CN111812653A - 一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，包括雷达主机单元、收发单元和地面控制端单元，其中：所述雷达主机单元用于完成双路雷达回波信号的采集、处理和传输，还包括时基控制、高压快脉冲形成和电源控制功能，且所述雷达主机单元包括ARM控制模块、数字控制模块、通信电路模块、电源管理模块；所述收发单元用于对水文相态的要素进行测量，包括双频天线模块、发射机模块和接收机模块，并固定在屏蔽体内作为一个整体；所述地面控制站单元用于接收和显示接收到的数据，包括计算机。通过本发明实现无人化平台搭载对冰厚和水深进行远程、非接触式实时测量，为水上作业提供精确的水文探测信息，具有广阔的市场应用前景与经济价值。

Description

一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统
技术领域
本发明涉及水文测量的无人机载雷达的技术领域，尤其涉及一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统。
背景技术
寒冷地区的水面冬季结冰是一种普遍的物理现象,冰面可以作为重要的交通运输备辅通道，还可以为抢险救灾提供运输路径，为渔民提供冬季捕鱼手段。但如若事先不知道不同位置的冰层厚度和冰层承载量，冰冻在给人带来便利的同时又时刻潜伏着危机,如正常行驶在冰面上的车辆会因突然出现冰面爆裂而掉入江河中,渔民和冰上娱乐行人亦会掉入冰下，给人民群众的生命财产带来安全威胁和社会影响。
目前研究最为火热的探冰雷达是贴地探测雷达，1960年代,由英国剑桥大学斯科特极地研究中心开发研制的SPRIMARK I是最早的专门用于冰层厚度探测的雷达系统。随后，丹麦技术大学(TD)、英国南极局(BAS)和美国军事电子实验室(USAEL)等单位也有所研究，这些探冰雷达均为段脉冲型,体型比较大,搭载的平台有飞机、汽车等,工作频率较低,主要集中在30～600MHz,用于对格陵兰和南极的海面浮冰、冰川和冰盖的厚度及冰下地形进行探测。2001年,NASA和NSF联合资助堪萨斯大学研制了宽带冰厚探测相干雷达(WCORDS)系统和多频带多基合成孔径雷达系统,分别用于冰厚和浅层冰盖、冰层内部的高分辨率探测以及冰层及冰下环境的二维精确探测。2008年,堪萨斯大学又研制了多通道深部探测雷达(MCRDS)，对东南极内陆Dome A区域进行了大范围的航空探测。国外除了用于探测极地冰盖的大型雷达外,用于海冰探测的小型雷达也有非常深入的研究。相应的研制了专用于冰封期和消融期湖冰海冰的C波段SAR雷达、X波段SAR雷达以及Ku波段散射计。
我国在上世纪80年代探冰雷达技术研究取得了重大的突破，国家海洋局为了对辽东湾进行近海薄冰进行观测,在其东岸鱿鱼圈太子山上搭建了我国首座岸基地面雷达观测站,实时为预报部门提供雷达海冰检测信息,预报海冰流动、增长消融等情况。大连海事大学成功研制了国内首台雷达冰厚仪,这台仪器的出现及时地解决了海上作业工程的海面薄冰厚度和其它海冰关键参数的监测问题。2000年以来中国海洋石油公司天津分公司与大连海事大学合作,率先在国内开展了渤海海湾冰区石油平台对外输送油轮航道上海冰的监测、预报工作。
水文观测领域多采用多普勒雷达和声波雷达进行江湖海水水深的测量工作,此两型雷达在进行水深探测时需要将其放置于水中也即需要与水进行接触探测,都无法直接在结冰后的冰面上穿透冰层进行水深的探测。因此，目前直接通过冰层进行冰下水深的探测工作国内外开展相关研究工作较少，并且还没有集水深和冰厚同时测量功能于一体的非接触式雷达系统。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，该系统能够利用双频天线对水深和冰厚两种要素同时进行测量，并且可以搭载于无人机等机动运输平台上，实现对水文状态的非接触式、安全、机动灵活的测量。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，包括雷达主机单元、收发单元和地面控制端单元，其中：所述雷达主机单元用于完成双路雷达回波信号的采集、处理和传输，还包括时基控制、高压快脉冲形成和电源控制功能，且所述雷达主机单元包括ARM控制模块、数字控制模块、通信电路模块、电源管理模块；所述收发单元用于对水文相态的要素进行测量，包括双频天线模块、发射机模块和接收机模块，并固定在屏蔽体内作为一个整体；所述地面控制站单元用于接收和显示接收到的数据，包括计算机。
进一步的，在本发明中：所述ARM控制模块用于实现人机交互和数据的存储、传输功能，包括ARM开发板，所述ARM控制模块与所述通信电路模块通过网络接口实现数据传输。
进一步的，在本发明中：所述数字控制模块用于信号的采集、处理和控制，包括DSP信号采集处理电路和时序控制电路，所述DSP信号采集处理电路能够计算水文相态结果数据，所述时序控制电路用于对所述收发单元进行控制。
进一步的，在本发明中：所述通信电路模块用于实现数据的有线和无线远距离传输功能，通过ARM开发板集成的网口和USB串口提供USB和以太局域网LAN传输，通过外置WIFI模块实现WIFI无线传输。
进一步的，在本发明中：所述电源管理模块提供系统的供电输出和电源管理，包括内置可插拔的锂离子电池和外置充电接口。
进一步的，在本发明中：所述双频天线模块用于测量水文相态的数据，包括200MHz和900MHz领结型天线，且900MHz天线设置于内侧，200MHz天线设置于外侧，天线的中心线重合。
进一步的，在本发明中：所述发射机模块用于产生亚纳秒级脉冲信号，包括纳秒级脉冲源和阶跃恢复二极管整形电路。
进一步的，在本发明中：所述接收机模块包括取样接收机，能够通过等效采样技术将双频天线模块传输来的射频信号转换成与原信号形状相同的中频信号。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本系统通过无人化平台搭载雷达对水文状况进行远程非接触式测量，避免了测量中与水面的直接接触，测量过程更加安全、高效；
(2)本系统能够通过双频天线同时对冰厚和水深进行测量，同时测量两种要素相对于传统的单一水文要素测量更加全面；
(3)本系统结构简单、体积小且便于携带，适用于实际应用中的海上或远程作业，降低了成本、经济价值更高；
(4)本系统测量的实时性高，有利于获取更加可靠的数据，通过屏幕实时展现测量的状况，方便实际作业人员的参考。
附图说明
图1为一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统的结构模块示意图；
图2为本发明系统中ARM控制模块芯片结构示意图；
图3为本发明系统中DSP信号采集处理电路原理结构示意图；
图4为本发明系统中DSP信号采集处理工作流程示意图；
图5为本发明系统中时序控制电路原理示意图；
图6为本发明系统中双频天线的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1所示，本发明提出了一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，包括雷达主机单元、收发单元和地面控制端单元，其中，雷达主机单元包括ARM控制模块、数字控制模块、通信电路模块、电源管理模块；收发单元包括双频天线模块、发射机模块和接收机模块，其中，双频天线模块用于测量水文相态的数据，包括200MHz和900MHz领结型天线，且900MHz天线设置于内侧，200MHz天线设置于外侧，天线的中心线重合；地面控制站单元包括计算机。
具体的，雷达主机单元用于完成双路雷达回波信号的采集、处理和传输。参照图2的示意，雷达主机单元中的ARM控制模块用于实现人机交互和数据的存储、传输功能，包括ARM开发板，本实施例中优选为三星4412处理器的idea6410ARM开发板，ARM控制模块与通信电路模块通过网络接口实现数据的远距离传输。
数字控制模块用于信号的采集、处理和控制，包括DSP信号采集处理电路和时序控制电路，DSP信号采集处理电路能够计算水文相态结果数据，时序控制电路用于对所述收发单元进行控制。参照图3的示意，本实施例构建的DSP信号采集处理电路以TI公司的浮点处理器TMS320C6713为核心，配合外围电路完成数据的采集、处理和传输；选用电流型D/A转换器和集成运放实现雷达信号的程控放大，A/D转换器优选为两路16位AD采集芯片；选用MICRON公司的MT48LC32M16作为外部数据存储器，AMD公司的AM29LV800B作为外部程序存储器，可编程逻辑器件选用EPM570。与ARM控制模块的通信，选用PHILIPS公司ISP1581作为接口芯片，接口协议为USB1.1传输协议。与时序控制电路的通信采用DSP芯片的SPI串口，DSP信号采集处理电路能够向时序控制电路发送控制参数命令，同时时序控制电路返回两通道采集同步用的Fscan和Fad标记信号。采用IL611隔离电路作为DSP信号采集处理电路和时序控制电路之间的隔离电路。
优选的，参照图4的示意，DSP信号采集处理电路工作过程采用分时工作模式，T1时刻为双频天线模块中900MHz天线进行收发完成一次数据的采集和处理，T2时刻为200MHz天线进行收发完成一次数据的采集和处理，如此反复轮回。
优选的，参照图5的示意，时序控制电路选用以ALTERA公司MAXII系列的EPM570T100C4芯片为核心，配合外围电路形成触发信号控制收发单元的发射机和接收机实现对雷达回波的等效取样。CPLD选用ALTERA公司MAXII系列的EPM570T100C4芯片，CPLD芯片内模拟了一个SPI串行接口，通过串行方式接受上位DSP控制芯片发送的参数指令，控制产生所需的信号。延时电路选用onsemi公司生产的高精度LVPECL电平可编程延时线芯片。脉冲形成电路由CCD驱动芯片和变压器B7组成，将触发信号转变为互补脉冲信号，并叠加0.18mH的电感线圈产生的高压形成脉冲源触发信号和接收机触发信号，通过MMCX连接器送到收发单元的发射机和接收机模块中。
通信电路模块用于实现数据的有线和无线远距离传输功能，该模块能够实现的信息传输的模式包括USB、以太局域网LAN和WIFI无线传输模式，具体通过ARM开发板集成的网口和USB2.0串口提供USB和以太局域网LAN传输，通过外置WIFI模块实现WIFI无线传输。
电源管理模块提供系统的供电输出和电源管理，包括内置可插拔的锂离子电池和外置充电接口。电源管理模块优选采用内置可插拔的78Wh锂离子电池，具有外置充电接口。并采用模块化设计，各部分电压使用DC-DC电源模块隔离，模块表面使用3M散热胶进行传导散热。电源管理模块通过LM2596芯片向DSP信号采集处理电路和ARM控制模块供电，通过LM2596和AZ1084D芯片向时序控制电路供电，通过MAX1856EUB芯片产生高压电。
收发单元用于对水文相态的要素进行测量，该单元的各个模块固定在屏蔽体内作为一个整体。收发单元的双频天线模块分别采用200MHz和900MHz领结型天线测量水文状态，包括水深和冰厚数据，领结型天线均由一对三角形金属板构成，顶角为60°，高频天线放置在内侧，低频天线放置在外侧，屏蔽壳的高度由低频天线频率决定，两幅天线的中心线重合，天线吸波材料采用多层渐进变化的微波吸收介质，减小高频震荡，降低收发间的耦合，提高隔离度。
发射机模块用于产生亚纳秒级脉冲信号，包括纳秒级脉冲源和阶跃恢复二极管整形电路。其中，纳秒级脉冲源优选采用2N2222A型雪崩三极管，阶跃恢复二极管优选采用ASI公司的5082-0153型阶跃恢复二极管。进一步的，发射机电路板材选用RF-4材料做成四层印制电路板，顶层和底层放置元器件，内部两层分别放置地层和低压电。器件放置时高频部分和低频部分分开，两个平衡信号对称走线，各匹配电阻等器件也对称排列，地线回路尽可能短，器件的接地管脚通过过孔直接连接到顶层的大面积地，而不能在底层直接连接形成回路，这样做从而免形成接地反弹。
接收机模块包括取样接收机，能够通过等效采样技术将双频天线模块传输来的射频信号转换成与原信号形状相同的中频信号。具体的，取样门选用集成肖特基二极管桥来进行设计取样。接收机的布线方式采用顶层和底层布置元器件、高频部分和低频部分分开、两个平衡信号对称走线、各匹配电阻等器件也对称排列的方式。取样脉冲走线采用微带线从而达到良好匹配，地线回路需要尽量缩短，器件的接地管脚要通过过孔直接连接到底层的大面积地上，而不能在底层直接连接形成回路，从而避免形成接地反弹。
地面控制站单元用于接收和显示接收到的数据，包括计算机。本实施例中优选使用便携的笔记本电脑，通过电脑的显示屏能够将接收到的数据信息进行显示，使用者可以通过计算机实时获取到水深冰厚的数据结果。
本发明提出的非接触式冰厚水深实时测量一体化雷达系统，可以通过无人化平台搭载对冰厚和水深进行非接触式实时测量，具有实时性高、同时测量两种要素、测量精度高、体积小、方便携带、安全系数高、结构简单、成本低、可靠性高等有益技术效果。综上，通过建立并实施本发明设计的冰厚水深实时测量一体化雷达系统，可为预报海冰流动、海上工程作业、江河防凌破冰、冬季冰上捕鱼以及冰上娱乐等领域提供精确的水文探测信息，具有广阔的市场应用前景与经济价值。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：包括雷达主机单元、收发单元和地面控制端单元，其中：
所述雷达主机单元用于完成双路雷达回波信号的采集、处理和传输，还包括时基控制、高压快脉冲形成和电源控制功能，且所述雷达主机单元包括ARM控制模块、数字控制模块、通信电路模块、电源管理模块；
所述收发单元用于对水文相态的要素进行测量，包括双频天线模块、发射机模块和接收机模块，并固定在屏蔽体内作为一个整体；
所述地面控制站单元用于接收和显示接收到的数据，包括计算机。
2.如权利要求1所述的非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述ARM控制模块用于实现人机交互和数据的存储、传输功能，包括ARM开发板，所述ARM控制模块与所述通信电路模块通过网络接口实现数据传输。
3.如权利要求1或2所述非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述数字控制模块用于信号的采集、处理和控制，包括DSP信号采集处理电路和时序控制电路，所述DSP信号采集处理电路能够计算水文相态结果数据，所述时序控制电路用于对所述收发单元进行控制。
4.如权利要求3非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述通信电路模块用于实现数据的有线和无线远距离传输功能，通过ARM开发板集成的网口和USB串口提供USB和以太局域网LAN传输，通过外置WIFI模块实现WIFI无线传输。
5.如权利要求4非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述电源管理模块提供系统的供电输出和电源管理，包括内置可插拔的锂离子电池和外置充电接口。
6.如权利要求4非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述双频天线模块用于测量水文相态的数据，包括200MHz和900MHz领结型天线，且900MHz天线设置于内侧，200MHz天线设置于外侧，天线的中心线重合。
7.如权利要求4非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述发射机模块用于产生亚纳秒级脉冲信号，包括纳秒级脉冲源和阶跃恢复二极管整形电路。
8.如权利要求4非接触式水文多相态测量一体化雷达系统，其特征在于：所述接收机模块包括取样接收机，能够通过等效采样技术将双频天线模块传输来的射频信号转换成与原信号形状相同的中频信号。
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