CN114235090B - 一种侧扫水流高度测量雷达设备及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利监测技术领域，具体为一种侧扫水流高度测量雷达设备，包括底座，所述底座上固定安装有支柱，且支柱中活动安装有升降杆，所述升降杆上固定安装有端头，且端头上固定安装有横杆，所述横杆上固定安装有安装座，且安装座上固定安装有雷达主体，所述安装座上设置有套圈，且套圈上固定连接有滑杆，所述滑杆上固定安装有活动圈，且活动圈上固定安装有气囊，所述套圈上连接限位结构；本发明在遭遇洪灾时可以限制，使得雷达主体可以升高，从而对洪水进行避让，防止受到水流的侵害，保证设备安全。本发明中通过一种侧扫水流高度测量方法，采用超分辨的稀疏重构算法进行水面高度估计，可以有效提升河面的估计精度，有效提升检测性能。

Description

一种侧扫水流高度测量雷达设备及测量方法

技术领域

本发明涉及水利监测技术领域，具体为一种侧扫水流高度测量雷达设备及测量方法。

背景技术

水文信息测量是当前重要信息之一，通过测量水文信息可以获得对降雨量、气象、流量的精确测量与预测，对国家重点工程、气象预测都具有重要意义。而现有的水文信息观测设备，尤其是水流测量设备，主要分为两种：1)基于直接测量的流量计；2)基于声呐的间接测量设备。由于直接测量设备往往需要用于水中，所受的局限较大，因此声纳间接测量设备的应用前景更佳。

目前很多间接测量设备采用侧面扫描雷达设备，在岸基上装备雷达系统，基于多普勒原理，通过侧面扫描河流流速，间接推断河面流速。但是，现有的侧扫雷达无法根据水面高度自适应调整流速计算，必须人工测量水面高度，对于大流量变化场景无法适用，因为流量的急剧变化都会带来河面高度的变化。并且虽然间接测量设备不需要与水面接触，但是在突发洪水灾害时，十分容易出现被浸没的情况，导致设备受损。鉴于此，我们提出一种侧扫水流高度测量雷达设备及测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧扫水流高度测量雷达设备及测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种侧扫水流高度测量雷达设备，包括底座，所述底座上固定安装有支柱，且支柱中活动安装有升降杆，所述升降杆上固定安装有端头，且端头上固定安装有横杆，所述横杆上固定安装有安装座，且安装座上固定安装有雷达主体，所述雷达主体中安装有具有定位功能的算法模块结构，且雷达主体中固定安装有电源，所述安装座上设置有套圈，且套圈上固定连接有滑杆，所述滑杆上固定安装有活动圈，且活动圈上固定安装有气囊，所述套圈上连接有浮力解锁功能的限位结构。

优选的，所述算法模块结构包括有固定安装在雷达主体中的阵列天线、发射射频通道、接收射频通道、基带信号处理板、网络通信模块以及卫星定位模块。

优选的，发射射频通道包含滤波器、可调节功率放大器以及功率放大器，接收射频通道包含滤波器、低噪声放大器、衰减器，所述阵列天线具有多个阵子，并与功分网络相连，通过波束形成，形成定向波束。

优选的，所述限位结构包括有固定连接在套圈上的拉绳，且拉绳活动连接在进绳座以及绳套中，所述限位结构还包括有固定安装在支柱上的滑座，且滑座中滑动安装有定位销，所述升降杆上固定安装有定位板，所述拉绳与定位销固定连接。

优选的，所述滑杆贯穿滑动连接在安装座上，且套圈和活动圈分别连接在滑杆的两端，所述气囊固定安装在活动圈的底部。

一种侧扫水流高度测量方法，该方法通过将雷达设备安装在河岸上，对河面进行电磁波照射，利用回波信号实现对河面高度测量以及流量计算，雷达发射的探测电磁波为周期性的中断连续波，中断连续波有发射信号期间开关切换到发射射频通道与天线相连，中断连续波无发射信号期间开关切换到接收通道与天线相连。周期性中断连续波在一个周期T内，可以表示为

其中，a表示幅度，f₀表示起始频率，B表示带宽，t表示时间，Tg表示中断连续波内部的中断周期，n(n＝0,1,…)表示第n个中断周期。

优选的，河面高度的测量采用收发电磁波的时延估计，采用基于原子范数的高精度算法估计时延，首先，实际环境中，河面回波为多个散射点的叠加，河面回波信号通过正交混频与滤波后可以将其表示为

其中，b为复数幅度，

表示距离R_m河面回波信号的时延，c为电磁波速度，定义

可以将时延τ_m估计问题转换为频率f_τm的估计问题，m为散射点的索引，w(t)表示噪声。其次，构建向量x的原子范数如下

‖x‖_A＝inf{‖c‖₁：x＝∑_mc_me^jθa(f_m),c_m≥0,θ∈[0,2π)}

其中，‖c‖₁表示系数c的l₁范数，θ为相位，采样向量定义为

采样点数为N，采样周期为T_s。那么，河面高度测量问题转换为时延估计问题，并且可以将其描述为如下的稀疏条件下的最优化重构问题

其中，λ为权重系数，用于权衡重构结果的稀疏性以及误差。通过稀疏重构得到x后，可以采用多项式函数g(f)＝|a^H(f)x|的峰值得到时延τ_m的估计结果，那么河面高度可以计算为h＝0.5cτ_msinθ，其中θ为波束倾角。

优选的，基于原子范数的时延求解采用半正定规划(SDP)求解，即构造如下最优化求解稀疏向量x

G∈Hermitan matrix

通过该SDP表达式，可以得到稀疏向量x。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明利用底座以及支柱构成安装结构，在岸边进行了升降杆的活动安装，并利用横杆端部的安装座进行了雷达主体的安装，可以完成高精度的水流高度测量，并且本发明中通过设置限位结构，在正常情况下保持住雷达主体的使用位置，而在遭遇洪灾时放开对升降杆的限制，使得雷达主体可以升高，从而对洪水进行避让，防止受到水流的侵害，保证设备安全；

2.本发明中限位结构的解锁通过气囊的活动来进行驱动，在出现洪灾时，如果水位高度即将危及雷达主体，会首先与气囊接触，产生浮力，对定位销进行了外拉，使得升降杆可以活动，而气囊顶在安装座上之后，则会将浮力作用在安装座、横杆以及端头上，使得雷达主体，在升降杆的导向下，进行了上移，能够浮在水面上，防止被水浸染；

3.本发明中通过一种侧扫水流高度测量方法，采用超分辨的稀疏重构算法进行水面高度估计，可以有效提升河面的估计精度，有效提升检测性能。

附图说明

图1为本发明整体结构的示意图；

图2为本发明支柱结构的剖视图；

图3为本发明浮动结构的示意图；

图4为本发明雷达结构的剖视图。

图中：底座1、支柱2、升降杆3、端头4、横杆5、安装座6、雷达主体7、阵列天线8、发射射频通道9、接收射频通道10、基带信号处理板11、网络通信模块12、卫星定位模块13、电源14、套圈15、滑杆16、活动圈17、气囊18、拉绳19、进绳座20、绳套21、滑座22、定位销23、定位板24。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：一种侧扫水流高度测量雷达设备，包括底座1，底座1上固定安装有支柱2，且支柱2中活动安装有升降杆3，升降杆3上固定安装有端头4，且端头4上固定安装有横杆5，横杆5上固定安装有安装座6，且安装座6上固定安装有雷达主体7，雷达主体7中安装有具有定位功能的算法模块结构，且雷达主体7中固定安装有电源14，安装座6上设置有套圈15，且套圈15上固定连接有滑杆16，滑杆16上固定安装有活动圈17，且活动圈17上固定安装有气囊18，套圈15上连接有浮力解锁功能的限位结构。

本发明利用底座1以及支柱2构成安装结构，底座1可以用于固定在河岸等位置，而支柱2中设置有滑槽，进行了升降杆3的活动安装，升降杆3上通过端头4安装有横杆5，从而通过横杆5端部的安装座6进行了雷达主体7的安装，正常情况下，通过限位结构进行了升降杆3的固定，从而保证雷达主体7的固定使用，而在出现紧急情况时，则使得升降杆3可以活动；

算法模块结构包括有固定安装在雷达主体7中的阵列天线8、发射射频通道9、接收射频通道10、基带信号处理板11、网络通信模块12以及卫星定位模块13；

雷达主体7中设置有多个模块结构，通过电源14进行供电，其中阵列天线8为收发共用，并可以形成定向波束，该波束的主瓣覆盖角度较小，可以有效降低其他位置的干扰回波信号，阵列天线的电磁波信号通过功率分配网络实现信号的发射与接收；基带信号处理模块11实现了产生雷达发射基带信号以及接收河面反射信号的基带处理，在发射部分，主要包含了中断连续波信号的产生、滤波与上变频等功能，在接收部分，基带信号处理主要包括下变频、正交混频、滤波、傅里叶变换、基于原子范数的河面高度求解等部分；在卫星定位模块13中，主要实现了对雷达系统安装地点的定位，可以有助于显示当前雷达位于河流的位置；在网络通信模块12中，主要实现了河面高度测量结果的远程传输以及雷达定位信息的传输功能；

发射射频通道9包含滤波器、可调节功率放大器以及功率放大器，接收射频通道10包含滤波器、低噪声放大器、衰减器，阵列天线8具有多个阵子，并与功分网络相连，通过波束形成，形成定向波束；

限位结构包括有固定连接在套圈15上的拉绳19，且拉绳19活动连接在进绳座20以及绳套21中，限位结构还包括有固定安装在支柱2上的滑座22，且滑座22中滑动安装有定位销23，升降杆3上固定安装有定位板24，拉绳19与定位销23固定连接；

限位结构能够在正常情况下保持住雷达主体7的使用位置，而在遭遇洪灾时放开对升降杆3的限制，使得雷达主体7可以升高，从而对洪水进行避让，防止受到水流的侵害，保证设备安全；

限位结构的解锁通过气囊18的活动来进行驱动；

滑杆16贯穿滑动连接在安装座6上，且套圈15和活动圈17分别连接在滑杆16的两端，气囊18固定安装在活动圈17的底部；

具体的，在雷达主体7工作时，定位销23连接在定位板24中，能够进行升降杆3的固定，而在出现洪灾时，如果水位高度即将危及雷达主体7，会首先与气囊18接触，产生浮力，带动活动圈17上升，对套圈15进行了推动，从而拉动拉绳19，经过进绳座20和绳套21的导向作用，对定位销23进行了外拉，使得升降杆3可以活动，而气囊18顶在安装座6上之后，则会将浮力作用在安装座6、横杆5以及端头4上，使得雷达主体7，在升降杆3的导向下，进行了上移，能够浮在水面上，防止被水浸染，对设备进行了有效的保护；

一种侧扫水流高度测量方法，该方法通过将雷达设备安装在河岸上，对河面进行电磁波照射，利用回波信号实现对河面高度测量以及流量计算，雷达发射的探测电磁波为周期性的中断连续波，中断连续波有发射信号期间开关切换到发射射频通道与天线相连，中断连续波无发射信号期间开关切换到接收通道与天线相连。周期性中断连续波在一个周期T内，可以表示为

其中，a表示幅度，f₀表示起始频率，B表示带宽，t表示时间，Tg表示中断连续波内部的中断周期，n(n＝0,1,…)表示第n个中断周期；

河面高度的测量采用收发电磁波的时延估计，采用基于原子范数的高精度算法估计时延，首先，实际环境中，河面回波为多个散射点的叠加，河面回波信号通过正交混频与滤波后可以将其表示为

其中，b为复数幅度，

表示距离R_m河面回波信号的时延，c为电磁波速度，定义

可以将时延τ_m估计问题转换为频率f_τm的估计问题，m为散射点的索引，w(t)表示噪声。其次，构建向量x的原子范数如下

‖x‖_A＝inf{‖c‖₁：x＝∑_mc_me^jθa(f_m),c_m≥0,θ∈[0,2π)}

其中，‖c‖₁表示系数c的l₁范数，θ为相位，采样向量定义为

采样点数为N，采样周期为T_s。那么，河面高度测量问题转换为时延估计问题，并且可以将其描述为如下的稀疏条件下的最优化重构问题

其中，λ为权重系数，用于权衡重构结果的稀疏性以及误差。通过稀疏重构得到x后，可以采用多项式函数g(f)＝|a^H(f)x|的峰值得到时延τ_m的估计结果，那么河面高度可以计算为h＝0.5cτ_msinθ，其中θ为波束倾角；

基于原子范数的时延求解采用半正定规划(SDP)求解，即构造如下最优化求解稀疏向量x

G∈Hermitan matrix

通过该SDP表达式，可以得到稀疏向量x；

雷达设备工作原理：首先，本发明利用底座1以及支柱2构成安装结构，底座1可以用于固定在河岸等位置，而支柱2中设置有滑槽，进行了升降杆3的活动安装，升降杆3上通过端头4安装有横杆5，从而通过横杆5端部的安装座6进行了雷达主体7的安装，正常情况下，通过限位结构进行了升降杆3的固定，从而保证雷达主体7的固定使用，雷达主体7中设置有多个模块结构，通过电源14进行供电，其中阵列天线8为收发共用，并可以形成定向波束，该波束的主瓣覆盖角度较小，可以有效降低其他位置的干扰回波信号，阵列天线的电磁波信号通过功率分配网络实现信号的发射与接收；基带信号处理模块11实现了产生雷达发射基带信号以及接收河面反射信号的基带处理，在发射部分，主要包含了中断连续波信号的产生、滤波与上变频等功能，在接收部分，基带信号处理主要包括下变频、正交混频、滤波、傅里叶变换、基于原子范数的河面高度求解等部分；在卫星定位模块13中，主要实现了对雷达系统安装地点的定位，可以有助于显示当前雷达位于河流的位置；在网络通信模块12中，主要实现了河面高度测量结果的远程传输以及雷达定位信息的传输功能；限位结构能够在正常情况下保持住雷达主体7的使用位置，而在遭遇洪灾时放开对升降杆3的限制，使得雷达主体7可以升高，从而对洪水进行避让，防止受到水流的侵害，保证设备安全，限位结构的解锁通过气囊18的活动来进行驱动，具体的，在雷达主体7工作时，定位销23连接在定位板24中，能够进行升降杆3的固定，而在出现洪灾时，如果水位高度即将危及雷达主体7，会首先与气囊18接触，产生浮力，带动活动圈17上升，对套圈15进行了推动，从而拉动拉绳19，经过进绳座20和绳套21的导向作用，对定位销23进行了外拉，使得升降杆3可以活动，而气囊18顶在安装座6上之后，则会将浮力作用在安装座6、横杆5以及端头4上，使得雷达主体7，在升降杆3的导向下，进行了上移，能够浮在水面上，防止被水浸染，对设备进行了有效的保护。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种侧扫水流高度测量雷达设备，包括底座(1)，其特征在于：所述底座(1)上固定安装有支柱(2)，且支柱(2)中活动安装有升降杆(3)，所述升降杆(3)上固定安装有端头(4)，且端头(4)上固定安装有横杆(5)，所述横杆(5)上固定安装有安装座(6)，且安装座(6)上固定安装有雷达主体(7)，所述雷达主体(7)中安装有具有定位功能的算法模块结构，且雷达主体(7)中固定安装有电源(14)，所述安装座(6)上设置有套圈(15)，且套圈(15)上固定连接有滑杆(16)，所述滑杆(16)上固定安装有活动圈(17)，且活动圈(17)上固定安装有气囊(18)，所述套圈(15)上连接有浮力解锁功能的限位结构；所述限位结构包括有固定连接在套圈(15)上的拉绳(19)，且拉绳(19)活动连接在进绳座(20)以及绳套(21)中，所述限位结构还包括有固定安装在支柱(2)上的滑座(22)，且滑座(22)中滑动安装有定位销(23)，所述升降杆(3)上固定安装有定位板(24)，所述拉绳(19)与定位销(23)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种侧扫水流高度测量雷达设备，其特征在于：所述算法模块结构包括有固定安装在雷达主体(7)中的阵列天线(8)、发射射频通道(9)、接收射频通道(10)、基带信号处理板(11)、网络通信模块(12)以及卫星定位模块(13)。

3.根据权利要求2所述的一种侧扫水流高度测量雷达设备，其特征在于：发射射频通道(9)包含滤波器、可调节功率放大器以及功率放大器，接收射频通道(10)包含滤波器、低噪声放大器、衰减器，所述阵列天线(8)具有多个阵子，并与功分网络相连，通过波束形成，形成定向波束。

4.根据权利要求1所述的一种侧扫水流高度测量雷达设备，其特征在于：所述滑杆(16)贯穿滑动连接在安装座(6)上，且套圈(15)和活动圈(17)分别连接在滑杆(16)的两端，所述气囊(18)固定安装在活动圈(17)的底部。

5.一种如权利要求1-4所述的侧扫水流高度测量设备的测量方法，其特征在于：该方法通过将雷达设备安装在河岸上，对河面进行电磁波照射，利用回波信号实现对河面高度测量以及流量计算，雷达发射的探测电磁波为周期性的中断连续波，中断连续波有发射信号期间开关切换到发射射频通道与天线相连，中断连续波无发射信号期间开关切换到接收通道与天线相连，周期性中断连续波在一个周期T内，可以表示为

其中，a表示幅度，f₀表示起始频率，B表示带宽，t表示时间，Tg表示中断连续波内部的中断周期，n(n＝0,1,…)表示第n个中断周期。

6.根据权利要求5所述的一种侧扫水流高度测量方法，其特征在于：河面高度的测量采用收发电磁波的时延估计，采用基于原子范数的高精度算法估计时延，首先，实际环境中，河面回波为多个散射点的叠加，河面回波信号通过正交混频与滤波后可以将其表示为

其中，b为复数幅度，

表示距离R_m河面回波信号的时延，c为电磁波速度，定义

可以将时延τ_m估计问题转换为频率f_τm的估计问题，m为散射点的索引，w(t)表示噪声，其次，构建向量x的原子范数如下

||x||_A＝inf{||c||₁:x＝∑_mc_me^jθa(f_m),c_m≥0,θ∈[0,2π)}

其中，||c||₁表示系数c的l₁范数，θ为相位，采样向量定义为

采样点数为N，采样周期为T_s，那么，河面高度测量问题转换为时延估计问题，并且可以将其描述为如下的稀疏条件下的最优化重构问题

其中，λ为权重系数，用于权衡重构结果的稀疏性以及误差，通过稀疏重构得到x后，可以采用多项式函数g(f)＝|a^H(f)x|的峰值得到时延τ_m的估计结果，那么河面高度可以计算为h＝0.5cτ_msinθ，其中θ为波束倾角。

7.根据权利要求6所述的一种侧扫水流高度测量方法，其特征在于：基于原子范数的时延求解采用半正定规划SDP求解，即构造如下最优化求解稀疏向量x

G∈Hermitan matrix

通过该SDP表达式，可以得到稀疏向量x。

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