CN113302459B - 非侵入式敞开通道流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量流经管道或通道(3)的流体(2)的表面速度的方法，其中，所述流体具有自由表面，该方法包括以下步骤：‑借助于贴片天线(5)发送微波束，该贴片天线包括至少一个发射贴片区(6TX)和平行于该发射贴片区(6TX)的至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)；‑在间隔开预定距离d的该至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收由该移动流体(2)的自由表面反射的微波信号，所述贴片天线在水平面中或者在与平均流体速度平行的竖直面中；‑针对在该贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收到的每个微波信号，确定不同贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)接收到的微波信号之间的相移从而允许计算方位角α以确定反射体在流体表面(2)上的方位角位置，或允许计算与在该接收区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收到的每个信号相对应的仰角θ；‑针对在该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收的每个微波信号，确定在所发送的微波与所接收的微波之间的多普勒频移fd；‑基于这些多普勒频移和相应的相移计算该流体(2)的表面速度的横向和/或纵向分布。

Description

非侵入式敞开通道流量计
技术领域
本发明涉及一种使用安装在流动流体上方的传感器的非侵入式敞开通道流量计系统。
背景技术
近年来，水资源管理发挥着越来越重要的作用。河流、灌溉渠、市政和工业敞开通道水和废水管道系统中的流量测量变得越来越重要。洪水是一个日益严重的问题，准确的流量测量可以有助于预测灾难的程度、警告民众并采取保护措施。灌溉水在某些地区是非常昂贵的，并且精确的流量测量可以实现良好的成本分配和正确的计费。由于废水处理很重要但非常昂贵，因此市政和工业废水流量测量非常重要。
目前有多种敞开通道流量计可供使用。一种类型的流量计使用液位测量，并在不同液位进行速度分析来计算每个特定液位的流量。流量-液位曲线图允许给出所有液位的流速。另一种类型的流量计使用如水槽或堰等主要设备来创建液位与流量的关系。面积/速度流量计无需进行速度分析或使用主要设备。大多数这样的设备使用放置在管道或通道底部处或附近的浸湿的传感器，并且暴露于碎屑和上方悬浮物(hang-up)。有时很难不说安装这些设备较为危险。最近，非侵入式流量计变得越来越流行。所使用的技术包括声学方法、激光方法、光学方法和微波方法，最后一种是最常用的。所有这些非侵入式速度测量方法都检测表面或非常接近表面处的速度。为了计算截面中的平均速度，需要使用数学模型或经验公式，这可能会导致很大的不准确性。
因此，需要一种提供非侵入式流量计的优点而没有这些缺点的流量计。
本领域已知的侵入式敞开通道流量计类型已在美国专利号4,083,246和美国专利号7,672,797中披露。这些是面积/速度流量计，其传感器使用安装硬件定位在管道或通道的底部。使用电磁学或声学方法在浸湿区的一部分中测量速度，使用浸入式压力传感器或俯瞰式超声波传感器测量液位。主要缺点是那些传感器和安装设备可能会聚集流体所携带的碎屑，这些碎屑会导致不准确性或故障。另外，这些传感器和安装设备会暴露于可能具有腐蚀性或磨蚀性的流体。
美国专利号4,202,211披露了使用安装在管道下方的声速传感器和安装在流体表面上方的俯瞰式超声波传感器来测量流量的非侵入式方法。这些方法的主要缺点是安装极其复杂，并且可能出现沉积从而导致速度信号不准确。
另一种非侵入式方法在美国专利号5,315,880中披露。以与流体流动方向相反的特定角度将微波频率信号引导至流体表面。一部分信号被反射，使用两个波束之间的多普勒频率来计算流体表面速度。使用非侵入式俯瞰式声学设备来测量流体的液位。这种非侵入式敞开通道流量测量技术相对于先前的测量技术有所改进，但仍存在一定缺陷。速度在流体的表面或表面的一部分处被测量。这些速度可能与平均速度有很大的偏差，因此在包括将速度与浸湿面积相乘的流量计算过程中可能会产生很大的误差。
美国专利号5,811,688披露了使用与液位相关的表面速度乘数来计算平均速度的方法。这种方法的缺点在于，乘数是由在不同液位处的多个原位速度分析设备生成的，这些设备制造成本较高，并且有时由于安全问题而无法实现。
欧洲专利号3 011 278 B披露了基于流动液体表面处的速度分布来计算平均速度的方法。虽然这种方法相比于早前的方法做出了改进，从在流体流表面或表面的一部分处的测量速度开始计算平均速度，但其缺点在于速度分布被假设为是对称的，而只有在足够长度的直道可用的情况下才是如此。欧洲专利号2 824 427 A1披露了利用一个天线测量液位和速度的方法，使用以一定角度朝向流体表面发射的主瓣来测量表面处的流体速度，并且使用竖直地朝向流体表面发射的旁瓣来测量从设备到流体表面的距离。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于测量敞开通道、管道或河流中的流量的改进的非侵入式方法和技术。
本发明涉及根据所附独立权利要求的方法和设备。
在从属权利要求中描述了优选实施例。
附图说明
图1a表示根据本发明的具有测量速度传感器的通道的示例。
图1b表示根据本发明的具有测量速度传感器的通道的另一示例。
图1c表示图1a和1b的示例的组合。
图2示出了根据本发明的通道的示例。
图3表示贴片天线(5)，该贴片天线包括一个发射贴片区TX 6和间隔开距离d的两个接收贴片区7RX1和RX2。
图4表示贴片天线5，该贴片天线包括一个发射贴片区(6)和间隔开距离d的M个接收器贴片区(7)。
图4b表示贴片天线5，该贴片天线包括两个正交的发射贴片区6和两组间隔开距离d的M个接收器贴片区7。
图5示出了根据相移测量角度的一般原理。
图6示出了在本发明的一些实施例中使用的频率上啁啾周期。
图7示出了用于表示从本发明的传感器获得的数据的数据空间。
图8呈现了频谱域中三维微波数据立方体的选定的子矩阵的图示，如图08所示。
图9示出了频谱域中三维雷达数据立方体的选定的二维子矩阵，其中，归一化的频率被转换到范围r，到达角为α，并且对所有速度进行评估，在选定的到达角下速度为v。
图10展示了根据本发明的贴片天线示例的Tx和Rx贴片区。
图11展示了根据本发明示例的范围-多普勒图。
图12示出了描述的示例的二维图、速度高度和振幅。
图13示出了描述的示例的通道的布置。
图14示出了描述的示例的二维图、速度高度和振幅。
具体实施方式
根据本发明，传感器生成以确定的角度指向流体表面的微波束，其中所述流体表面将大量信号反射回传感器。系统能够测量目标与雷达传感器之间的距离、入射射频信号的到达角、以及目标速度。该传感器具有一个或多个发射贴片阵列和两个或更多个接收贴片阵列，这些阵列与流体速度成一定角度布置。由该两个或更多个接收器贴片阵列检测每个反射信号。来自接收贴片阵列的信号是相同的，但由于与接收贴片阵列的物理距离和反射信号来自的角度而具有相移。可以计算移动反射流体散射体的角度，并且可以确定角度检测内的速度分布(profile)。
该结果可以通过优选地向流体表面以24.125GHz的频率发射连续波信号来实现。在两个或更多个接收元件处分析具有多普勒频移的反射信号，并且在这些接收元件处分析信号之间的相移。
可替代地，向流体表面发射在中心频率fc(其可以优选地为61GHz或77GHz)周围的信号频带宽B内具有相继上啁啾的信号。分析反射信号；延迟的反射上啁啾、相继啁啾之间的相移、以及相邻接收设备之间的相移将允许计算从每个反射散射体到微波设备的距离、速率和入射角度。
每个单一反射散射体都将具有三重特征：即目标移动的速度、与发射束的轴线所成的角度和与微波设备的距离。这将允许使用单个天线确定整个流体流表面的速度分布和从流体流到微波系统的距离。
本发明使用设备1来测量流经管道或通道3的流体2的表面速度，所述设备1包括贴片天线5，该贴片天线具有一个或多个发射天线6和间隔开距离d的m个接收天线7，所述发射天线6生成优选地具有77GHz的中心频率fc的微波信号，并且所述接收天线7接收从流体2的表面反射的微波信号。在接收天线上接收到的微波信号具有相移这允许计算角度α以确定反射体在流体表面2上的准确方位角位置。
根据本发明的示例，设备1发射信号，该信号描述了一系列相继的线性调频连续波(上啁啾)，该信号入射流体2的表面并在该处被反射。接收到的信号是所发射的啁啾的时间延迟版本。使用零差接收机来比较这两个信号；这会产生由所发射的采样信号与所接收的采样信号之间的频率差定义的中频信号，该频率差与信号传播时间成正比，并且因此与微波天线前端与目标之间的距离成正比。通过评估相继啁啾的相位差来确定目标速度，并且通过评估雷达系统相邻接收天线处的相位差来计算入射射频信号的到达角。因此，可以针对特定的角度和范围来确定目标的速度。
在第一实施例中，使用微波贴片天线发射器将具有较大方位角和较小仰角的不对称波束以定义的角度指向流体流(图1A)。在这个使用定义的发射频率f的多通道微波模块中，由彼此间隔开定义距离d的两个或更多个接收器天线7(图3)捕获反射的微波信号的一部分。
来自发射器贴片区的频率为f的所发射的连续波雷达信号与来自接收贴片区的频率为fd(带有多普勒偏移的频率)的所接收的信号之间的多普勒频移差将允许计算目标速度。相邻接收贴片区的所接收的信号之间的相移将允许计算反射信号起源的角度α。
在第二实施例和第一布置中，将发射贴片区和接收贴片区定位成与流体流移动正交并使用如图04所示的贴片天线5，在此情况下，不对称微波束以定义的角度θ指向流体表面，所述波束具有方位角大且仰角小的主瓣。
发射信号将由一系列相继的线性调频连续波(上啁啾)组成，入射到流体表面并在该处被反射，从而生成由接收贴片区捕获的、所发射啁啾的阻尼且时间延迟的版本，将会对这些信号进行分析以计算各个目标速度并确定目标在流体表面上的位置。
在第二实施例和第一布置中，将发射贴片区和接收贴片区定位成与流体流移动平行并使用如图04所示的贴片天线5，不对称微波束以定义的角度θ指向流体表面，所述波束具有方位角小且仰角大的主瓣(图1B)。
发射信号将由一系列相继的线性调频连续波(上啁啾)组成，入射到流体表面并在该处被反射，从而生成由接收贴片区捕获的、所发射啁啾的阻尼且时间延迟的版本，将会对这些信号进行分析以计算各个目标速度并确定从微波天线到流体表面的距离。
在第三实施例中，组合被定位成与流体移动正交和平行的发射贴片区和接收贴片区并使用如图04B所示的贴片天线(5)，将两个不对称微波波束以限定的角度θ指向流体表面，所述波束首先具有方位角大且仰角小的主瓣，其次具有方位角小且仰角大的主瓣，如图01C所示。
发射信号将由一系列相继的线性调频连续波(上啁啾)组成，入射到流体表面并在该处被反射，从而生成由接收贴片区捕获的、所发射啁啾的阻尼且时间延迟的版本，将会对这些信号进行分析以计算各个目标速度并确定目标在流体表面上的位置、以及从微波天线到流体表面的距离。
正如先前在第一实施例中提到的，处于定义的频率f(优选地(大约)24.125GHz)的连续波雷达信号以定义的角度θ从发射器贴片区朝向流体表面(2)发射，如图02所示，所述波束具有方位角大且仰角小的主瓣。这将允许主瓣照射流体表面(4)的椭圆形部分，如图01A所示。方位角范围可以从20°到90°或更多，而仰角将从10°到30°。
图05示出了两个接收器贴片区RX1和RX2接收具有相同多普勒频移的相同的信号fd，但如果信号以角度α传入，则这两个多普勒载波将具有相移φ。该相移φ允许精确计算所接收的波束与天线平面的正交方向之间的角度α(如图02和图05所示)。当该角度α已知时，就可以计算出每个多普勒载波源自的目标在流体表面上的准确位置。通过分析所有反射波束，测量其多普勒频移并计算角度，可以确定流经检测区4的流体的速度分布或表面速度分布，如图01A和图02所示。
如前所述，在第二实施例中，使用如图04所示的贴片天线5，该贴片天线包括一个发射贴片区6和M个接收器贴片区7，不对称微波束以定义的角度θ指向流体表面，所述波束具有方位角大且仰角小的主瓣。这将允许主瓣照射流体表面(4)的椭圆形部分，如图01A所示。方位角范围可以从20°到90°或更多，而仰角将从10°到30°。
如图06所示，微波前端的发射信号描述了由61GHz或77GHz的中心频率fc、扫描时间T和信号带宽B指定的一系列K个相继的线性向上啁啾。在每个周期中，在微波模块的M个接收器通道中的每个通道上采集N个样本。
入射在流体表面的发射信号被反射，从而生成由接收贴片区捕获的、所发射的啁啾的阻尼且时间延迟的版本。使用零差接收机来比较这两个信号；这会产生由所发射的采样信号与所接收的采样信号之间的频率差定义的中频信号，该频率差与信号传播时间成正比，并且因此与微波天线前端与目标之间的距离成正比。通过评估相继啁啾的相位差来确定目标速度，并且通过评估雷达系统相邻接收天线处的相位差来计算入射射频信号的到达角。因此，可以针对特定的角度和范围来确定目标的速度。
这产生了三个不同的采样域，称为快时间采样n、慢时间采样k和空间采样m。因此，所获取的中频信号可以用图07所示的三维微波数据立方体表示。
相应的数字化中频信号由下式建模：
s[n，m，k]＝Acos(2π(Ψrn+Ψαm+Ψvk)) (1)
其中，信号振幅为A。n是样本索引，1≤n≤N，ψr为在快时间域中的归一化频率，其由下式建模
其中，c指定信号传播速度(光速)，并且r是微波模块与目标之间的距离。在空间域中，m是接收天线的索引，并且M是接收天线的数量，1≤m≤M，产生的归一化频率Ψα由下式定义
d描述微波模块的相邻接收天线之间的间距，并且α指定入射射频信号的到达角(图02)。
对于慢时间域，其中k是上啁啾的索引，1≤k≤K，目标移动引起的多普勒效应产生的归一化频率Ψv由下式描述
其中，θ指定微波模块的倾角(图02)，并且v指定目标速度。
信号处理
根据等式(1)，三维雷达微波数据立方体的每个采样域都会产生一个归一化频率，从而产生余弦中频信号。因此，通过应用三维离散傅立叶变换(DFT)，可以将微波数据立方体变换到频谱域，其维度对应于归一化频率Ψr(快时间域)、Ψα(空间域)和Ψv(慢时间域)。
图08示出了频谱域中三维微波数据立方体的选定的子矩阵的图示。
在图09中，归一化频率Ψr、Ψα和Ψv已分别根据(2)、(3)和(4)转换为范围r、到达角α和速度v。
测量系统的设计边界
由于信号是以数字方式处理的，因此必须在每个维度中相应地选择采样间隔。关于奈奎斯特准则，必须防止归一化频率的变化超过1/2。根据快时间域，这导致微波模块与目标之间的距离r受限，由下式定义
为了实现基于微波的测量系统的最大限度的多功能性，不应限制入射射频信号到达角α的明确范围。
因此，微波模块必须被设计成使得微波模块的相邻接收天线之间的间距d受到以下限制
其中，λ表示射频信号的波长，并且d＝λ/2，即，两个相邻接收贴片区的距离(图10)。
关于慢时间域，在相继的发射周期之间目标相对于微波模块的移动受到限制，因此随之产生目标速度的限制
通过调整样本数量N和扫描时间T，可以设置测量系统以允许针对给定场景根据的奈奎斯特准则进行速度测量。
测量系统的分辨率
基于雷达的流体表面速度测量系统的一个重要参数是目标分辨率，其描述了区分位于雷达波束内的多个目标的能力。如果无法清楚地分离目标，则测量结果将受到显著影响。基本上，目标分辨率的问题是解决输出频谱中的多个频率的问题。因此，可实现的分辨率主要取决于所使用的频率测量算法。对于通常用于进行频率计算的离散傅立叶变换，频率分辨率大约等于一个DFT仓(bin)，其为离散DFT幅度谱中两条相邻线的频率差。本文的测量系统能够在频谱域中的三维微波数据立方体的每个维度中区分多个目标。快速时间域使得能够在对象到雷达模块的距离相差超过以下值的情况下区分这些对象
为了能够在频谱域中分离目标，入射射频信号的到达角α必须相差超过以下值
严格来说，这是频谱域中的分辨率的下限，仅在α～0°的范围内有效。
关于慢时间域，如果对象在相继的发射周期之间相对于雷达模块的移动Δr变化超过以下值，则可以区分这些对象
注意，只有在计算DFT谱之前没有对测量数据应用窗函数的情况下，上述结果才有效。如果使用了窗函数，则必须考虑窗函数的影响，因为窗函数会使目标光谱变宽，从而降低可实现的分辨率。如果使用基于模型的高分辨率算法，则有可能超过上述分辨率限制。尽管如此，离散傅立叶变换是迄今为止最常用和最广泛使用的频率计算方法，因为它可以通过快速傅立叶变换算法来实施，该算法计算效率高且在许多信号处理系统中广泛可用。
测试测量设置和实验结果
为了验证通过如第二实施例和第一布置中的非侵入式雷达测量系统测量流体表面速度分布、以及第二实施例和第二布置中测量流体表面照射区内的速度分布以及从雷达设备到流体表面的距离的这些方法，进行了测试测量。
为了评估基于雷达的流体表面速度测量系统的性能，在通道化流上进行了实验。为此，对于这两种类型的布置，雷达模块都被定位在水面以上h＝0.91m的高度，并且雷达波束指向上游。为了允许比较这两种布置，选择了雷达系统的相同参数：
-fc＝77GHz
-B＝2GHz
-M＝8
-N＝128
-K＝8192
-T＝250μs
-θ＝40°
-d＝λ/2
与布置类型无关，这些参数导致雷达模块与目标之间的距离r的限制为4.80m，同时该系统被设计成为入射射频信号的到达角α提供在-180°到+180°之间的明确范围。以下值是针对雷达波束的中心在α＝0°下计算出的，其中这两种布置产生相同的限制。在这种情况下，所选参数导致可检测的表面速度v为+/-5.08m/s。关于雷达系统在多个目标之间进行区分的能力，这些参数产生以下分辨率：范围测量中δr＝7.49cm，频谱域中δɑ＝14.5°，并且速度测量中δv＝1.24mm/s。
第二实施例，第一布置，贴片区与流体流动方向正交。
特别是在敞开通道中，通道截面的表面速度并不是恒定的。因此，能够测量整个通道截面的表面速度分布的测量系统将带来显著的益处。为此，将根据本发明的雷达系统定位在流上方，使得发射天线的主瓣照射流体，而接收天线被布置成与流动方向正交。这在图01A和图02中以示意形式示出。
使用这种测量布置使得可以确定对于先前指定的设计边界内的任意到达角α和范围r，在相继发射周期之间目标相对于雷达模块的移动为Δr。因此，通过评估在不同范围和角度下慢间时域中的估计归一化频率Ψv，可以确定表面速度分布。使用关系式：
Δr＝v T cos(θ)cos(α) (11)
其中，θ指定雷达模块的倾角，
对所有范围进行评估，在选定的到达角下，根据(4)得到表面速度的测量结果
考虑(7)，随之产生明确可确定的表面速度的限制
并且根据(10)，速度测量的分辨率产生
显然，尤其是在敞开通道中，可能会出现由静止或移动散射体产生的干扰反射。然而，如果这些散射体与关注的目标在频谱域中的雷达数据立方体的三个维度中有至少一个维度不同，则这些散射体可以目标区分开。更准确地说，散射体的范围r、到达角α或速度v必须分别与关注的目标相差超过相应的分辨率δr、δɑ或δv。基于与图8中使用的相同的测量数据集，图9示出了频谱域中三维雷达数据立方体的选定的二维子矩阵的图示，其中，归一化频率ψr、ψα、和ψv分别根据(2)、(3)和(12)转换为范围r、到达角α和速度v。
实验结果
对于将雷达模块定位在流上方以使得接收天线被布置成与流动方向正交的安装类型，确定与频谱域中雷达数据立方体的最大绝对值的位置相对应的归一化频率。这产生了以下测量结果，表面速度雷达模块与目标之间的距离/>以及入射射频信号到达角/>这些值是选择图09所示的二维子矩阵的基础。测得的表面速度与商用手持式电磁式电流计的结果一致。
频谱域中的雷达数据立方体的一种明显解释是在特定到达角下的评估，这对应于众所周知的范围-多普勒图，如图11所示。原则上，基于雷达模块的确定的范围和已知的倾角θ，还可以确定测量系统在水面上方的高度。
由于所提出的测量系统还估计入射射频信号的到达角α，因此可以确定表面速度分布。如图12所示，对于r＝1:46m的范围，在0°附近的角度α观察到几乎恒定的表面速度。对于α的更高的值，由于流的人造环境的陡坡，在该距离处不存在相关散射体。
第二实施例，第二布置，贴片区与流体流动方向平行。
重要的是，在主瓣照射的流体流的部分中除了速度分布外还测量流体液位，使得可以在管道或通道剖面已知的情况下计算体积流量排放。为此，将雷达系统定位在流上方，使得天线被布置成与流动方向平行。这在图13中以示意形式示出。
再次，使用这种测量布置使得可以确定对于先前指定的设计边界内的任意到达角α和范围r，在相继发射周期之间目标相对于雷达模块的移动为Δr。使用关系式
Δr＝v T cos(θ-α) (15)
以及
h＝r sin(θ-α) (16)
其中，h描述雷达模块在流体表面上方的高度，根据(2)得出雷达高度的测量结果
关于慢时间域，对所有范围进行评估，在选定的到达角下，考虑(4)表面速度的测量结果产生
因此，可以分别测量雷达模块在流体表面上方的高度h和对于每个到达角α的表面速度v。然而，由于可以假设目标速度和雷达高度对于不同的到达角保持不变，因此可以进行相应幅度谱的叠加，从而显著提高对速度和雷达高度的测量精度。根据(7)，随之产生明确可确定的表面速度的限制
并且考虑(10)，速度测量的分辨率产生
实验结果
对于将雷达模块定位在水流上方以使得接收天线被布置成与流动方向平行的安装类型，对所考虑的到达角α的幅度谱进行叠加。确定所产生的二维图的最大值的位置(如图14所示)会产生了以下测量结果：表面速度m/s，雷达模块在水面上方的高度测得的表面速度与商用手持式磁电流计的结果以及使用接收天线的正交布置确定的值一致。测得的雷达高度非常接近预期值h＝0:91m，特别是由于水面上存在波浪，实际液位的确定本来就是不精确的。

Claims (18)

1.一种用于测量流经管道或通道(3)的移动流体(2)的表面速度的方法，其中，所述移动流体具有自由表面，该方法包括以下步骤：
-借助于贴片天线(5)发送微波束，该贴片天线包括至少一个发射贴片区(6TX)和平行于该发射贴片区(6TX)的至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)；
-在间隔开预定距离d的该至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收由该移动流体(2)的自由表面反射的微波信号，所述贴片天线在水平面中或者在与平均流体速度平行的竖直面中；
-针对在该贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收到的每个微波信号，确定不同贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)接收到的微波信号之间的相移从而允许计算方位角α以确定反射体在移动流体(2)的表面上的方位角位置，或允许计算与在该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收到的每个信号相对应的仰角θ；
-针对在该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收的每个微波信号，确定在所发送的微波束与所接收的微波信号之间的多普勒频移fd；
-基于这些多普勒频移和相应的相移计算该移动流体(2)的表面速度的横向和/或纵向分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所发送的微波束包括一系列相继的线性调频连续波(上啁啾)，并且所接收的信号是所发射的啁啾的时间延迟版本，通过评估相继啁啾的相位差来确定反射体速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用零差接收机来比较所发送的微波束与所接收的信号，从而产生由所发射的信号与所接收的信号之间的频率差定义的中频信号，该中频信号与信号传播时间成正比，并且因此与该贴片天线(5)与目标之间的距离成正比。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所发送的微波束的方位角包括在20°到90°之间，并且仰角包括在10°到30°之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，这些微波束的频率包括在20GHz到80GHz之间、优选地在24.125GHz到77GHz之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，这些微波束的频率包括在24.125GHz到77GHz之间。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，这些微波信号的中心频率fc选自由24.125GHz、61GHz和77GHz组成的组。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，相邻接收贴片区之间的间距d等于约λ/2，其中，λ表示该中心频率信号fc的波长。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，这些接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)位于与该流体流平行的竖直面中，从而允许确定各个目标速度和到达方位角。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，这些接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)位于与该流体流平行的水平面中，从而允许确定各个目标速度以及传感器(1)与该流体之间的距离r。
11.根据权利要求8所述的方法，包括以下步骤：进行第一组完整的测量和计算，将天线围绕其法线轴线旋转90°，并且进行第二组完整的测量和计算。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，该传感器包括：
-彼此正交放置的至少两个贴片区发射器，第一贴片区发射器位于与该流体流平行的竖直面中，并且第二贴片区发射器位于与该流体流平行的水平面中，以及
-至少两组接收天线，分别与该第一贴片区发射器和该第二贴片区发射器平行，
对不同的相移和频移的测量允许确定各个目标速度、到达角和到该流体的距离r。
13.一种输送包括自由表面的移动流体(2)的通道(3)，该通道(3)包括用于测量该移动流体的表面速度的传感器(1)，该传感器(1)位于该流体表面上方的高度h处并且包括：
-贴片天线(5)，该贴片天线具有指向该通道(3)的中间并以预定仰角入射到该流体表面的法向量，所述贴片天线包括至少一个发射贴片区(6TX)和与该发射贴片区平行的至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)；
-微波发生器，该微波发生器连接到该至少一个发射贴片区(6TX)；
-零差接收机，该零差接收机用于确定该发射贴片区使用的所发射的信号与该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)使用的所接收的信号之间的相移和频移；
-处理单元，该处理单元用于根据该零差接收机确定的相移和频移计算该流体表面的速度分布。
14.根据权利要求13所述的通道(3)，其中，该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)位于与该流体流平行的竖直面中，从而允许确定各个目标速度和到达方位角。
15.根据权利要求13所述的通道(3)，其中，该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)位于与该流体流平行的水平面中，从而允许确定各个目标速度以及该传感器(1)与该流体之间的距离r。
16.根据权利要求13所述的通道(3)，其中，该贴片天线(5)包括：彼此正交放置的至少两个发射贴片区(6TX)，第一发射贴片区位于与该流体流平行的竖直面中，第二发射贴片区位于与该流体流平行的水平面中；以及至少两组接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)，分别与该第一发射贴片区和该第二发射贴片区平行。
17.一种用于测量在通道中流动的移动流体(2)的表面的速度分布的传感器(1)，所述传感器包括：
-用于以预定高度和角度将该传感器(1)固定在该流体表面上方的装置；
-贴片天线(5)，包括至少一个发射贴片区(6TX)和与该发射贴片区平行的至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)；
-微波发生器，连接到该至少一个发射贴片区(6TX)；
-零差接收机，该零差接收机用于确定该发射贴片区使用的所发射的信号与该至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)所接收的信号之间的相移和频移；
-处理单元，该处理单元用于根据该零差接收机确定的相移和频移计算该流体表面的速度分布。
18.根据权利要求17所述的传感器(1)，还包括高度测量传感器，该高度测量传感器用于独立确定该移动流体(2)的表面液位。
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