CN115046608A - 基于毫米波雷达的城市水位监测系统以及水位监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请关于一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统以及水位监测方法，涉及液位测量技术领域。该系统包括毫米波雷达和计算机设备，毫米波雷达与计算机设备通信连接。本系统使用稳定性高、测量精度高、抗干扰能力强的毫米波雷达通过发送探测信号并接收反馈信号的方式进行数据收集，并在数据收集之后，通过目标筛选的方式保留与液位对应的静置目标数据，进而确定毫米波雷达到液面之间的距离，同时，计算机设备在获取毫米波雷达测算的液面距离后，可以根据毫米波雷达发送的液面距离，结合积水的排出情况进行积水的预测，进而对于积水深度进行预判。毫米波雷达的精准测量以及计算机设备的整合分析功能相结合，能够高准确率地对城市水位进行监测和预警。

Description

基于毫米波雷达的城市水位监测系统以及水位监测方法

技术领域

本申请涉及液位测量技术领域，特别涉及一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统以及水位监测方法。

背景技术

近年来，由于突发性强降雨或者持续降雨引起的水位上涨导致的安全事故频发，尤其是隧道或者立交桥下等容易积水的地方。针对此情况，需要建立与天气预报协同的水位检测机制，及时对于易积水地区的路面情况进行判断与上报。

相关技术中，当天气预报预告有强降水时，通常通过人工排查下水情况，并对重点区域进行实时监控的方法，尽量避免发生意外。在排查下水情况的过程中，通常使用还有一些人工和传感器结合的法，如通过压力式水位计、超声波水位计等传感器工具进行测量，以确定水位深度。同时，相关技术中还会将传感器与摄像头结合，通过摄像头获取可视化信息，以辅助判断路面积水的水位。

然而，相关技术中，传感器稳定性差，测量精度低，且由于识别功能不足，容易受过往车辆和行人的干扰；应用摄像头的情况下，摄像头造价高，且容易受天气、光线等因素的影响。且现有的方案都只能监测水位的变化，但是无法得到下水的情况并提前预警，仍需人工检测下水是否有堵塞。因此，高准确率地对城市水位进行监测和预警，是当前亟需解决的问题。

发明内容

本申请关于一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统以及水位监测方法，能够提高对于城市水位进行监测和预警的准确率，该技术方案如下：

一方面，提供了一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统，该基于毫米波雷达的城市水位监测系统包括毫米波雷达以及计算机设备，毫米波雷达与计算机设备通信连接；

毫米波雷达，用于在目标时间段内发送至少两个探测信号并接收反馈信号；对探测信号以及反馈信号进行处理，得到至少两个中频信号，中频信号的数量与信号帧的数量对应；对中频信号进行处理，得到静止目标数据以及动态目标数据；将动态目标数据进行剔除，保留静止目标数据；对静止目标数据进行解算，得到距离数据，距离数据指示检测范围内的测量平面到毫米波雷达的高度；将距离数据发送至计算机设备；

计算机设备，用于接收距离数据；基于距离数据判断水位安全情况；响应于距离数据指示当前存在积水，且水位安全情况指示当前水位安全，基于目标时间段内的至少两个信号帧对应的距离数据确定排水数据；基于排水数据以及距离数据对检测范围内的积水情况进行预测，得到预测积水情况。

另一方面，提供了一种基于毫米波雷达的城市水位监测方法，该方法应用于如上所述的基于毫米波雷达的城市水位监测系统内的计算机设备中，该方法包括：

接收距离数据，距离数据指示毫米波雷达与液面之间的距离；

基于距离数据判断水位安全情况；

响应于距离数据指示当前存在积水，且水位安全情况指示当前水位安全，基于目标时间段内的至少两个信号帧对应的距离数据确定排水数据；

基于排水数据以及距离数据对检测范围内的积水情况进行预测，得到预测积水情况。

本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

使用稳定性高、测量精度高、抗干扰能力强的毫米波雷达通过发送探测信号并接收反馈信号的方式进行数据收集，并在数据收集之后，通过目标筛选的方式保留与液位对应的静置目标数据，进而确定毫米波雷达到液面之间的距离，同时，计算机设备在获取毫米波雷达测算的液面距离后，可以根据毫米波雷达发送的液面距离，结合积水的排出情况进行积水的预测，进而对于积水深度进行预判。毫米波雷达的精准测量以及计算机设备的整合分析功能相结合，能够高准确率地对城市水位进行监测和预警。

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示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统的系统结构框图。

图2示出了本申请一个示例性实施例提供的一种毫米波雷达与路面的相对位置示意图。

图3示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的城市水位检测方法的流程示意图。

图4示出了本申请一个示例性实施例提供的另一种基于毫米波雷达的城市水位检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

毫米波雷达，是工作在毫米波波段探测的雷达。通常毫米波是指30～300GHz频域(波长为1～10mm)的。毫米波的波长介于微波和厘米波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点。同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。本申请即提出一种毫米波雷达在液位测量以及城市规划领域的应用。

图1示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统的系统结构框图，请参考图1，该系统包括毫米波雷达110和计算机设备120，毫米波雷达110和计算机设备120通信连接。

在实际应用场景中，毫米波雷达可以安装于路灯的照片灯上，或，毫米波雷达可以安装于桥洞的顶部，且与地面位置相对。在确定安装位置后，毫米波雷达将会在路面无积水的情况下发送探测信号并接收反馈信号，以进行自身校准，确定在无积水情况下，自身与路面的实际距离。在一个示例中，毫米波雷达与路面之间的距离间隔为5米。请参考图2，在一个示例中，毫米波雷达210安装在路灯220上，且毫米波雷达210的检测范围为在其正下方的一段路面230。

计算机设备为具有数据接收、存储以及处理功能的设备。在本申请实施例中，计算机设备与毫米波雷达通信连接。计算机设备在接收到毫米波雷达发送的距离数据后，可以结合路面的积水情况进行后续数据处理，通过计算机的数据处理，可以对于路面的积水情况进行预测，以判断是否需要进行发出对应的警示信息。可选地，对应一段路面，设置有多个毫米波雷达，计算机设备定时接收多个毫米波雷达发送的信息，并进行汇总处理后，得到与该路段对应的积水情况信息。

因此，在本申请实施例中，毫米波雷达，用于在目标时间段内发送至少两个探测信号并接收对应的反馈信号；对探测信号以及反馈信号进行处理，得到至少两个中频信号，中频信号的数量与信号帧的数量对应；对中频信号进行处理，得到静止目标数据以及动态目标数据；将动态目标数据进行剔除，保留静止目标数据；对静止目标数据进行解算，得到距离数据，距离数据指示检测范围内的测量平面到毫米波雷达的高度；将距离数据发送至计算机设备；计算机设备，用于接收距离数据；基于距离数据判断水位安全情况；响应于距离数据指示当前存在积水，且水位安全情况指示当前水位安全，基于目标时间段内的至少两个信号帧对应的距离数据确定排水数据；基于排水数据以及距离数据对检测范围内的积水情况进行预测，得到预测积水情况。

综上所述，本申请实施例提供的系统，使用稳定性高、测量精度高、抗干扰能力强的毫米波雷达通过发送探测信号并接收反馈信号的方式进行数据收集，并在数据收集之后，通过目标筛选的方式保留与液位对应的静置目标数据，进而确定毫米波雷达到液面之间的距离，同时，计算机设备在获取毫米波雷达测算的液面距离后，可以根据毫米波雷达发送的液面距离，结合积水的排出情况进行积水的预测，进而对于积水深度进行预判。毫米波雷达的精准测量以及计算机设备的整合分析功能相结合，能够高准确率地对城市水位进行监测和预警。

图3示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的城市水位检测方法的流程示意图，以该方法应用于计算机设备中为例进行说明，该方法包括：

步骤301，接收距离数据。

在本申请实施例中，水位安全情况与距离数据由毫米波雷达基于探测信号以及反馈信号进行解算，在解算之后，毫米波雷达即可确定自身与液面之间的距离。毫米波雷达会将该数据发送至计算机设备当中。

步骤302，基于距离数据判断水位安全情况。

在本申请实施例中，在接收到距离数据后，计算机设备将会根据预存的毫米波雷达与地面之间的距离，确定液面离地面的高度，并进而确定水位是否安全。在一个示例中，当水深超过1.2m时，将会对车辆的移动产生影响，则当计算机设备确定液面离地面的高度达到1.2m时，确定水位安全情况为不安全。

步骤303，响应于距离数据指示当前存在积水，且水位安全情况指示当前水位安全，基于目标时间段内的至少两个信号帧对应的距离数据确定排水数据。

在本申请实施例中，当水位安全情况指示当前水位不安全时，计算机设备即会启动相应的控制流程，以提示当前水位不安全，而当当前水位安全时，计算机设备将会基于排水情况，对于水位是否会出现异常进行预测。

可选地，计算机设备与检测范围内的，下水道中的流量传感器通信连接，通过获取流量传感器的流量数据，计算机设备即可确定与毫米波雷达对应的检测范围内的路面的排水情况。可选地，排水情况以排水数据的形式表征，排水数据即直接对应了下水道中的排水流量。

步骤304，基于排水数据以及距离数据对检测范围内的积水情况进行预测，得到预测积水情况。

在本申请实施例中，计算机设备将会持续接收毫米波雷达发送的距离数据，以判断液位是否上涨。在此情况下，通过液位的变化情况、排水的流量变化以及排水的速度，即可确定在未来的某一时间段内，可能会存在的积水情况。

可选地，在得到预测积水情况后，计算机设备可以将预测积水情况处理为可视化信息，在于计算机设备相连接的显示屏上进行显示。在此情况下，若积水存在隐患，则计算机设备可以及时对于隐患进行提示。

综上所述，本申请实施例提供的方法，在获取毫米波雷达测算的液面距离后，可以根据毫米波雷达发送的液面距离，结合积水的排出情况进行积水的预测，进而对于积水深度进行预判。毫米波雷达的精准测量以及计算机设备的整合分析功能相结合，能够高准确率地对城市水位进行监测和预警。

图4示出了本申请一个示例性实施例提供的另一种基于毫米波雷达的城市水位检测方法的流程示意图，以该方法应用于基于毫米波雷达的城市水位监测系统中为例进行说明，该方法包括：

步骤401，毫米波雷达在目标时间段内发送至少两个探测信号并接收对应的反馈信号。

在本申请实施例中，探测范围内的物体可以是液面，也可以是地面，还可以是探测范围内的车辆和行人。本申请实施例对于毫米波雷达的可探测到的物体不作限定。在本申请实施例中，探测信号实现为连续调频的锯齿波。

步骤402，毫米波雷达对探测信号以及反馈信号进行处理，得到至少两个中频信号。

需要说明的是，在本申请实施例中，毫米波雷达发送探测信号、接收对应的反馈信号，并基于发射信号以及反射信号进行处理，得到中频信号的过程可被视为一个完整的工作周期。在目标时间段内，毫米波雷达发送至少两个探测信号，也即执行了至少两个该工作周期，对应接收到了至少两个反馈信号，以及生成了数量一致的中频信号。在毫米波雷达启动后，该工作过程即不断重复。在一个示例中，毫米波雷达每0.5s发送一个探测信号，并执行对应上述工作周期内的处理过程。

在本申请实施例中，中频信号的数量与信号帧的数量相对应。

步骤403，毫米波雷达对中频信号进行快速傅里叶变换和/或恒虚警检测处理，确定检测范围内的至少两个目标，以及与目标对应的运动数据。

在本申请实施例中，对于中频信号进行的处理为快速傅里叶变换处理和/或恒虚警检测处理。通过快速傅里叶变换处理和/或恒虚警检测处理，可以在中频信号中进行特征提取，得到与中频信号对应的目标的速度，以及目标与毫米波雷达之间的距离。在本申请的其他实施例中，处理方法还包括其他算法。可选地，在本申请实施例中，运动数据指示目标在检测平面上的运动状态，也即，运动数据仅考虑目标与毫米波雷达在水平方向上的相对位置关系变化，而不考虑目标与毫米波雷达在竖直方向上的相对位置关系变化。

需要说明的是，步骤403所述的过程是针对检测范围内存在包括路面以及运动物体时的特殊情况。在本申请的其他实施例中，当路面上不存在其他运动物体时，毫米波雷达即可直接确定范围内存在的路标为目标，并对于自身与路面之间的距离进行直接解算。

步骤404，响应于运动数据指示目标在平面上进行运动，确定与目标对应的数据为运动目标数据。

步骤405，响应于运动数据指示目标在平面上未进行运动，确定与目标对应的数据为静止目标数据。

步骤404与步骤405即指示了对于运动数据的区分标准。考虑到对于液面的测量，毫米波雷达需要过滤的数据为与车辆、行人等经过路面的目标的数据，故在定义过程中，将在平面上运动的目标作为运动目标，将在平面上不运动的目标作为静态目标。可选地，通过点云聚类的方式，可以对于中频信号进行进一步处理，以将目标进行拟合，确定目标的实际类型。

步骤406，将动态目标数据进行剔除，保留静止目标数据。

该过程即为对于动态目标的剔除过程，在剔除过后，毫米波雷达即可仅对于液面有关的数据进行处理。

步骤407，毫米波雷达对静止目标数据进行解算，得到距离数据。

在本申请实施例中，由于毫米波雷达一般安装在路灯上，故毫米波雷达到达地面的数据一般在4-6米左右，液面数据同样在该范围内。

可选地，毫米波雷达中预存有校验数据。该校验数据为毫米波雷达到路面的基准距离。若距离数据大于该基准距离，则说明路面出现问题，或毫米波雷达的数据检测错误，此时，毫米波雷达即向计算机设备发送信息，以提示该错误情况的发生，并提示用户即时对于毫米波雷达进行错误校正，或对路面进行修补。

步骤408，毫米波雷达将距离数据发送至计算机设备。

步骤409，计算机设备接收距离数据。

步骤408至步骤409所示的过程即为计算机设备对于毫米波雷达发送的数据的接收过程。

步骤410，计算机设备获取地面基准高度。

该过程即为计算机设备获取地面基准高度的过程。在一个示例中，计算机设备首先会接收雷达传输的离地高度，并通过发射的网口信息定位位置，将数据记录到对应监测位置的区域。之后，判断该检测位置内的数据是否有基准离地高度。如果不存在基准离地高度，则说明该雷达还未经过基准初始化，则对记录的数据进行累积，由于测量肯定是有一定误差的，所以设定地面阈值并认为在阈值范围内波动的数据皆为离地高度数据，持续累积地面阈值内离地高度数据，阈值范围一般设定为±0.5米。

步骤411，计算机设备基于地面基准高度以及距离数据确定积水高度。

可选地，将地面基准高度减去距离数据指示的高度，即可确定积水高度。

步骤412，计算机设备响应于积水高度未达到第一阈值，确定水位安全情况指示当前水位安全。

当积水高度未达到第一阈值时，即可判断当前的积水状态还未对路面交通造成影响，因此，水位安全情况指示当前水位安全，可选地，第一阈值为40cm。

当水位安全时，即进行对于未来一时间段内的水位预测。在本申请实施例中，设置未来时间段为未来30分钟。在一个示例中，可以在计算机设备内对应建立下水检测矩阵，以执行对应的水位预测过程。

步骤413，计算机设备确定目标时间段内的首个中频信号对应的第一距离数据，以及目标时间段内末个中频信号对应的第二距离数据。

步骤414，计算机设备确定第二距离数据以及第一距离数据的差值。

步骤413和步骤414所述的过程即为确定目标时间段内的首时刻和末时刻的水位变化的过程。

步骤415，计算机设备基于第二距离数据的差值以及第一距离数据的差值，以及第二距离数据对应的信号帧和第一距离数据之间的信号帧所指示的时间间隔，确定水位变化速度。

步骤416，计算机设备将水位变化速度作为水位变化数据。

在本申请实施例中，通过水位的变化速度与水位的变化时间的相除，即可水位变化的速率。当水位上升时，该速率即指示水位上升的速率，当水位下降时，该速率即指示水位下降的速率。

步骤417，计算机设备基于水位变化数据确定排水数据。

在本申请实施例中，排水数据用于指示测量范围内的排水管状态。可选地计算机设备中预存有设定值，该设定值为排水管的额定排水数据。

可选地，在一些情况中，在积水的同时，毫米波雷达的检测范围内还存在降雨，则此时，需要对应获取降水数据，并进行排水数据的确定。

步骤418，计算机设备响应于排水数据指示排水管状态异常，生成排水堵塞预警数据。

可选地，当排水管存在异常时，即指示排水管状态与计算机设备中存储的额定排水数据不一致，此时，排水管可能存在堵塞等问题，则计算机设备生成排水堵塞预警数据，并以可视化形式进行该警示数据的显示和预报，以通知工作人员进行排查。

步骤419，计算机设备响应于距离数据指示当前不存在积水，停止确定排水数据的过程。

可选地，当计算机设备确定积水消除后，即可停止对于排水数据的计算，也即，关闭下水检测矩阵。

步骤420，计算机设备响应于积水高度达到第一阈值，且未达到第二深度阈值，确定水位安全情况为一级预警情况。

步骤421，计算机设备响应于积水高度达到第二阈值，确定水位安全情况为二级预警情况。

在一个示例中，第一阈值为第二阈值的二分之一，也即指示一级预警情况为轻度危险对应的预警情况，二级预警情况为重度危险对应的预警情况。则此时，响应于水位安全情况为一级预警情况，进行第一水位预警提示；响应于水位安全情况为二级预警情况，进行第二水位预警提示。其中，第一水位预警提示指示在可视化界面的地图上高亮显示检测范围；第二水位预警提示指示在地图上高亮显示检测范围，并通过与计算机设备连接的发声设备发送警报。在一个示例中，第一阈值为45cm，第二阈值为90cm。

综上所述，本申请实施例提供的方法，使用稳定性高、测量精度高、抗干扰能力强的毫米波雷达通过发送探测信号并接收反馈信号的方式进行数据收集，并在数据收集之后，通过目标筛选的方式保留与液位对应的静置目标数据，进而确定毫米波雷达到液面之间的距离，同时，计算机设备在获取毫米波雷达测算的液面距离后，可以根据毫米波雷达发送的液面距离，结合积水的排出情况进行积水的预测，进而对于积水深度进行预判。毫米波雷达的精准测量以及计算机设备的整合分析功能相结合，能够高准确率地对城市水位进行监测和预警。

上述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于毫米波雷达的城市水位监测系统，其特征在于，所述基于毫米波雷达的城市水位监测系统包括毫米波雷达以及计算机设备，所述毫米波雷达与所述计算机设备通信连接；

所述毫米波雷达，用于在目标时间段内发送至少两个探测信号并接收对应的反馈信号；对所述探测信号以及所述反馈信号进行处理，得到至少两个中频信号，所述中频信号的数量与所述信号帧的数量对应；对所述中频信号进行处理，得到静止目标数据以及动态目标数据；将所述动态目标数据进行剔除，保留所述静止目标数据；对所述静止目标数据进行解算，得到距离数据，所述距离数据指示检测范围内的测量平面到所述毫米波雷达的高度；将所述距离数据发送至所述计算机设备；

所述计算机设备，用于接收所述距离数据；基于所述距离数据判断水位安全情况；响应于所述距离数据指示当前存在积水，且所述水位安全情况指示当前水位安全，基于所述目标时间段内的至少两个信号帧对应的所述距离数据确定所述排水数据；基于所述排水数据以及所述距离数据对所述检测范围内的积水情况进行预测，得到预测积水情况。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的城市水位监测系统，其特征在于，

所述毫米波雷达，还用于对所述中频信号进行快速傅里叶变换和/或恒虚警检测处理，确定所述检测范围内的至少两个目标，以及与所述目标对应的运动数据，所述运动数据用于指示所述目标在平面上的运动状态；响应于所述运动数据指示所述目标在平面上进行运动，确定与所述目标对应的数据为运动目标数据；响应于所述运动数据指示所述目标在平面上未进行运动，确定与所述目标对应的数据为静止目标数据。

3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的城市水位监测系统，其特征在于，

所述计算机设备，还用于获取地面基准高度；基于所述地面基准高度以及所述距离数据确定积水高度；响应于所述积水高度未达到第一阈值，确定所述水位安全情况指示当前水位安全；响应于所述积水高度达到所述第一阈值，且未达到第二深度阈值，确定所述水位安全情况为一级预警情况；响应于所述积水高度达到所述第二阈值，确定所述水位安全情况为二级预警情况。

4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达的城市水位监测系统，其特征在于，

所述计算机设备，还用于响应于所述水位安全情况为一级预警情况，进行第一水位预警提示；响应于所述水位安全情况为二级预警情况，进行第二水位预警提示。

5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达的水位监测系统，其特征在于，所述第一水位预警提示指示在可视化界面的地图上高亮显示所述检测范围；

所述第二水位预警提示指示在所述地图上高亮显示所述检测范围，并通过与所述计算机设备连接的发声设备发送警报。

6.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位监测系统，其特征在于，

所述计算机设备，还用于确定所述目标时间段内的首个中频信号所对应的所述第一距离数据，以及所述目标时间段内的末个中频信号所对应的第二距离数据；基于所述第一距离数据以及所述第二距离数据确定水位变化数据；基于所述水位变化数据确定所述排水数据，所述排水数据用于指示所述测量范围内的排水管状态。

7.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的水位监测系统，其特征在于，

所述计算机设备，还用于确定所述第二距离数据以及所述第一距离数据的差值；

基于所述第二距离数据的差值以及所述第一距离数据的差值，以及第二距离数据对应的信号帧和第一距离数据之间的信号帧所指示的时间间隔，确定水位变化速度；将所述水位变化速度作为所述水位变化数据。

8.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的水位监测系统，其特征在于，

所述计算机设备，还用于响应于所述排水数据指示所述排水管状态异常，生成排水堵塞预警数据。

9.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的城市水位监测系统，其特征在于，

所述计算机设备，还用于响应于所述距离数据指示当前不存在积水，停止确定所述排水数据的过程。

10.一种基于毫米波雷达的城市水位监测方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至9任一所述的基于毫米波雷达的城市水位监测系统内的计算机设备中，所述方法包括：

接收距离数据，所述距离数据指示毫米波雷达与液面之间的距离；

基于所述距离数据判断水位安全情况；

响应于所述距离数据指示当前存在积水，且所述水位安全情况指示当前水位安全，基于所述目标时间段内的至少两个信号帧对应的所述距离数据确定所述排水数据；

基于所述排水数据以及所述距离数据对所述检测范围内的积水情况进行预测，得到预测积水情况。

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