CN112629605B - 一种冰期河流流量测量雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰期河流流量测量雷达装置，具体涉及河流流量测量技术领域。本发明包括天线单元、雷达综合机箱和系统远程主控计算机组成。本发明通过利用安装有单发双收的冰河雷达的雷达综合机箱、一个宽波束的发射天线和两个接收天线，可以实现对冰下河流流速的非接触式测量，避免了打冰孔带来的困难，通过对不同距离单元的冰河雷达回波进行信号处理，可实现冰下河流断面上不同距离上流速的测量，结合观测段的河流断面信息、河流水位信息，即可计算出冰下河流的流量数据。

Description

一种冰期河流流量测量雷达装置

技术领域

本发明涉及河流流量测量技术领域，具体涉及一种冰期河流流量测量雷达装置。

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。对于未结冰的河道流量测验有多种方法，例如缆道、ADCP、侧扫雷达等。但是对于已经结冰的河道进行流量测验则较困难。我国北方有上万条河流在冬季被冰封，因此如何测量冰期的河流流量成为水文部门的一个难题。

《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）中给出冰期流量测验的方法，主要是流速仪法和声学多普勒法。这两种方法都需要凿冰孔，并将碎冰和冰花排除后，才能进行测流工作。一条河流需要凿出多个冰孔才能满足流量测验要求。工作量大，操作困难，费时耗力。冰上凿孔后就将冰下气层与大气相通，改变了冰下气压，也就改变了冰下流态。冰孔能保持的时间很短，因此要反复凿冰孔来进行流量测验。

而对于冰下流速测量，有多种因素影响冰下水流，一般需要考虑的有：冰厚、冰下水位、河流断面、冰下流速、冰下水面气压、冰的形式（表面冰、针冰、锚状冰），目前国际上已有的探地雷达能够完成冰厚、冰下水位、河流断面的测量，但都不能完成冰期河流流速的测量。而冰下河流流量随着不同的气象条件变化较快，这就需要在不同的气象条件下对冰下流速进行多次测量，才能准确把握冰下河流的相关信息，实现难度较大。目前国际上已有的探地雷达能够完成冰厚、冰下水位、河流断面的测量。利用雷达技术进行冰下流量测验，是一种很好的方法，能有效解决上述难题。目前国内外均未有相关研究，对于在河流结冰期可用于冰下流速测量的雷达未见报道。而且传统冰下河流测量需要凿冰孔，并将碎冰和冰花排除后，才能进行测流工作，该种测量方法工作量大，操作困难，具有费时耗力、测量成本高、实时性差等缺点。

发明内容

为此，本发明提供一种冰期河流流量测量雷达装置，通过利用安装有单发双收的冰河雷达的雷达综合机箱、一个宽波束的发射天线和两个接收天线，可以实现对冰下河流流速的非接触式测量，避免了打冰孔带来的困难，通过对不同距离单元的冰河雷达回波进行信号处理，可实现冰下河流断面上不同距离上流速的测量，结合观测段的河流断面信息、河流水位信息，即可计算出冰下河流的流量数据，以解决现有技术中由于凿冰测量导致的工作量大、操作困难、费时耗力、测量成本高、实时性差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种冰期河流流量测量雷达装置，设备工作在UHF波段，采用步进频连续波技术解决现有冰期河流流量测量的难题。本发明包括天线单元、雷达综合机箱和系统远程主控计算机组成，所述天线单元包括雷达天线罩、一个发射天线模块、两个接收天线模块，用于实现雷达信号的发射和接收；所述雷达综合机箱包括信号生成单元、功率放大单元、回波信号接收单元、信号处理单元、数据处理单元、对外通讯模块以及设备供电电源模块，用于完成整个系统的信号控制、雷达信号处理、数据处理等相关工作；所述系统远程主控计算机包括控制计算机和运行于主控计算机的冰期河流测量雷达系统主控软件，用于实现系统工作的整体控制和显示。

本发明包括主控模块，所述主控模块连接端设有综合模块，所述综合模块输出满足功率要求的步进频辐射信号，综合模块辐射信号输出端设有发射模块，所述综合模块输入端设有接收模块一、接收模块二和供电模块；

所述主控模块用于根据系统工作参数要求，向综合模块下发对应的控制参数，生成对应的发射信号，并且用于处理通过综合模块接收到的信号；

所述综合模块用于处理需要发射的信号和接收信号，输出UHF波段信号，并放大到系统要求的功率电平并将其输出到发射模块，通过接收模块接收冰下河面回波反射信号，并完成对应的信号处理和数据处理，所述综合模块包括雷达综合机箱；

所述发射模块用于将从综合模块送来的UHF波段信号向空间辐射出去；

所述接收模块一和接收模块二用于接收空间不同指向的冰下河面回波信号；

所述供电模块用于为综合模块供电。

进一步地，所述雷达综合机箱内部设有接收机，所述接收机包括信号产生单元、A/D转换单元、混频滤波单元和正交处理单元，所述信号产生单元与接收模块一、接收模块二输入端连接，所述A/D转换单元设在接收模块一和接收模块二的输入端，所述混频滤波单元与A/D转换单元输出端相连接，所述正交处理单元与混频滤波单元输出端相连接。

进一步地，所述雷达综合机箱内部设有信号处理单元，所述信号处理单元与接收机连接端相连接，所述信号处理单元连接端设有数据处理单元，所述数据处理单元连接端设有通讯单元，所述通讯单元和数据处理单元均设在雷达综合机箱内部，所述通讯单元与主控模块连接端相连接。

进一步地，所述发射模块包括发射天线，所述发射天线与功放单元输出端相连接。

进一步地，所述供电模块包括蓄电池/市电接口，所述蓄电池/市电接口与雷达综合机箱上的电源接口输入端相连接。

进一步地，所述主控模块包括系统主控计算机，所述系统主控计算机与通讯单元连接端相连接。

进一步地，所述接收模块一和接收模块二包括两个接收天线，所述接收天线与A/D转换单元输入端相连接，所述发射天线设在两个接收天线之间。

进一步地，所述接收天线和发射天线顶部固定设有机架，所述雷达综合机箱设在机架后侧，所述机架底部固定设有机架底座，所述雷达综合机箱设在机架底座顶部，所述雷达综合机箱一侧固定设有电源线，所述发射天线和接收天线外端均设有玻璃钢罩，所述玻璃钢罩顶部与机架顶端固定连接。

本发明实施例具有如下优点：

本发明通过利用雷达综合机箱中的单发双收的冰河雷达、一个宽波束的发射天线和两个接收天线，并使每个接收天线都有自己的数字接收机来采集复信号回波，利用处理软件完成信号积累及相位分析，采用傅立叶变换计算相关函数，得到冰期河流水面流速，再结合断面数据和水位计算得到冰期河流流量，以实现对冰下河流流速的非接触式测量，与现有技术相比，避免了打冰孔带来的困难，还能够有效的降低工作难度和强度，本发明可安装在人口稠密城市，也可安装在偏远地区的河岸，可直接在岸上完成测量，也可在汽车上移动测量。这些优点是目前使用的传统测流设备所无法比拟的。

附图说明

图1为本发明提供的模块图；

图2为本发明提供的单元图；

图3为本发明提供的雷达综合机箱内部的单元图；

图4为本发明提供的发射天线和接收天线的结构示意图；

图5为本发明提供的发射天线和接收天线的侧视图；

图6为本发明提供的冰期河流流量精确测量雷达系统框图；

图7为本发明提供的雷达信号数据处理框图；

图8为本发明提供的雷达发射步进频连续波信号时域及频谱；

图9为本发明提供的冰下河流回波采集信号时域与频谱；

图10为本发明提供的不同距离单元的多普勒特征信息；

图11为本发明提供的冰期河流测量雷达系统主控软件流速分布显示；

图12为本发明提供的冰期河流测量雷达流量信息显示；

图13为本发明提供的冰河雷达工作状态示意图；

图14为本发明提供的冰河雷达天线单元结构示意图；

图15为本发明提供的冰河雷达收发天线增益方向图；

图16为本发明提供的冰河雷达步进频率连续波信号形式。

图中：1综合模块、2接收模块一、3发射模块、4接收模块二、5主控模块、6供电模块、7雷达综合机箱、8功放单元、9发射天线、10接收天线、11系统主控计算机、12蓄电池/市电接口、13接收机、14信号产生单元、15 A/D转换单元、16信号处理单元、17数据处理单元、18通讯单元、19机架、20电源线、21玻璃钢罩、22机架底座、23混频滤波单元、24正交处理单元、25电源接口。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。

实施例1：

参照说明书附图1-6和12-16，该实施例的一种冰期河流流量测量雷达装置，包括主控模块5，所述主控模块5连接端设有综合模块1，所述综合模块1输出端固定设有发射模块3，所述综合模块1输入端设有接收模块2和接收模块4、供电模块6；

所述主控模块5用于根据系统工作参数要求，向综合模块1下发对应的控制参数，生成对应的发射信号，并且用于处理通过综合模块1接收到的信号；

所述综合模块1用于处理需要发射的信号和接收信号，输出UHF波段信号，并放大到系统要求的功率电平并将其输出到发射模块3，通过接收模块一2和接收模块二4接收冰下河面回波反射信号，并完成对应的信号处理和数据处理，所述综合模块1包括雷达综合机箱7；

所述发射模块3用于将从综合模块1送来的UHF波段信号向空间辐射出去；

所述接收模块一2和接收模块二4用于接收空间不同指向的冰下河面回波信号；

所述供电模块6用于为综合模块1供电。

进一步地，所述雷达综合机箱7内部设有接收机13，所述接收机13包括信号产生单元14、A/D转换单元15、混频滤波单元23和正交处理单元24，所述信号产生单元14与接收模块一2、接收模块二4输入端连接，所述A/D转换单元15设在接收模块一2和接收模块二4的输入端，所述混频滤波单元23与A/D转换单元15输出端向相连接，所述正交处理单元24与混频滤波单元23输出端相连接，信号产生单元14包括产生步进频连续波信号的信号发生器及激励源，该接收模块一2、接收模块二4能够接收系统主控计算机11下发的雷达系统工作参数，生成对应的步进频雷达辐射信号，一路通过功放单元8放大到系统要求的辐射功率电平，输出到发射天线9，另一路用于对接收单元接收的雷达回波信号进行混频；综合机箱通过A/D转换单元15、混频滤波单元23和正交处理单元24将接收到的信号通过低噪声放大器放大，并与信号产生单元14的输出的发射信号进行混频，得到回波信号与发射信号的差频信号和倍频信号，经过低通滤波后，得到回波信号与发射信号的差频信号，差频信号中包含冰下河流回波的距离信息和多普勒信息，然后再将差频信号输出到信号处理单元16。其中在信号处理单元16中，首先对回波信号采样，采样后重新排列，相同频率的数据相加，完成积累，提高信噪比；然后对积累后的数据加窗（例如汉明窗）处理，加窗后进行一次FFT计算，得到在一个扫描周期中冰河雷达测量距离上不同距离处的回波信号；接着连续进行多次测量后，对相同距离上的FFT结果重新排列，形成矩阵；接着，对相同距离门上的数据进行第二次FFT处理，获得每个距离处的功率谱和相位；接着，对计算得到的频谱数据进行数字滤波，去掉杂波，对去杂波后的数据计算径向速度，并保存；接着，对第二次FFT处理结果计算自相关函数和互相关函数，得到自相关函数的延迟最大值及互相关函数延迟的最大值。利用这两个最大值计算得到切向速度值，并保存；接着，对每个距离门均进行相同处理，得到断面的流速分布图；接着，根据设置的断面数据和水位得到断面面积，将断面面积与水面流速相乘，并乘以率定的系数，得到冰期河流的实时流量，并保存；然后，将保存的径向流速、切向流速及流量数据通过通讯模块发送到指定地点并显示。

进一步地，所述雷达综合机箱7内部设有信号处理单元16，所述信号处理单元16与接收机13连接端相连接，所述信号处理单元16连接端设有数据处理单元17，所述数据处理单元17连接端设有通讯单元18，所述通讯单元18和数据处理单元17均设在雷达综合机箱7内部，所述通讯单元18与主控模块5连接端相连接，信号处理单元16包括AD采样、FFT计算、自相关函数计算、互相关函数计算；信号产生单元14输出步进调频连续波信号时，一个发射天线9发射步进调频连续波信号，两个接收天线10接收回波，在各个脉冲重复周期内进行脉内匹配滤波压缩处理，利用各个脉冲之间频率步进所产生的线性相位信息进行干涉处理，获取冰期河流表面多普勒信息；数据处理单元17用于对不同距离单元上的回波信号多普勒特征进行分析处理，剔除观测到的河流表面多普勒特征异常值，提高冰下河流流速的估计精度；通讯单元18支持双向传输数据，将冰期河流表面流速数据发送到指定地点的系统主控计算机或数据库，并可接收系统主控计算机11的控制命令。

进一步地，所述发射模块3包括发射天线9，所述发射天线9与功放单元8输出端相连接，用于发射雷达信号。

进一步地，所述供电模块6包括蓄电池/市电接口12，所述蓄电池/市电接口12与雷达综合机箱7上电源接口25输入端相连接，用于为雷达综合机箱7供电。

进一步地，所述主控模块5包括系统主控计算机11，所述系统主控计算机11与通讯单元18连接端相连接，主控模块5用于根据系统工作参数要求，向综合模块1下发对应的控制参数，生成对应的发射信号，并且用于处理通过综合模块1接收到的信号。

进一步地，所接收模块一2和接收模块二4均包括两个接收天线10，所述接收天线10与A/D转换单元15输入端相连接，所述发射天线9设在两个接收天线10之间，用于接收信号。

进一步地，所述接收天线10和发射天线9顶部固定设有机架19，所述雷达综合机箱7设在机架19后侧，所述机架19底部固定设有机架底座，所述雷达综合机箱7设在机架底座顶部，所述雷达综合机箱7一侧固定设有电源线20，所述发射天线9和接收天线10外端均设有玻璃钢罩21，所述玻璃钢罩21顶部与机架19顶端固定连接，便于支撑发射天线9和接收天线10，玻璃钢罩21用于保护发射天线9不受雨水侵蚀。

实施场景具体为：系统主控计算机11根据系统工作参数要求，向雷达综合机箱7中的信号产生单元14下发对应的控制参数，信号产生单元14根据接收到的信号控制参数，生成对应的发射信号；发射信号通过功放单元8中的功率放大器进行功率放大，使信号辐射电平满足发射天线9要求的输入功率电平，通过发射天线9辐射出去；指向不同角度的接收天线10接收不同角度的冰下河流散射区域回波信号，将回波信号通过A/D转换单元15传入对应的窄带滤波器，滤除带外噪声和干扰信号；将通过窄带滤波器的接收信号与信号产生单元14耦合到接收机13的信号进行混频处理，将对应接收通道的信号变频到零中频，送至信号处理单元16。信号处理单元16对接收的信号进行AD采样，得到对应的数字信号；将采集的数字信号按照冰期河流测量雷达信号数据处理框图所描述的步骤进行分析处理，提取不同距离单元上的冰下河流散射信号多普勒特征。数据处理单元17在不同时刻提取的多普勒特征进行处理，剔除提取数据中的异常点信息，得到稳定多普勒特征；对两个接收通道提取的稳定多普勒特征进行处理，并结合对应接收天线的指向角度，计算出对应距离单元上的冰下河面流速信息，并通过不同接收天线10提取的多普勒特征，判断河面的流向信息；根据提取的不同距离的冰下河流流速信息，并结合对应的冰下河流断面、冰下河流水位信息，采用面积等效积分的方法合成对应时刻的河流流量数据；将对应时刻的河流特征数据通过雷达综合机箱7的通讯接口向外传输到远端的系统主控计算机11，由系统主控计算机11运行的系统主控软件的数据显控单元进行同步显示，实现冰下河流状态信息的自动监测，该实施方式具体解决了现有技术中由于凿冰测量导致的工作量大、操作困难、费时耗力、测量成本高、实时性差的问题。

实施例2：

参照说明书附图7-11，以下采用安装于北方某水文站的冰冻期河水流速精确测量雷达装置试验过程及其流量观测结果进行说明本发明的优异性。相关实验数据分析说明本发明的使用流程及有益效果。

雷达工作中心频率为415MHz，带宽为32MHz，扫描速率为50MHz/ms。输出功率为1W。步进频信号经发射天线9向外辐射，回波信号经隔离放大后下变频到零中频后，输入到A/D转换单元15，A/D采用12位，信号处理单元16为一片32位浮点DSP，进行FFT处理，得到每个距离门上的I/Q信号。数据处理单元17对信号进行处理，分步完成图6所示的处理步骤，求取冰下河流速度。

通过采用本发明的冰期河流流量精确测量雷达辐射雷达信号，辐射信号如图7所示。

通过对多个距离单元的信号进行处理，提取河流断面上不同距离单元的冰下河流多普勒值和速度值如图9所示。

将数据处理结果通过雷达综合机箱7的通讯单元18远程无线传输到远程指定地点的系统主控计算机11，通过系统主控计算机11系统主控软件的显示模块进行数据显示，显示结果如图10所示。

根据冰下河流的断面信息和水位信息，自动合成冰期河流的流量数据信息，并通过系统主控软件的显示界面展示给用户，结果如图11所示。

由实施例2可知，该系统布设简单，操作容易，设备完善可靠，人机交互界面友好，能有效解决冰下河流测量的难题。通过多组试验数据对比分析，本发明的河水流速精确测量雷达装置计算结果与实际人工测量结果一直，误差小于3%，本发明的设备测量结果精确可靠。

相比于传统的冰下流速测量方法，本发明结构简单、设计合理，通过本装置的设计，能够很好的测量冰下河水的流速。该装置测量功能齐全、架设方便，相对于传统测量方法，成本较低、操作简单，测量结果具有较高的精度，且具备传统方法所不具备的实时性，在国内冰河测量领域属于首创，可以精确快速地测量冰冻期大江大河的流速和流量，对于水利规划、 除险加固、大江大河的治理和抗洪救灾至关重要，对获取冰下河流表面流场的实时数据并反演河流实时流量具有指导意义。对国家水文建设具有重大的意义。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种冰期河流流量测量雷达装置，包括主控模块（5），其特征在于：所述主控模块（5）连接端设有综合模块（1），所述综合模块（1）输出满足功率要求的步进频辐射信号，综合模块（1）辐射信号输出端设有发射模块（3），所述综合模块（1）输入端设有接收模块一（2）、接收模块二（4）和供电模块（6）；所述主控模块（5）用于根据系统工作参数要求，向综合模块（1）下发对应的控制参数，生成对应的发射信号，并且用于处理通过综合模块（1）接收到的信号；所述综合模块（1）用于处理需要发射的信号和接收信号，输出UHF波段信号，并放大到系统要求的功率电平并将其输出到发射模块（3），通过接收模块一（2）和接收模块二（4）接收冰下河面回波反射信号，并完成对应的信号处理和数据处理，所述综合模块（1）包括雷达综合机箱（7），所述雷达综合机箱（7）内部设有信号处理单元（16），所述信号处理单元（16）与接收机（13）连接端相连接，所述信号处理单元（16）连接端设有数据处理单元（17），所述数据处理单元（17）连接端设有通讯单元（18），所述通讯单元（18）和数据处理单元（17）均设在雷达综合机箱（7）内部，所述通讯单元（18）与主控模块（5）连接端相连接；所述雷达综合机箱（7）内部设有信号处理单元（16）和数据处理单元（17），用于实现冰下河面回波的整个信号处理与数据处理工作，所述信号处理单元 （16）包括AD采样、FFT计算、自相关函数计算、互相关函数计算，信号产生模块输出步进调频连续波信号时，一个发射天线发射步进调频连续波信号，两个接收天线接收回波，在各个脉冲重复周期内进行脉内匹配滤波压缩处理，利用各个脉冲之间频率步进所产生的线性相位信息进行干涉处理，获取冰期河流表面多普勒信息；所述数据处理单元（17）对不同距离单元上的回波信号多普勒特征进行聚类分析处理，通过聚类处理将有效的冰下河流表面多普勒雷达信号划分为一类，将雷达观测得到的异常点划分为一类，通过聚类处理，剔除观测到的河流表面多普勒特征异常值，提高冰下河流流速的估计精度；所述发射模块（3）用于将从综合模块（1）送来的UHF波段信号向空间辐射出去；所述接收模块一（2）和接收模块二（4）用于接收空间不同指向的冰下河面回波信号；所述供电模块（6）用于为综合模块（1）供电。

2.根据权利要求1所述的一种冰期河流流量测量雷达装置，其特征在于：所述雷达综合机箱（7）内部设有功放单元（8）、接收机（13）、信号处理单元（16）、数据处理单元（17）和通讯单元（18）以及对应电源接口（25），所述接收机（13）包括信号产生单元（14）、A/D转换单元（15）、混频滤波单元（23）和正交处理单元（24），所述信号产生单元（14）与功放单元（8）和接收模块一（2）、接收模块二（4）输入端连接，所述A/D转换单元（15）设在接收模块一（2）和接收模块二（4）的输入端，所述混频滤波单元（23）与A/D转换单元（15）输出端向相连接，所述正交处理单元（24）与混频滤波单元（23）输出端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种冰期河流流量测量雷达装置，其特征在于：所述发射模块（3）包括发射天线（9），所述发射天线（9）与功放单元（8）输出端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种冰期河流流量测量雷达装置，其特征在于：所述供电模块（6）包括蓄电池/市电接口（12），所述蓄电池/市电接口（12）与雷达综合机箱（7）上的电源接口（25）输入端相连接。

5.根据权利要求1所述的一种冰期河流流量测量雷达装置，其特征在于：所述主控模块（5）包括系统主控计算机（11），主控计算机运行主控软件，所述系统主控计算机（11）与通讯单元（18）连接端相连接。

6.根据权利要求3所述的一种冰期河流流量测量雷达装置，其特征在于：所述接收模块一（2）和接收模块二（4）均包括两个接收天线（10），所述接收天线（10）与接收机（13）输入端相连接，所述发射天线（9）设在两个接收天线（10）之间。

7.根据权利要求6所述的一种冰期河流流量测量雷达装置，其特征在于：所述接收天线（10）和发射天线（9）顶部固定设有机架（19），所述雷达综合机箱（7）设在机架（19）后侧，所述机架（19）底部固定设有机架底座（22），所述雷达综合机箱（7）设在机架底座（22）顶部，所述雷达综合机箱（7）一侧固定设有电源线（20），所述发射天线（9）和接收天线（10）外端均设有玻璃钢罩（21），所述玻璃钢罩（21）顶部与机架（19）顶端固定连接。

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