CN114778885B - 一种雷达流速仪及控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种雷达流速仪及控制方法、装置，本申请的雷达流速仪包括：发射芯片、接收芯片、带通滤波器和控制单元，所述发射芯片用于发射雷达探测信号，所述接收芯片用于接收流体返回的雷达探测信号，所述发射芯片与所述接收芯片之间具有固定频率差，所述带通滤波器用于滤除噪音信号，控制单元用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样并根据采样得到的信号计算流体的流速。本申请具有更高的发射频率，因此能够产生更大的多普勒频移，使得低流速的测量更为稳定，具有更小的产品尺寸，成本更低，适合批量生产。

Description

一种雷达流速仪及控制方法、装置

技术领域

本申请涉及流速雷达领域，尤其是一种雷达流速仪及控制方法、装置。

背景技术

相关的雷达流速产品的差异在于最小可测量流速。通过多普勒定理可知，水流速度越低，多普勒频移越小，以常见的24G雷达流速仪带入计算，当水流速度为0.1m/s时，多普勒频移fd＝11Hz，中频越低，越难测量，测量的时间越长，而过长的测量时间水流的不稳定性会导致fft频谱的峰值扩散，无法形成稳定的峰值。

并且，传统低频流速测量雷达的产品尺寸大，原因是天线的尺寸大，天线尺寸跟工作频率的波长相关。目前并没有商用的77GHZ频段的雷达流速计方案，主要原因是目前商用的77GHz雷达芯片都是针对车载应用，芯片内部都集成了高通滤波器，一般频率在几十到几百KHz。如果仍然采用传统的低频24G雷达流速方案，输出的中频将会完全被高通滤波器过滤掉而无法输出。非商用的可以覆盖77GHz频段的芯片，一般是化合物工艺，集成度低，没有封装，且成本昂贵，并不适合批量生产。

因此，相关技术存在的上述技术问题亟待解决。

发明内容

本申请旨在解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请实施例提供一种雷达流速仪及控制方法、装置，能够对较为稳定地测量流速。

根据本申请实施例一方面，提供一种雷达流速仪，其特征在于，包括：发射芯片、接收芯片、带通滤波器和控制单元，所述发射芯片用于发射雷达探测信号，所述接收芯片用于接收流体返回的雷达探测信号，所述发射芯片与所述接收芯片之间具有固定频率差，所述带通滤波器用于滤除噪音信号，控制单元用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样并根据采样得到的信号计算流体的流速。

在其中一个实施例中，所述发射芯片与所述接收芯片同源。

在其中一个实施例中，所述发射芯片与所述接收芯片之间的固定频率差为10.7MHz。

在其中一个实施例中，所述带通滤波器用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样，包括：

所述控制单元根据最大需要测量的多普勒频偏设置所述预设采样率；

所述带通滤波器用于按所述预设采样率对雷达探测信号进行采样。

在其中一个实施例中，所述发射芯片发射的雷达探测信号和所述接收芯片接收的信号为毫米波。

在其中一个实施例中，所述带通滤波器的带宽大于或等于最大需要测量的多普勒频偏的两倍。

根据本申请实施例一方面，提供一种雷达流速仪的控制方法，其特征在于，应用于前面实施例所述的一种雷达流速仪，所述方法包括：

将流体的多普勒频偏叠加固定中频；

发射雷达探测信号；

接收流体返回的雷达探测信号；

按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，并根据采样得到的信号计算流体的流速。

在其中一个实施例中，所述根据采样得到的信号计算流体的流速，包括：

根据最大需要测量的多普勒频偏设置所述预设采样率；

按所述预设采样率对雷达探测信号进行采样。

在其中一个实施例中，所述按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，所述带通采样的带宽大于或等于最大需要测量的多普勒频偏的两倍。

根据本申请实施例一方面，提供一种雷达流速仪的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

频率固定模块，用于将流体的多普勒频偏叠加固定中频；

发送模块，用于发射雷达探测信号；

接收模块，用于接收流体返回的雷达探测信号；

采样计算模块，用于按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，并根据采样得到的信号计算流体的流速。

本申请实施例提供的一种雷达流速仪及控制方法、装置的有益效果为：本申请的雷达流速仪包括：发射芯片、接收芯片、带通滤波器和控制单元，所述发射芯片用于发射雷达探测信号，所述接收芯片用于接收流体返回的雷达探测信号，所述发射芯片与所述接收芯片之间具有固定频率差，所述带通滤波器用于滤除噪音信号，控制单元用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样并根据采样得到的信号计算流体的流速。本申请具有更高的发射频率，因此能够产生更大的多普勒频移，使得低流速的测量更为稳定，具有更小的产品尺寸，成本更低，适合批量生产。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为雷达流速仪的原理示意图；

图2为相关技术中24G雷达流速仪的原理示意图；

图3为本申请实施例提供的雷达流速仪的示意图；

图4为本申请实施例提供的雷达流速仪的控制方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的雷达流速仪的控制装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它的实施例相结合。

相关的雷达流速产品的差异在于最小可测量流速。通过多普勒定理可知，水流速度越低，多普勒频移越小，以常见的24G雷达流速仪带入计算，当水流速度为0.1m/s时，多普勒频移fd＝11Hz，中频越低，越难测量，测量的时间越长，而过长的测量时间水流的不稳定性会导致fft频谱的峰值扩散，无法形成稳定的峰值。

并且，传统低频流速测量雷达的产品尺寸大，原因是天线的尺寸大，天线尺寸跟工作频率的波长相关。目前并没有商用的77GHZ频段的雷达流速计方案，主要原因是目前商用的77GHz雷达芯片都是针对车载应用，芯片内部都集成了高通滤波器，一般频率在几十到几百KHz。如果仍然采用传统的低频24G雷达流速方案，输出的中频将会完全被高通滤波器过滤掉而无法输出。非商用的可以覆盖77GHz频段的芯片，一般是化合物工艺，集成度低，没有封装，且成本昂贵，并不适合批量生产。

为了解决上述问题，本申请提出了一种雷达流速仪及控制方法、装置。

图1为雷达流速仪的原理示意图，如图1所示，水流速度的计量方式有很多种，大致可以分为接触式测量和非接触是测量。相比与接触式测量，非接触测量具有安全，快速布置，使用方便的有点，不受水情，含沙量，漂浮物的影响。在非接触测量方式中，雷达流速计是其中重要的一种。雷达测量流速的基本原理是多普勒原理，多普勒频移fd＝2f0*(v/c)*cos(α)，其中f0是雷达发射频率，v是水流速度，c是光速，α是雷达发射方向与水流的夹角。因而只要测量雷达回波信号的与发射信号之间的多普勒频移，就可以通过公式计算出水的流速v＝fd*c/(2f0*cos(α))。

图2为相关技术中24G雷达流速仪的原理示意图，如图2所示，传统的24G雷达流速计的原理如下，发射信号通过发射天线发射的同时，作为接收机的本振信号，接受天线接受的信号与该本振信号混频后，得到的就是多普勒频移中频信号。这种架构为零中频架构，即静止目标的中频输出频率为0。

水流的速度范围是从0m/s到10m/s,不同雷达流速产品的差异就在于最小可测量流速。通过公式一，我们可以知道，水流速度越低，多普勒频移越小，我们以市面上常见的24G雷达流速仪带入计算，当水流速度为0.1m/s时，多普勒频移fd＝11Hz，中频越低，越难测量，测量的时间越长，而过长的测量时间水流的不稳定性会导致fft频谱的峰值扩散，无法形成稳定的峰值。只有把发射频率做高，对于相同的流速，才能获得更小的测量时间，才更容易捕获。

基于上述原理，本申请提出了一种雷达流速仪。图3为本申请实施例提供的雷达流速仪的示意图，如图3所示，本申请提出的一种雷达流速仪包括：发射芯片、接收芯片、带通滤波器和控制单元，所述发射芯片用于发射雷达探测信号，所述接收芯片用于接收流体返回的雷达探测信号，所述发射芯片与所述接收芯片之间具有固定频率差，所述带通滤波器用于滤除噪音信号，控制单元用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样并根据采样得到的信号计算流体的流速。

通过图3可知，所述发射芯片与所述接收芯片同源。所述发射芯片与所述接收芯片之间的固定频率差为10.7MHz。本实施例采用两个毫米波雷达芯片，连个毫米波雷达芯片同源，降低系统的相位噪声。两个毫米波雷达芯片其中一个作为发射芯片，另一个作为接收芯片。发射芯片的发射频率和接收芯片的本振频率有一个固定频率差，这里我们选取fc,这里我们可以选取10.7MHz，这样接收的中频信号将会叠加一个fc的偏移，即IF＝fc+fd，因此中频信号不会被商用毫米波雷达芯片的高通滤波器过滤掉。

在本实施例中，由于中频的中心频率叠加了fc的偏移，如果采用低通采样定理，则ADC的采样率至少要达到2*(fc+fd_max)的量级，因而不利于降低整体方案的成本，且会大大增加后续数字信号处理的数据量。这里本方案采用带通采样定理，根据系统最大需要测量的多普勒频偏fd_max，将采样率设置为2*fd_max即可，这样即降低了对ADC的要求，也降低了对存储以及信号处理单元的处理能力要求。本实施例中的所述带通滤波器的带宽大于或等于最大需要测量的多普勒频偏的两倍。

可选地，中频信号在adc采样之前，为了防止频谱混叠，需要增加带通滤波器，带通滤波器的带宽尽量要覆盖2*fd_max，且充分考虑高低温的余量。滤波器应具备带宽窄，陡降快，带外抑制高等特点，这样可以更有效的滤除我们关注的信号带外的噪声，提高整体信噪比。这里面选取10.7MHz，是因为有较为成熟的商用窄带晶体滤波器，其中心频率10.7MHz,带宽30KHz左右，比较适合水流速的计量。因此，本实施例中的带通滤波器用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样，包括所述控制单元根据最大需要测量的多普勒频偏设置所述预设采样率；所述带通滤波器用于按所述预设采样率对雷达探测信号进行采样。

进一步地，所述发射芯片发射的雷达探测信号和所述接收芯片接收的信号为毫米波。毫米波(millimeter wave)：波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。毫米波雷达具有以下特性：频带极宽，适用于各种宽带信号处理；可以在小的天线孔径下得到窄波束，方向性好，有极高的空间分辨力，跟踪精度较高；有较宽的多普勒宽带，多普勒效应明显，具有良好的多普勒分辨力，测速精度较高。因此本申请实施例采用毫米波雷达能够提高探测的方向性和测量精度。

本申请的雷达流速仪可以应用于多普勒流速仪，多普勒流速仪是应用声学多普勒效应原理制成的测流仪，采用超声换能器，用超声波探测流速。测量点在探头的前方，不破坏流场，具有测量精度高，量程宽；可测弱流也可测强流；分辨率高，响应速度快；可测瞬时流速也可测平均流速；测量线性，流速检定曲线不易变化；无机械转动部件，不存在泥沙堵塞和水草缠绕问题；探头坚固耐用，不易损坏，操作简便等优点。

本申请实施例提供的一种雷达流速仪通过同源双芯片，将多普勒频偏叠加固定中频，避免被目前商用毫米波芯片的高通滤波器过滤，中频信号经过带通滤波器后，利用带通采样，完美恢复水流的多普勒频移，进而实现低成本77GHz雷达流速方案，实现更稳定的低速水流信号测量，具有更高的发射频率，因此能够产生更大的多普勒频移，使得低流速的测量更为稳定，具有更小的产品尺寸，成本更低，适合批量生产。

图4为本申请实施例提供的雷达流速仪的控制方法的流程图，如图4所示，本申请实施例提供的雷达流速仪的控制方法包括：

S401、将流体的多普勒频偏叠加固定中频。

S402、发射雷达探测信号。

S403、接收流体返回的雷达探测信号。

S404、按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，并根据采样得到的信号计算流体的流速。

具体地，所述根据采样得到的信号计算流体的流速，包括：根据最大需要测量的多普勒频偏设置所述预设采样率；按所述预设采样率对雷达探测信号进行采样。

需要说明的是，按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，所述带通采样的带宽大于或等于最大需要测量的多普勒频偏的两倍。

此外，图5为本申请实施例提供的雷达流速仪的控制装置的示意图，如图5所示，本实施例还提供一种雷达流速仪的控制装置，所述装置包括：频率固定模块501，用于将流体的多普勒频偏叠加固定中频，发送模块502，用于发射雷达探测信号，接收模块503，用于接收流体返回的雷达探测信号，采样计算模块504，用于按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，并根据采样得到的信号计算流体的流速。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种雷达流速仪，其特征在于，包括：发射芯片、接收芯片、带通滤波器和控制单元，所述发射芯片用于发射雷达探测信号，所述接收芯片用于接收流体返回的雷达探测信号，所述发射芯片与所述接收芯片之间具有固定频率差，所述带通滤波器用于滤除噪音信号，控制单元用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样并根据采样得到的信号计算流体的流速；所述接收芯片为毫米波雷达芯片；所述流体返回的雷达探测信号以所述固定频率差与所述流体的多普勒频移叠加的方式记录所述流体的多普勒频移，用于避免所述流体的多普勒频移被所述接收芯片中的高通滤波器滤除。

2.根据权利要求1所述的一种雷达流速仪，其特征在于，所述发射芯片与所述接收芯片同源。

3.根据权利要求1所述的一种雷达流速仪，其特征在于，所述发射芯片与所述接收芯片之间的固定频率差为10.7MHz。

4.根据权利要求1所述的一种雷达流速仪，其特征在于，所述带通滤波器用于按预设采样率对雷达探测信号进行采样，包括：

所述控制单元根据最大需要测量的多普勒频偏设置所述预设采样率；

所述带通滤波器用于按所述预设采样率对雷达探测信号进行采样。

5.根据权利要求1所述的一种雷达流速仪，其特征在于，所述发射芯片发射的雷达探测信号和所述接收芯片接收的信号为毫米波。

6.根据权利要求1所述的一种雷达流速仪，其特征在于，所述带通滤波器的带宽大于或等于最大需要测量的多普勒频偏的两倍。

7.一种雷达流速仪的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种雷达流速仪，所述方法包括：

将流体的多普勒频偏叠加固定中频；

发射雷达探测信号；

接收流体返回的雷达探测信号；

按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，并根据采样得到的信号计算流体的流速。

8.根据权利要求7所述的一种雷达流速仪的控制方法，其特征在于，所述根据采样得到的信号计算流体的流速，包括：

根据最大需要测量的多普勒频偏设置所述预设采样率；

按所述预设采样率对雷达探测信号进行采样。

9.根据权利要求7所述的一种雷达流速仪的控制方法，其特征在于，所述按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，所述带通采样的带宽大于或等于最大需要测量的多普勒频偏的两倍。

10.一种雷达流速仪的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

频率固定模块，用于将流体的多普勒频偏叠加固定中频；

发送模块，用于发射雷达探测信号；

接收模块，用于接收流体返回的雷达探测信号；

采样计算模块，用于按预设采样率对雷达探测信号进行带通采样恢复流体的多普勒频偏，并根据采样得到的信号计算流体的流速。