CN112986976B - 一种水流测速雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水流测速雷达，其特征在于：包含：天线、时延重构射频TR射频模块以及射频采样信号处理模块；所述时延重构射频TR射频模块，包括射频信号接收通道、射频信号发射通道和一个切换开关；所述射频信号接收通道和射频信号发射通道通过所述切换开关择一与所述天线连接；所述射频信号接收通道包括第一低噪放大器和可编程延迟线，通过第一低噪放大器及可编程延迟线，实现对接收信号的放大和固定偏差时延的程控配置。本发明雷达具有水流测速分辨率高，采样点密度高、探测动态范围大、全智能、适用性广等特点。

Description

一种水流测速雷达
技术领域
本发明涉及水流测速雷达应用技术领域，具体通过对雷达发射射频信号在水面纹波产生回波多普勒信号，对其进行特征提取和处理，实现水流流速自适应测定功能。
背景技术
雷达是利用目标对电磁波的反射(或散射)现象来发现目标并测定其位置和速度等信息的。雷达利用接收回波与发射波的时间差来测定距离，利用电波传播的多普勒效应来测量目标的运动速度，并利用目标回波在各天线通道上幅度或相位的差异来判别其方向。
水流测速雷达利用了雷达电磁波的Bragg散射理论，实现了对水流流速的测定。以非接触的方式获得大范围的河流表面流的流速、流向，可连续取得实测流速数据，是流速实时监测的一种新手段，尤其在解决复杂流态的流量测验问题方面起到积极的作用，具有普遍推广意义。非接触式雷达流速仪流速测量，不受污水腐蚀及泥沙影响，易于维护，操作简单。
相控阵雷达(PAR)即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束，可有效提升对复杂目标环境的适应能力。
市面上可供查询的水流测速雷达设备由于设计的原因导致探测距离精度较差、探测功耗大、不能实时进行数据解算、对目标适应能力差等问题，无法广泛的应用于国内中小型河流的流速测量使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种探测距离精度高、距离远且功耗低的水流流速测试雷达。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种水流测速雷达，其特征在于：包含：天线、时延重构射频TR射频模块以及射频采样信号处理模块；
所述时延重构射频TR射频模块，包括射频信号接收通道、射频信号发射通道和一个切换开关；所述射频信号接收通道和射频信号发射通道通过所述切换开关与所述天线连接；
所述射频信号接收通道包括第一低噪放大器和可编程延迟线，通过第一低噪放大器及可编程延迟线，实现对接收信号的放大和固定偏差时延的程控配置。
所述射频信号接收通道还包括限幅器、第一带通滤波器、第二带通滤波器以及第三带通滤波器；所述第一低噪放大器为两个；限幅器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、可编程延迟线以及两个低噪放大器按以下顺序连接，限幅器、第一带通滤波器、第一低噪放大器、可编程延迟线、第二带通滤波器、第一低噪放大器和第三带通滤波器。
所述射频信号发射通道包括顺次连接的可编程控制功率放大器模块、第四带通滤波器、第二低噪放大器和低通滤波器。
所述射频采样信号处理模块配置多个ADC输入通道、多个DAC输出通道以及生成发射波形；所述ADC输入通道前端与所述射频信号接收通道的输出端连接，通过ADC转化把模拟信号变换成数字信号用于数据处理和分析；所述DAC输出通道用于输出所述发射波形，DAC输出通道的输入端连接所述射频信号发射通道的输入端，通过射频信号发射通道滤波并放大到足够功率后通过切换开关送给天线辐射到空间。
所述发射波形为线性调频连续波或者线性调频中断连续波。
所述射频采样信号处理模块还包括数字信号变频处理、多普勒数据提取和测量及距离测量。
水流测速雷达还包括水流流速信号处理模块，所述水流流速信号处理模块根据收到的雷达回波信号，计算出在不同河面径向位置上的水流流速参数。
所述水流流速信号处理模块计算水流流速参数的方法包括：混频、滤波以及信号多普勒参数提取，通过FFT及脉冲积累，计算出在不同河面径向位置上的水流流速参数。
本发明具有的有益效果：
本发明相控阵体制的水流流速测速雷达，通过增加雷达信号带宽B提升了探测距离精度，通过采用中断连续波发射机制，在增加发射功率提升了雷达探测距离的前提下，还降低了雷达的发射功率。具有探测动态范围大、测速精度高、距离分辨率好、功耗低、安装调试简单、能够适应多种不同应用场景、可实时进行流速数据解算等显著优点，具体体现在：
(1)通过对雷达射频模块和信号处理模块采用非共腔隔离设计，解决了雷达射频模块的射频发射信号与信号基带处理模块的相互干扰，提升了对微弱回波信号检测的信噪比；
(2)通过在接收通道增加数控延迟线，拉开回波脉冲和发射脉冲时间间距，使其在近距离不再时间重合，改善回波信号信噪比；
(3)通过在发射通道设计程控功率放大器，实现不同河面宽度的功率输出，提升设备对不同河面宽度场景的可用性；
(4)通过设置的切换开关对射频信号接收通道、射频信号发射通道的隔离切换，减少了水流测速雷达所需的发射和接收天线的数量，同时便于实现对雷达发射和接收信号的相位和功率控制。
(5)通过增加工作带宽，提升探测距离分辨率；
(6)通过改进的水纹BRAG散射回波多普勒算法实现了对水流回波小信号的快速提取。
附图说明
图1系统结构爆炸图；
图2 A面腔结构布置图；
图3 B面腔模块布置图；
图4 LO(本振)板结构图；
图5 TR(发射接收)板结构图；
图6 OCXO(振源)板结构图；
图7全数字射频采样信号处理模块结构图；
图8数字化时延重构射频T/R模块功能框图；
图9全数字射频采样信号处理模块功能框图；
图10水流回波接收算法流程图；
图11水流射频信号波束形成算法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明水流测速雷达，包含上散热鳍片盖板1，两面腔体结构4，中间通过铝合金板进行隔离，下扇热鳍片盖板6、4块LO(本振)射频模块2，4个TR(发射接收)射频模块3，OCXC(振源)板卡7及信号处理板5、电源接口9、电源指示灯10、RS232接口11等部件。上散热鳍片盖板1和下扇热鳍片盖板6上分别内嵌一块散热块，对基带板上的核心器件进行接触散热,在电源接口同侧预留了天线接口位置8，方便TR(发射接收)射频模块3上天线接口输出。
如图2所示，A面腔内4个TR射频模块(3-1、3-2、3-3和3-4)一侧贴合A面腔内壁，对外天线接口穿出A面腔外，连接4路天线发射接收；4个TR(发射接收)射频模块通过法兰螺钉固定在A面腔内，模块间留出射频线缆的连接间距。4个LO射频模块2个(2-1和2-2)固定在A面腔内，2个(2-3和2-4)固定在B面腔内。A腔左上固定OCXO板卡7。
LO(本振)射频模块上4个射频接口(图4中的I1-I4)分别与TR(发射接收)射频模块侧面4个射频接口(图5中的I1-I4)由射频线缆相连。4个LO射频模块上的接口O1(共计4个接口)分别与OCXO(振源)板卡4个接口(图6中的I1-I4)相连接。0CX0(振源)板卡上O1端(图6)连接至信号处理板(图5)I5接口上。
如图3所示，信号处理板卡5(图5)固定在B面腔，底部抬高留出间隙避让器件及穿过引线。腔体前端面上安装的电源连接器，电源指示灯及通讯接口连接器的连接线与全数字射频采样信号处理模块(图7)J6、J12、J11相连。信号处理模块J5端口连接至TR(发射接收)射频模块P1接口，提供发射电源及信号控制电源，通过J5接口也同时连接至OCXO(振源)板卡P1及LO射频模块P1接口供电。信号处理模块上的射频接口(I1-I4,O1-O4)通过射频线缆穿过腔体内预留的方孔分别连接到4路TR射频模块前端的射频接口I5和O1上。信号处理模块上信号控制接口J1-J4由20pin扁平数据线穿过隔腔方孔与A面4路TR射频模块(图5)J1分别连接，用于传输控制数据，实现延迟线及功率输出程控功能。信号处理模块J7-J104pin接口通过4pin扁平线缆与LO射频模块(图4)J1相连，用于对本振频率信号进行控制产生射频中频频率。
TR(发射接收)射频模块，如图8所示，包括接收通道阵列和发射通道阵列以及环形器/电子开关阵列，包含TR(发射接收)板(图5)、OCXO(振源)板(图6)及LO(本振)板(图4)。针对天线阵列不同的组合方式，通道数量不同，具体包括三情况：1)水平方向排布阵列采用固定波束，垂直方向排布阵列采用固定波束，只需要1个接收通道和1个发射通道，其中每组水平方向排布阵列采用固定的基于契比雪夫或者泰勒分布等函数形式的功分器连接即可(以4×4十六个阵元天线阵列为例)，包括四个水平方向阵列1:4功分器，支路分别连接每行四个天线端口，实现方位方向的对称波束赋形；每组水平方向排布阵列的功分器主路则和垂直方向排布阵列的功分器支路连接，该功分器为非对称功分器，实现垂直方向波束赋形，该功分器主路经由环形器/电子开关与收发通道连接。2)水平方向排布阵列采用固定波束垂直极化采用数字波束(以垂直极化4个阵元为例)，则需要4个收发通道。3)如果水平方向排布阵列、垂直方向排布阵列为全数字波束成形(以4×4十六个天线阵列为例)，则需要16个收发通道。具体每个收发通道的方案包括：环形器/开关、接收通道和发射通道，1)环形器/开关主要解决收发通道异步隔离问题；2)接收通道包括限幅器、滤波器、低噪声放大器、可编程延迟线、低噪放，带通滤波器，正常接收到的雷达回波信号通过天线、环形器/电子开关以及限幅器后，经过放大、滤波、时间延迟和再放大、滤波输出AD信号，达到ADC输入信号功率要求。特别地，对于近距离目标时，发射信号经过很短的时间内容就会反射回来，由于发射脉宽宽度的限制，发射信号和接收信号脉宽重叠导致收发信号混合信噪比显著下降，本方案提出通过在接收通道配置可编程延迟线实现收发信号的时域分离，提升接收通道的信噪比。3)发射通道则是把DAC发送来的DA信号经过滤波器、低噪放、带通滤波器、可编程功率放大器模块处理，经由环形器/电子开关通过天线转换成电磁波辐射出去。特别地，根据回波信号特征判断河面宽度，根据河面宽度自适应调整可编程功率放大器输出功率，以满足不同河面宽度的应用场景，确保宽河面雷达回波信号的信噪比。
其中全数字射频采样信号处理模块(如图9所示)配置多个(N个)ADC输入通道和多个(N个)DAC输出通道，ADC通道与图8所述AD信号输出端连接，通过ADC转化把模拟信号变换成数字信号用于数据处理和分析；DAC输入端与图8所述DA信号输入端连接，把FPGA配置的数字发射信号转换成模拟信号，输出TR射频模块，通过TR射频模块的射频发射通道滤波、放大到足够功率通过环形器/电子开关送给天线辐射到空间。时钟电路用于产生FPGA工作的时钟同时还提供OCXO(振源)板用于产生TR射频模块本振时钟。电源模块提供TR射频模块所需的电源。TF卡用于存储及更新雷达运行的应用软件，串口用于外部通信，其他(发射接收)如DDR3、复位、eMMC、flash等模块用于提供FPGA运行所需的外部环境。全数字射频采样信号处理模块内部主要完成信号处理工作，包括数字信号变频、多普勒数据提取和测量、距离测量、发射波形生成以及多种控制信号等工作，其中控制信号包括数字延迟线控制信号、可编程功率放大器控制信号等。
其中水流测试雷达信号处理算法是一种水纹BRAG散射回波多普勒改进算法，算法利用了脉冲积累技术、水流流速FFT改进算法结合在雷达回波大数据量采集场景下的BRAM数据传输技术实现了对雷达水流回波信号的特征快速提取及分析(如图10所示)。其中水流流速信号处理算法包括在全数字射频采样信号处理板卡中生成线性调频中断连续波，通过TR射频模块的射频发射通道以及天线辐射出去，照射水面；水面反射信号通过天线及TR射频模块的接收通道进入全数字射频采样信号处理板卡转换成数字信号，水流流速信号处理算法对收到的雷达回波信号进行数字信号变频、多普勒数据提取和测量、距离测量、发射波形生成以及多种时序控制信号生成等，从而实现水流流速测量功能。
本发明提出了一种水纹BRAG散射回波多普勒改进算法，可利用脉冲积累技术及FFT改进算法结合在雷达回波大数据量采集场景下的BRAM数据传输技术实现了雷达水流回波信号的特征快速提取及分析。雷达射频信号采用中断连续波机制，LFCW线性调频连续波经过发射窗的调制，形成中断连续波，在一个扫描周期内发射了n个线性变化的脉冲频率，通过将雷达发射信号及从雷达射频模块接收的雷达回波数字信号进行差频后，利用脉冲积累算法解算出水流速度多普勒信号及距离信号。
为了得到显著精确的水流速度，提高信噪比，本发明采用了BRAM高速数据传输技术实现了多周期数据解算处理。实现了在强回波干扰环境下的水流微弱回波信号的特征快速提取及分析，可有效解算出目标的速度与距离信息。
1、水流回波接收算法
水流雷达回波接收算法流程图如图10所示。雷达系统发射的线性调频中断连续波(FMICW)波形，在一个采样周期内发射了N个调频连续波脉冲信号。对于采集到的N个雷达回波信号利用脉冲积累技术和雷达信号处理算法，经过两次FFT，便可以得到目标的速度与距离信息。
FMICW的回波信号经过混频处理，可以得到t时刻脉冲回波信号的瞬时频率为
其中，R0为初始位置，为调制斜率，Tcw为连续波调频重复周期。
由于水流速度远小于电磁波速度，所以在一个线性调频周期Tcw内，可以认为流速对信号的影响可以忽略不计，即，式(1)可以简化为
而在第n个线性调频周期时，式(1)可以简化为
通过FFT计算回波的频率，便可以获得水流不同距离单元的速度，采用脉冲积累技术可以大幅度提升雷达回波信号检测的信噪比。
2、水流射频发射信号波束形成算法流程
在水流测速雷达实际应用过程中，极易受到来自车辆、轮船等物体反射电磁波的影响，错误的将这些物体的强反射电磁波当做水流回波信号，从而恶化估计精度，影响水流的测量，基于此，本发明提出了一种基于全数字相控阵体制的自适应波束形成技术，该技术通过对干扰信号回波远强于水流回波的特性分析，实现了自适应抑制强回波信号，消除干扰信号，保留水流速度信息的功能，水流射频发射信号波束形成算法流程如图11所示。
自适应波束形成可以保证观测方向无失真输出，而在其他方向抑制干扰与噪声，从而使得输出总功率最小(信噪比最大)。自适应波束形成，可以描述为以下最优化问题
其中，R为空时协方差矩阵，a为有用信号的空时导向矢量，w为权重向量，通过求解(1)式，便可以得到权重向量为
w＝αR-1a (5)
但是上式中矩阵求解复杂度较高，于是本发明提出了基于Dootitle分解的快速矩阵求逆方法，从而高效实现自适应波束形成的权重求解，该算法的具体过程如下，针对矩阵R，可将其分解为
R＝LU (6)
其中，L具备主对角元全为1的特征，利用逐次消元法，可以求解出矩阵L的具体表达式，从而基于该矩阵分解求解出原始协方差矩阵的逆。
但是直接采用Dootitle分解方法会出现结果趋于零的问题，导致计算溢出，另外Dootitle分解需要大量的递推迭代过程和数据更新操作，并行速度低，运算速度慢且消耗资源多。因此，本发明中采用选主元的方法尽可能避免小主元或者零主元的现象，通过对计算过程中矩阵的行(或者列)进行交换，选取较大的非零主元参与归一化运算操作，进而提高Dootitle分解算法的稳定性，同时，算法复杂度约为其中n为天线个数。基于FPGA可以流水线实现自适应波束形成的权重计算，显著提高运算效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水流测速雷达，其特征在于：包含：天线、时延重构射频TR射频模块以及射频采样信号处理模块；
所述时延重构射频TR射频模块，包括射频信号接收通道、射频信号发射通道和一个切换开关；所述射频信号接收通道和射频信号发射通道通过所述切换开关择一与所述天线连接；
所述射频信号接收通道包括第一低噪放大器和可编程延迟线，通过第一低噪放大器及可编程延迟线，实现对接收信号的放大和固定偏差时延的程控配置；
所述射频信号接收通道还包括限幅器、第一带通滤波器、第二带通滤波器以及第三带通滤波器；所述第一低噪放大器为两个；限幅器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、可编程延迟线以及两个低噪放大器按以下顺序连接，限幅器、第一带通滤波器、第一低噪放大器、可编程延迟线、第二带通滤波器、第一低噪放大器和第三带通滤波器；
所述射频信号发射通道包括顺次连接的可编程控制功率放大器模块、第四带通滤波器、第二低噪放大器和低通滤波器；
所述射频采样信号处理模块配置多个ADC输入通道、多个DAC输出通道以及生成发射波形；所述ADC输入通道前端与所述射频信号接收通道的输出端连接，通过ADC转化把模拟信号变换成数字信号用于数据处理和分析；所述DAC输出通道用于输出所述发射波形，DAC输出通道的输入端连接所述射频信号发射通道的输入端，通过射频信号发射通道滤波并放大到足够功率后通过切换开关送给天线辐射到空间；
水流测速雷包括一两面腔体结构，所述TR射频模块设置在所述两面腔体结构的一个面内，在该面还设置有部分LO射频模块，剩余LO射频模块设置在所述两面腔体结构的另一个面内；每个所述TR射频模块与所述LO射频模块连接用于给所述TR射频模块提供本振信号。
2.根据权利要求1所述的水流测速雷达，其特征在于：所述发射波形为线性调频连续波或者线性调频中断连续波。
3.根据权利要求1所述的水流测速雷达，其特征在于：所述射频采样信号处理模块还包括数字信号变频处理、多普勒数据提取和测量及距离测量。
4.根据权利要求1所述的水流测速雷达，其特征在于：水流测速雷达还包括水流流速信号处理模块，所述水流流速信号处理模块根据收到的雷达回波信号，计算出在不同河面径向位置上的水流流速参数。
5.根据权利要求4所述的水流测速雷达，其特征在于：所述水流流速信号处理模块计算水流流速参数的方法包括：混频、滤波以及信号多普勒参数提取，通过FFT及脉冲积累，计算出在不同河面径向位置上的水流流速参数。
6.根据权利要求5所述的水流测速雷达，其特征在于：水流流速参数的计算公式为：
式中，B位雷达发射信号带宽，fc为雷达工作频率，c为光速，v为雷达探测方向径向速度，Tcw为连续波调频重复周期，n为重复扫描次数，f(t)为t时刻脉冲回波信号的瞬时频率。
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