CN111796274B - 一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法 - Google Patents

一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法，即通过分波束雷达同时获取5个接收波束，获得5个径向方向上的多普勒速度，将5个径向速度进行加权平均，得到最终的河流表面速度，这样就将现场安装的要求降至最低，适合固定测量及移动测量，探测精度高，满足水文测验需求。

Description

一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法
技术领域
本发明涉及水文测量技术领域，特别涉及一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法。
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。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。这些方法均存在一定缺点。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，在洪水灾害发生时其危险性不言而喻。
针对现有技术中存在的不足，有必要设计一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对水文测量要求，提出一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法，步骤如下：
S1：通过分波束天线阵获取5个分离接收波束，并对5个分离接收波束的数据按照时间和距离排列，计算快速傅里叶变换；
S2：对S1得到的结果，按照模型公式(1)分别对5个波束进行最小二乘法拟合，其中f是雷达频率，P是回波功率，fd是多普勒频移，σ是均方根谱宽，PN是噪声贡献，计算得到fd；
Figure GDA0003791863430000021
S3：计算布拉格散射频率
Figure GDA0003791863430000023
将fd减去fb，然后乘以波长除以2，就是所求的径向速度vi(t)，其中i是波束号；
S4：对5个波束都求得径向速度后，按照公式(2)进行加权平均得到实际河流速度，其中θi是第i个波束与河流断面的夹角；
Figure GDA0003791863430000022
S5：根据上位机实时发来的水位数据，与数据处理单元中预存的河流断面数据表，查表得到河流断面面积As；
S6：将表面速度vs(t)乘以河流断面面积As，即得到河流的流量。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出一种分波束雷达装置及其处理方法，形成6个分离波束，同时处理5路接收通道数据，提高雷达的测量精度；
(2)本发明侧扫雷达在某一个天线或者低噪声放大器出现故障时，或者在某一个波束指向上出现干扰时，可以舍去此通道或者波束数据，所述侧扫雷达能够正常工作，满足实际需求，提高雷达的可用性；
(3)本发明侧扫雷达采用分离波束设计，避免了雷达现场安装时对相位一致性的苛刻要求，降低现场安装的难度，雷达安装简单方便。
(4)本发明侧扫雷达采用最小二乘法拟合处理，去掉了副瓣效应并抑制杂波，在低信噪比环境下得到满意的结果，提高雷达的可检测性。
附图说明
图1是本发明分波束雷达系统框图。
图2是本发明分波束雷达信号形式。
图3是本发明分波束雷达波束指向示意图。
图4是本发明分波束雷达处理流程图。
图5是本发明分波束雷达安装架设图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
如图1所示：
一种分波束雷达，包括分波束天线阵、收发模块、信号处理单元、数据处理单元、通讯模块及电源模块。侧扫雷达工作在UHF频段，实施例中工作在415MHz。兼容脉冲多普勒体制和连续波体制，实现高精度河流表面流速检测，通过数学模型计算得到流量。实施例中雷达数据传输采用4G网络通信技术完成。
如图2所示：
一种分波束雷达兼容脉冲多普勒体制和连续波体制，实施例中的连续波体制采用调频中断连续波方式工作，波形如图2(a)所示。脉冲多普勒体制的工作波形如图2(b)所示。在实施例中，图2(a)中的 f0为415MHz，B为15MHz，τ1为2μs，PRT1为2ms。实施例中，图2(b)中的A为10W，τ2为0.0332μs，PRT2为2μs。侧扫雷达频率带宽为30MHz，可达到5m的距离分辨率。发射功率幅度为10W，可以满足50m以上宽度的河流的流速测量要求，最远探测距离超过1km。
如图3所示：
一种分波束雷达的分波束天线阵，由1个发射天线、3个接收天线组成。1个发射天线的发射波束为宽波束，波束宽度必须覆盖接收波束。本实施例中3个接收天线左中右排列，左右两个天线与中间天线夹角为30°，3个接收天线底部之间距离为0.4m。3个接收天线分别形成3个波束，图中的v1、v3、v5波束。1号接收天线与2号接收天线的信号合并形成v2波束。2号接收天线与3号接收天线的信号合并形成v4波束。因此，在本实施例中，在安装没有误差时，θ1＝60°，θ2＝75°，θ3＝90°，θ4＝105°，θ5＝120°。
如图4所示：
信号处理单元的处理算法步骤包括：数据整理排列、脉冲压缩、相干脉冲积累、加窗、FFT计算、最小二乘法拟合、计算径向速度、计算河流断面面积、流量计算等。计算步骤如下：
S1：对5个分离接收波束的数据按照时间和距离排列，计算快速傅里叶变换；
S2：对S1得到的结果，按照模型公式(1)分别对5个波束进行最小二乘法拟合，计算得到fd。
S3：计算布拉格散射频率
Figure GDA0003791863430000041
将fd减去fb，然后乘以波长除以2，就是所求的径向速度vi(t)，其中i是波束号；
S4：对5个波束都求得径向速度后，按照公式(2)进行加权平均得到实际河流速度。
S5：根据上位机实时发来的水位数据，与数据处理单元中预存的河流断面数据表，查表得到河流断面面积As；
S6：将表面速度vs(t)乘以河流断面面积As，即得到河流的流量。
如图5所示：
本实施例中，侧扫雷达安装在河岸上，安装地点与河水的距离大于3m，小于20米。安装架高度大于2-4m。采用4个八木天线构成天线阵，天线阵指向河面上方。
原理：
本申请提出一种新型侧扫雷达，采用非接触监测技术，解决河道的洪水过境时流量监测需求。侧扫雷达装置发射的电磁波与河流表面的波浪相互作用，产生布拉格散射。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，这就是径向多普勒速度。
本发明给出的侧扫雷达采用分波束探测，同时实现5个接收波束，即获得5个径向方向上的多普勒速度。将5个径向速度进行加权平均，得到最终的河流表面速度。这样就将现场安装的要求降至最低，适合固定测量及移动测量，探测精度高，满足水文测验需求。
本发明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。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的 S或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于分波束雷达实时测量河流流量的方法，其特征在于，步骤如下：
S1：通过分波束天线阵获取5个分离接收波束，并对5个分离接收波束的数据按照时间和距离排列，计算快速傅里叶变换；
S2：对S1得到的结果，按照模型公式（1）分别对5个波束进行最小二乘法拟合，其中f是雷达频率，P是回波功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
是多普勒频移，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是均方根谱宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是噪声贡献，计算得到
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(1)
S3：计算布拉格散射频率
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，将
Figure 634991DEST_PATH_IMAGE002
减去
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，然后乘以波长除以2，就是所求的径向速度
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中i是波束号；
S4：对5个波束都求得径向速度后，按照公式（2）进行加权平均得到实际河流速度，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是第i个波束与河流断面的夹角；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(2)
S5：根据上位机实时发来的水位数据，与数据处理单元中预存的河流断面数据表，查表得到河流断面面积
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
S6：将表面速度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
乘以河流断面面积
Figure 270240DEST_PATH_IMAGE012
，即得到河流的流量。
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