓝) 移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度.恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度.除非波源的速度非常接近光速,否则多普勒位移的程度一般都很小.所有波动现象都存在多普勒效应。

工作原理说明：

正交混频器的工作原理是两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频、差频分量等。其中差频分量fLo-fs就是混频所需要的中频成分，通过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频。从正交混频器的工作性质可分为二类，即加法正交混频器和减法正交混频器分别得到和频及差频。我们采用的是减法正交混频器，得到频差。

多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。根据这一原理和正交混频得到的中频频差，可以区分出来微波反射物体是远离波源还是接近波源。

如图6所示，设备探头(波源)安装时正对河流来水方向，当河水流动时，反射体相对波源是接近运行的，反射回来的信号频率高于本振频率，是正相位。而降雨在探头上方时，受外壳和天线波束阻挡，并不能反射回波，当越过波源水平面以后，落入水中的过程，是远离设备探头(波源)的，频率降低，是反相位。在设备AD采集后，进行FFT变换处理过程中，将反相位的频率成分通过算法消除，即可得到真实的河流水表面流速，消除了降雨干扰正常河流水表面流速的采集。

图中：1、相对于微波探头A的位置，水流速度方向是靠近探头，多普勒频率表现的现象是频率增高；

2、相对于微波探头A的位置，降雨速度方向是远离探头，多普勒频率表现的现象是频率降低；

在混频时，如果能分清混频前的接收频率是高于发射频率还是低于探头发射频率，可以去掉降雨造成的干扰。

分析：相对于微波测量探头的位置，水流速度方向距离微波测量探头远，水面反射的信号较弱，检测到需要较高的放大增益；相对于微波测量探头的位置，降雨速度方向是靠近探头，反射信号强，检测需要的放大增益小。

当电路收到判断为一场的信号频率时，及时反馈给RTU，需要进行去除降雨干扰，让RTU等待。

第一步，把放大增益调整至最小以进行频率采集，采集到的频率确认为降雨造成的频率干扰；按正常的采集增益进行设置，同时采集到来自水面的信号和来自降雨的信号，去除降雨频率，得到真实的水面流速。

如图6所示，具体方法为：

1、微波测量探头正对河流流速方向；

2、正交混频减法，得到真实的多普勒频差；

3、对中频信号进行了FFT，利用软件鉴别波形相位或者物理方法鉴别波形相位，

4、通过鉴别，利用软件数学方法或者物理方法消除降雨等干扰因素的影响。

其中，软件利用快速FFT傅里叶变换，通过对频率的相位鉴频，得到真正的水表面流速。如图7所示。

其中，相差π个相位，一个最大一个最小，所有量都是相反的。相位相差(2K+1) π，这个是交给软件人员用FFT的函数完成。

采集就是AD采集，然后送单片机进行快速FFT变换，然后根据能量值判断波峰，就是说回波信号，这时候还有相位信息，把风雨这个相位的信号能量去除，这样的就是正常的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.利用正交混频相位消除风雨干扰的微波表面流速测量方法，其特征在于，将微波测量探头正对河流流速方向设置，获取微波反射信号；

当电路收到判断为异常的信号频率时，及时反馈给RTU，需要进行去除降雨干扰，让RTU等待；微波测量探头的位置与水面的距离较远，水面反射的信号较弱，检测到需要较高的放大增益；降雨距离微波测量探头较近，反射信号强，检测需要的放大增益小；

把放大增益调整至最小以进行频率采集，采集到的频率确认为降雨造成的频率干扰；按正常的采集增益进行设置，同时采集到来自水面的信号和来自降雨的信号；

采用正交混频减法，得到真实的多普勒频差；对中频信号进行FFT变换，利用软件鉴别波形相位或者采用物理方法鉴别波形相位，鉴别后消除风雨干扰因素，得到真实的水面流速；

采用正交混频减法时，两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频、差频分量，差频分量fLo-fs就是混频所需要的中频成分，通过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频；

根据多普勒效应，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，并利用正交混频得到的中频频差，可以区分出来微波反射物体是远离波源还是接近波源；

当河水流动时，反射体相对波源是接近运行的，反射回来的信号频率高于本振频率，是正相位；而降雨在探头上方时，受外壳和天线波束阻挡，并不能反射回波，当越过波源水平面以后，落入水中的过程，是远离设备探头的，频率降低，是反相位；将反相位的频率成分通过算法消除，即可得到真实的河流水表面流速。

Images