CN111006743A - 一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，使用多发多收雷达天线，能够区别雷达照射范围内不同位置的物体，从而排除河堤等干扰物，能够区分不同材质的物体，进而能够区分水面和其他物体，当有干扰物体进入测量范围中心，可以通过分析物体是不是水面，从而排除漂浮物、船只等物体的干扰，减小测量误差，测量更为准确。

Description

一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法

技术领域

本发明属于水位测量技术领域，涉及一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法。

背景技术

雷达水位计是一种采用雷达技术实现水位测量的水文仪器，测量时不受温度梯度、水流流速的影响，具有完全非接触的特点，同时在精度上高于机械式或压力式水位计，在不方便建水位井及需要高精度数据的环境中有着很强的应用需求。

目前市面上的平面雷达波水位计和脉冲雷达水位计都是单个发射天线，单个接收天线，只能测量在雷达天线波束宽度范围内的平面，不能区分不同材质的物体，有其他物体进入雷达照射平面内，会影响测量结果，并且当安装高度较高时，雷达照射水面范围会很大，范围内更容易出现干扰物体。此外，当雷达水位计安装在岸边时，枯水期，岸边的水位下降，露出河床，此种情况不能区分陆地与水面，因此更容易出现测量误差。因此，现有基于平面雷达水位计的测量方法得到的测量结果其误差仍然较大，不能满足日益提高的精度要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，包括如下步骤：

步骤1，采用雷达水位计对水面进行扫射，所述雷达水位计安装在水面上方；

步骤2，针对扫射范围内的物体，计算X方向和Y方向干扰物体和中心的位置；

步骤3，结合反射率的差异、水面的波动、以及波动的周期性来区分干扰物体是否为水面：

步骤4，当确定干扰物体是水面后，根据雷达水位计测量的空高得到水位值。

进一步的，所述步骤2包括如下过程：

对于任意一个物体，8个方位角天线处的信号为：

上述信号经过傅里叶变换将产生一个峰值W_x，如果k_MAX代表序列

傅里叶变换峰值的索引，则

计算范围为：

其中，c是光速，k_r是范围索引，F_SAMP是采样频率，S是线性调频斜率，N_FFT是傅里叶变换数组长度；

基于对上述计算R和W_x，

则可得物体×方向上的位置，同理得到物体Y万同的位置。

进一步的，所述步骤3包括如下过程：

基于物体的原始测量信号的1DFFT频谱的索引值k，设索引k对应傅里叶变换幅值为V_a，1DFFT频谱为X[n]，对应的X[k]的复数表示为a+bi，则

V_a＝a²+b²

一个测量周期内进行32次测量，测量值分别为：

V_a1，V_a2，V_a3，...，V_a32

找到上述测量值中的最大值V_amax：

V_amax＝MAX(V_a1，V_a2，V_a3，...，V_a32)

V_ax的相位通过带通滤波器以捕获相位变化，并计算此相位变化在一个周期内的功率总和，将其定义为W，设V_ax的相位为P，则有：

P＝tan(a，b)

P_x＝P-P_r

式中P_r为上一个测量的相位，P_x为相位差；

相位变化值通过带通滤波器得到滤波值为O_FP，

式中a₀，a₁，a₂，b₀，b₁，b₂为二阶滤波器的系数，其决定滤波器的频率响应以及增益。

根据O_FP得出W，

式中OFP_i为一个周期内第i个滤波值O_FP；

对一个周期内的32个滤波值O_FP进行傅里叶变换，变换得到的峰值为O_CM；

将上述的V_amax、W、O_CM三个值通过加权的方式求和得到区分水面还是其他物体的指标Q，则Q为：

Q＝a₁×V_amax+a₂×W+a₃×O_CM

式中a₁，a₂，a₃为加权系数；

判断当Q的变动超过阈值范围时则认为被测量物是水面。

进一步的，所述步骤4中，当确定被测量物体是水面之后，用频谱插值法和选带傅里叶变换对相对应的1DFFT频谱进一步细化，得到精确的空高和水位值。

进一步的，所述步骤4具体包括如下步骤：

使用选带傅里叶变换可以识别频谱的细微结构，对目标频段进行高频率分辨率的分析，目标频段的中心为目标距离对应原始测量信号的1DFFT频谱的索引值k，对目标频段所在局部频段进行细化，细化倍数为D，频率分辨率提高了D倍；通过对细化后频谱进行分析，找到索引值k对应细化后频谱的频谱点索引值k′，然后可得差频频率f_D为

进一步得到精确的测量距离d为

式中c为光速；

此处求得的距离d即为精确的空高，用设定的基值减去空高得到水位值。

进一步的，所述对目标频段所在局部频段进行细化的过程包括：

步骤1：复调制移频，将目标频带的中心频率移至频率轴的零点处；

步骤2：低通滤波，对移频后的信号进行低通滤波，滤除分析频段以外的高频信号；

步骤3：重新采样，以上两步完成后，将原采样率降低D倍进行重新采样，即对原始测量信号序列间隔D点再采样一次，D为细化倍数；

步骤4：傅里叶变换频谱分析，对重新采样之后的时域信号进行傅里叶变换；

步骤5：频率调整，经过傅里叶变换得到的是以零频点为中心的一段频谱，将其移至实际频率处求出细化之后的真实频谱。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供的基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，使用多发多收雷达天线，能够区别雷达照射范围内不同位置、不同材质的物体，从而能够区分水面和其他物体，当有干扰物体进入测量范围内，可以通过分析物体位置和是不是水面，从而排除干扰，误差小，测量更为准确。

附图说明

图1为本发明方法应用场景下雷达水位计安装示意图。

图2为天线示意图。

图3为相位差示意图。

图4为水和其他物体的测试数据对比图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明实施例中，雷达水位计安装如图1所示，从X方向和Y方向对扫射范围内的物体进行扫描。图1中，雷达照射的范围内有物体A和物体B，雷达天线分别从X方向和Y方向进行扫描，确定X方向A和B的位置(X_A，Z)和(X_B，Z)，Y方向A和B的位置(Y_A，Z)和(Y_B，Z)，以及中心位置(X_o，Z)和(Y_o，Z)。

图2为天线示意图，其体现了X、Z相对于天线位置的方向。图3为W_x示意图，是2DFFT频谱的连续接收接收天线之间的相位差，距离AB表示相交连续方位天线波前之间的相对距离，

变换得到W_x＝πsinθ。与右天线相比，左天线的相位提前，并且天线索引从右向左递增，相位递增为W_x。对于任意一个物体，8个方位角天线处(虚拟天线2×4)的信号为：

上述信号经过傅里叶变换将产生一个峰值W_x，如果k_MAX代表序列

傅里叶变换峰值的索引，则

计算范围(以米为单位)为：

其中，c是光速(m/s)，k_r是范围索引，F_SAMP是采样频率(Hz)，S是线性调频斜率(Hz/s)，N_FFT是傅里叶变换数组长度。基于对上述计算R和W_x，

以X和Z为坐标轴，雷达水位计为原点构成二维平面坐标系，则在X轴上的被测量的物体坐标为(X，Z)，即得图1中X轴上物体A的坐标为(X_A，Z)，物体为B(X_B，Z)，以及雷达照射水面中心的位置(X_o，Z)。

(Y，Z)的测量原理与上述方法相同，因此也可以得到图1中Y轴上物体A的坐标为(Y_A，Z)，物体B的坐标为(Y_B，Z)，以及中心的坐标(Y_o，Z)。则可得干扰物体X方向上到中点的距离，同理得到干扰物体Y方向到中点的距离。

当找到目标物体后，就需要区分测量物体是水面还是其他物体，这就需要对其是否是水面进行判别。本发明从反射率的差异、水面的波动、以及波动的周期性这三个方面来进行判断。

通过区别不同物体的位置，进而判断目标物体(雷达水位计正下方的水面)的距离。

首先使用上述判断物体位置的方法确定目标到雷达水位计的距离(该距离为空高，需要设置一个基值，测得数值与之相减得到水位值)之后，找到空高对应的原始测量信号的1DFFT频谱的索引值k，设索引k对应傅里叶变换幅值为V_a，1DFFT数组为X[n]，对应的X[k]的复数表示为a+bi，则

V_a＝a²+b²

一个测量周期内进行32次测量，测量值分别为：

V_a1，V_a2，V_a3，...，V_a32

找到上述测量值中的最大值V_amax：

V_amax＝MAX(V_a1，V_a2，V_a3，...，V_a32)

影响V_amax最大的因素是不同物体的反射率不同，而不同物体的反射率需要根据实际测量给出一个反射率的区间，只需要确定水面的反射率，在最后进行加权时确定系数。

接下来对是否运动进行分析，V_ax的相位通过带通滤波器以捕获相位变化，并计算此相位变化在一个周期内的功率总和，将其定义为W。设V_ax的相位为P，则有：

P＝tan(a，b)

P_x＝P-P_r

式中P_r为上一个测量的相位，P_x为相位差。

相位变化值通过带通滤波器得到滤波值为O_FP，

式中a₀，a₁，a₂，b₀，b₁，b₂为二阶滤波器的系数，其决定滤波器的频率响应以及增益。

根据O_FP得出W，

式中

为一个周期内第i个滤波值O_FP。

最后对运动的周期性进行分析，对一个周期内的32个滤波值O_FP进行傅里叶变换，变换得到的峰值为O_CM。

将上述的V_amax、W、O_CM三个值通过加权的方式求和得到区分水面还是其他物体的指标Q，则Q为：

Q＝a₁×V_amax+a₂×W+a₃×O_CM

式中a₁，a₂，a₃为加权系数，其中a₁＝α×β，α为水面的反射率，β为V_amax加权系数。该系数是在实验条件下给定的。

确定被测量物体是水面之后，需要用选带傅里叶变换对相对应的1DFFT频谱进一步细化，提高距离测量精度。

具体步骤：

使用选带傅里叶变换可以识别频谱的细微结构，对目标频段进行高频率分辨率的分析，目标频段的中心为目标距离对应原始测量信号的1DFFT频谱的索引值k。该算法对目标频段所在局部频段进行细化，细化倍数为D，频率分辨率提高了D倍，具体内容如下：

步骤1：复调制移频，将目标频带的中心频率移至频率轴的零点处。

步骤2：低通滤波，对移频后的信号进行低通滤波，滤除分析频段以外的高频信号。

步骤3：重新采样，以上两步完成后，将原采样率降低D倍进行重新采样，即对原始测量信号序列间隔D点再采样一次，D为细化倍数。

步骤4：傅里叶变换频谱分析，对重新采样之后的时域信号进行傅里叶变换。

步骤5：频率调整，经过傅里叶变换得到的是以零频点为中心的一段频谱，将其移至实际频率处求出细化之后的真实频谱。

通过对细化后频谱进行分析，找到索引值k对应细化后频谱的频谱点索引值k′，然后可得差频频率f_D为

进一步得到精确的测量距离d为

式中c为光速。

此处求得的距离d即为精确的空高，进一步用设定的基值减去空高可以得到水位值。

本发明实验将水位计固定在1.5m高处，正下方分别放置一个装了水的容器和装了沙土的容器，测试数据如图4所示。经过多次实验，放置不同种类的干扰物，我们初步确定区分水面与其他物体的阈值为100，如果

在±100以内变动则认为被测量物体不是水面，而

的变动超过了±100就认为被测量物体是水面，当

的变动在±100范围内时则认为被测量物体非水面。

采用本方法设计的制作的的雷达水位计，利用雷达水位计检测的十米水位台进行实验，将水位计安装在可移动的标尺上，通过标尺移动的距离模拟水位，在0-10m的量程内按步距50cm移动标尺。在被测量水池里放置两个塑料干扰物体，干扰物体在水池里不规则移动，水池四周的路面模拟河流的岸边，测试的数据如下(单位厘米)：

表1测量数据表

实验结果表明，本发明方法测量数据误差均小于2cm，符合行业标准，同时不受干扰物体等的干扰。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用雷达水位计对水面进行扫射，所述雷达水位计安装在水面上方；

步骤2，针对扫射范围内的物体，计算X方向和Y方向干扰物体和中心的位置；

步骤3，结合反射率的差异、水面的波动、以及波动的周期性来区分干扰物体是否为水面：

步骤4，当确定干扰物体是水面后，根据雷达水位计测量的空高得到水位值。

2.根据权利要求1所述的基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下过程：

对于任意一个物体，8个方位角天线处的信号为：

上述信号经过傅里叶变换将产生一个峰值W_x，如果k_MAX代表序列

傅里叶变换峰值的索引，则

计算范围为：

其中，c是光速，k_r是范围索引，F_SAMP是采样频率，S是线性调频斜率，N_FFT是傅里叶变换数组长度；

基于对上述计算R和W_x，

则可得物体X方向上到中点的距离，同理得到物体Y方向到中点的距离。

3.根据权利要求2所述的基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，其特征在于，所述步骤3包括如下过程：

基于物体的原始测量信号的1DFFT频谱的索引值k，设索引k对应傅里叶变换幅值为V_a，1DFFT频谱为X[n]，对应的X[k]的复数表示为a+bi，则

V_a＝a²+b²

一个测量周期内进行32次测量，测量值分别为：

V_a1， V_a2， V_a3，..， V_a32

找到上述测量值中的最大值V_amax：

V_amax＝MAX(V_a1， V_a2， V_a3，...， V_a32)

V_ax的相位通过带通滤波器以捕获相位变化，并计算此相位变化在一个周期内的功率总和，将其定义为W，设V_ax的相位为P，则有：

P＝tan(a，b)

P_x＝P-P_r

式中P_r为上一个测量的相位，P_x为相位差；

相位变化值通过带通滤波器得到滤波值为O_FP，

式中a₀，a₁，a₂，b₀，b₁，b₂为二阶滤波器的系数，其决定滤波器的频率响应以及增益；

根据O_FP得出W，

式中

为一个周期内第i个滤波值O_FP；

对一个周期内的32个滤波值O_FP进行傅里叶变换，变换得到的峰值为O_CM；

将上述的V_amax、W、O_CM三个值通过加权的方式求和得到区分水面还是其他物体的指标Q，则Q为：

Q＝a₁×V_amax+a₂×W+a₃×O_CM

式中a₁，a₂，a₃为加权系数；

判断当Q的变动超过阈值范围时则认为被测量物是水面。

4.根据权利要求1所述的基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，其特征在于：所述步骤4中，当确定被测量物体是水面之后，用频谱插值法和选带傅里叶变换对相对应的1DFFT频谱进一步细化，得到精确的空高和水位值。

5.根据权利要求5所述的基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：

使用选带傅里叶变换可以识别频谱的细微结构，对目标频段进行高频率分辨率的分析，目标频段的中心为目标距离对应原始测量信号的1DFFT频谱的索引值k，对目标频段所在局部频段进行细化，细化倍数为D，频率分辨率提高了D倍；通过对细化后频谱进行分析，找到索引值k对应细化后频谱的频谱点索引值k′，然后可得差频频率f_D为

进一步得到精确的测量距离d为

式中C为光速；

此处求得的距离d即为精确的空高，用设定的基值减去空高得到水位值。

6.根据权利要求5所述的基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法，其特征在于，所述对目标频段所在局部频段进行细化的过程包括：

步骤1：复调制移频，将目标频带的中心频率移至频率轴的零点处；

步骤2：低通滤波，对移频后的信号进行低通滤波，滤除分析频段以外的高频信号；

步骤3：重新采样，以上两步完成后，将原采样率降低D倍进行重新采样，即对原始测量信号序列间隔D点再采样一次，D为细化倍数；

步骤4：傅里叶变换频谱分析，对重新采样之后的时域信号进行傅里叶变换；

步骤5：频率调整，经过傅里叶变换得到的是以零频点为中心的一段频谱，将其移至实际频率处求出细化之后的真实频谱。

Images