CN115165028A - 基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计及方法 - Google Patents

基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计及方法 Download PDF

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CN115165028A CN202210622879.8A CN202210622879A CN115165028A CN 115165028 A CN115165028 A CN 115165028A CN 202210622879 A CN202210622879 A CN 202210622879A CN 115165028 A CN115165028 A CN 115165028A
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陈志峰
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苗宝文
张瑞
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Abstract

本发明公开了一种基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计及控制方法。本发明使用阵列数为1x1的收发平面微带天线加上雷达透镜组成调频连续波雷达测距系统，将雷达波能量聚集，减小雷达波束角。水位计集成数据采集模块、NB‑IoT、蓝牙模块、角度测量模块、锂电池、充电控制模块和太阳能电池板，所有部件安装在100x100x60mm的外壳中，通过一体化结构实现水位采集、存储、发送等功能；通过双时钟系统周期性唤醒微控制器可以使微控制器大部分时间下处于休眠模式，其他模块处于断电状态，大大降低功耗；数字信号处理器内置高精度测距算法和排除干扰物算法，测量准确度高，并能够降低固体漂浮物等异常情况对水位准确性的影响。

Description

基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计及方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计及控制方法。
背景技术
雷达水位计是一种采用雷达技术实现水位测量的水文仪器，测量时不受温度梯度、水流流速的影响，具有完全非接触的特点。同时，雷达水位计在精度上高于机械式或压力式水位计，在不方便建水位井及需要高精度数据时有着很强的应用需求。
随着毫米波雷达技术的不断进步，毫米波雷达在水位测量方面应用越来越广泛，目前毫米波使用的雷达天线主要是平面微带天线，此种天线能够实现较小的雷达波束角以及高增益，但需要较大的平面尺寸并且存在工作带宽较窄、馈电网络设计复杂等问题；相参脉冲雷达水位计通过在天线前端加载平行平行金属透镜结构使得增益提高，这种透镜天线采用喇叭结构作为馈源，存在尺寸偏大、加工成本高、难以集成设计等问题。
此外，目前监测水位的水位站需要雷达水位计、数据采集终端、数据发送终端，蓄电池、太阳能充电控制模块、太阳能电池板以及机箱等多种设备，安装调试维护难度大。
发明内容
针对目前现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计及控制方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，包括：水位计电源系统、调频连续波雷达测距系统、数据采集模块、角度测量模块、NB_IoT模块、蓝牙模块、USB接口、RS485接口；所述调频连续波雷达测距系统包括数字信号处理芯片、雷达片上系统芯片和透镜，雷达片上系统芯片上具有微带阵列天线，雷达透镜加装在雷达片上系统芯片前，微带阵列天线置于雷达透镜的实际聚焦位置；所述数据采集模块包括微控制器、时钟芯片、存储芯片、电源信息采集电路以及若干MOS管，时钟芯片结合微控制器内部的RTC组成双时钟系统，电源信息采集电路用于采集电源信息并发送至微控制器，微控制器、时钟芯片以及蓝牙模块直接由水位计电源系统供电，其余的模块通过MOS管控制电源通断，调频连续波雷达测距系统与微控制器相连接，使用调频连续波测距技术计算水面到水位计之间的空高距离；NB-IoT模块与微控制器相连接，用于将微控制器打包好的数据发送指定的IP地址；USB接口与微控制器相连接，用于配置水位计参数；RS485接口与微控制器相连接，用于其它工业设备读取水位计数据；蓝牙模块和角度测量模块与控微制器相连接，用于在水位计安装过程中配置水位计参数。
进一步的，所述水位计电源系统包括锂电池、充电控制模块、太阳能电池板，太阳能电池板通过充电控制模块为锂电池充电；电源信息采集电路与水位计电源系统中的锂电池、充电控制模块相连接，微控制器通过电源信息采集电路读取充电电压、充电电流以及电池电压信息。
进一步的，数字信号处理器内置高精度测距算法和排除干扰物算法；排除干扰物算法通过雷达波对不同材料反射率的差异、水面的波动、以及波动的周期性判断被测目标是否是水面，高精度测距算法使用zoom-FFT，首先获取ADC采集雷达天线输出累积的N个信号，将大小为N的一维FFT重新表示为N1个大小为N2的一维FFT，然后乘上旋转因子进行转置得到N2个大小为N1的一维FFT，将索引k和n重写为：
k＝N2k1+k2
n＝N1n2+n1
式中索引ka和na取值范围为[0...Na-1]，(a为N1或N2数组的序号)，可以理解为将输入(n)和输出(k)重新索引为N1*N2二维数组，将这个新索引代入nk的FFT公式，N1n2N2k1交叉项消失，其余项为：
Figure BDA0003677543150000021
根据索引找到精细旋转因子数组和粗略旋转因子数组中相对应的旋转因子，通过与运算和移位运算，将输入信号和旋转因子相乘得到新的峰值区域的FFT，在这组FFT中找到峰值对应的索引值反推频率，根据下面公式计算距离：
Figure BDA0003677543150000022
进一步的，对测量距离进行校正：
y＝kx+c
式中y为校正后的距离值，x为校正前的距离值，k校正系数，c为常数，将线性关系式置入水位计。
进一步的，雷达片上系统芯片集成三个1x1的发送平面微带阵列天线，以及四个1x1的接收平面微带阵列天线。
进一步的，水位计电池插座和电源模块中间的焊盘上焊接有水银开关接插件，水位计在存放时使水位计有雷达透镜的一面方向朝上，此时水银开关处于断路状态，相当于关闭电源；现场安装使用时，水位计有雷达透镜的一面方向朝下，水银开关处于短路状态，相当于开启电源。
基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计的控制方法，包括如下步骤：
微控制器实时读取RTC时钟时间当作系统时间；
微控制器根据配置参数的采集间隔、发送间隔和存储间隔对闹钟进行设置：
间隔时间是以分钟为单位，对内部RTC和外部RTC进行闹钟设置，闹钟每次响应后根据间隔时间设置下次闹钟的时间，分为两种情况：
1)间隔时间小于60分钟时，设下次闹钟时间的分钟数Tm为：
Tm＝((Tc+Ti)－(Tc+Ti)％Ti)％60
式中Tc为当前时间的分钟数，Ti为配置的时间间隔分钟；
2)间隔时间大于60分钟时，设下次闹钟时间的小时为Tn，则：
Tn＝((Ti÷60)-((Tc+(Ti÷60))+24-Ts)％(Ti÷60))％24
式中Tc为当前时间的分钟数，Ti为配置的时间间隔分钟，Ts为系统运行起始时间的小时数；
闹钟根据间隔时间周期性对微控制器发出唤醒电平信号，微控制器唤醒后首先对双时钟时间进行比对，若两个时钟时间相差不超过一秒，则打开调频连续波雷达测距系统电源，发送测量指令，测量完成后读取测量数据，关闭调频连续波雷达测距系统电源；
微控制器对数据进一步计算后根据传输规约对数据打包，打开NB_IoT模块电源，初始化NB_IoT模块，发送打包完成的数据到指定的IP地址，等待回执，收到回执后关闭NB_IoT模块电源，整个系统进入休眠模式；休眠模式下除微控制器、时钟芯片以及蓝牙模块以外的模块都是断电状态；
两个时钟时间相差超过一秒，则会向中心站服务器发送校时指令，对两个时钟校时。
进一步的，调频连续波雷达测距系统测距过程包括如下步骤：
通过高程引测测得水位计的安装高程，将高程转换成水位基值置入水位计；
使用调频连续波雷达测距算法测量出水面到水位计的空高，并将空高信息传送给微控制器；
微控制器将空高数值通过预先设置的水位基值计算成水位值。
进一步的，微控制器在一段时间内进行多次测量，将测得的数据进行从小到大排列，去掉前三分之一较小值以及后三分之一的较大值，剩下的数值取平均值。
进一步的，蓝牙模块正常情况下处于休眠模式，当被其他蓝牙设备连接上时进入工作模式，进入工作模式后对微控制器发送唤醒电平信号，唤醒微控制器。
本发明的有益效果为：
1.使用60GHz调频连续波雷达技术以及雷达片上系统，使用阵列数为1x1的收发平面微带天线加上雷达透镜组成调频连续波雷达测距系统，将雷达波能量聚集，减小雷达波束角。
2.集成数据采集模块、NB-IoT、蓝牙模块、角度测量模块、锂电池、充电控制模块和太阳能电池板，所有部件安装在100x100x60mm的外壳中，通过一体化结构实现水位采集、存储、发送等功能。
3.通过双时钟系统周期性唤醒微控制器可以使微控制器大部分时间下处于休眠模式，其他模块处于断电状态，大大降低功耗。
4.数字信号处理器内置高精度测距算法和排除干扰物算法，测量准确度高，并能够降低固体漂浮物等异常情况对水位准确性的影响，经过第三方检测机构检测，测量精度优于±1.7mm。
5.水位计电源上应用水银开关，能够进一步降低功耗并增加电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计整体结构框图。
图2为雷达片上系统芯片中微带阵列天线。
图3为雷达透镜结构图，其中(a)、(b)为主视图和左视图，(c)为俯视图。
图4为数据采集模块结构框图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其结构如图1所示，包括：水位计电源系统、调频连续波雷达测距系统、数据采集模块、角度测量模块、NB_IoT模块、蓝牙模块、USB接口、RS485接口。水位计电源系统包括：锂电池、充电控制模块、太阳能电池板。
其中，调频连续波雷达测距系统由数字信号处理芯片、雷达片上系统芯片和透镜天线组成。数字信号处理芯片快速实现对信号的采集、变换、滤波、估值、识别等处理，对雷达输出的模拟量信号转换成数字信号，进行傅里叶变换、距离算法。
具体地说，雷达片上系统芯片设计集成三个1x1的发送平面微带阵列天线，四个1x1的接收平面微带阵列天线，分别使用发送天线TX1和接收天线RX3，微带阵列天线位置如图2所示。雷达透镜加装在雷达片上系统芯片前面，雷达透镜使用聚四氟乙烯材质，是一种高分子聚合物，具有抗酸抗碱、耐高温等特点，非常适合在野外条件恶劣情况下使用，雷达透镜的三视图如图3所示，其一面为曲面，另一面为平面，雷达透镜的焦点与馈源位置一致，半球形透镜连接正方形固定板。平面微带阵列天线在水平与俯仰方向覆盖±30°的范围内，各波束的辐射特性基本相同，天线的最高增益为5dBi。将微带天线置于雷达透镜的实际聚焦位置，构成透镜天线，将微带天线辐射的向外发散波聚集成近似平行波，使得微带天线辐射的能量波集中在主射方向；当馈源距离透镜表面12.5mm(由于半球形透镜连接正方形固定板，导致焦点距离产生一点偏移，该距离为矫正后的距离)，透镜天线在全频段内增益达到最大，3dB波束宽度为6°。
调频连续波雷达测距系统与微控制器相连接，用于计算水面到水位计之间的空高距离；水位计内置高精度测距算法和排除干扰物算法，排除干扰物算法通过雷达波对不同材料反射率的差异、水面的波动、以及波动的周期性来判断被测目标是否是水面，降低固体漂浮物等异常情况对水位准确性的影响；高精度测距算法使用zoom-FFT，首先获取ADC采集雷达天线输出累积的N个信号，将大小为N的一维FFT重新表示为N1个大小为N2的一维FFT(这里定义N＝N1*N2，且N1＝N2)，然后乘上旋转因子进行转置得到N2个大小为N1的一维FFT，将索引k和n重写为：
k＝N2k1+k2
n＝N1n2+n1
式中索引ka和na取值范围为[0...Na-1]，(a为N1或N2数组的序号)，可以理解为将输入(n)和输出(k)重新索引为N1*N2二维数组，将这个新索引代入nk的FFT公式，N1n2N2k1交叉项消失，其余项为：
Figure BDA0003677543150000051
本设计则根据水位测量的功能和本雷达系统的特点简化zoom-FFT，不需要生成完整的N＝N1*N2旋转因子的数量，只需要大小为N的zoom-FFT中峰值区域内的部分，既生成2组旋转因子，即精细旋转因子
Figure BDA0003677543150000052
和粗略旋转因子
Figure BDA0003677543150000053
大大减小了运算所用的时间，根据索引找到精细旋转因子数组和粗略旋转因子数组中相对应的旋转因子，通过与运算和移位运算，将输入信号和旋转因子相乘得到新的峰值区域的FFT，在这组FFT中找到峰值对应的索引值反推频率，根据下面公式计算距离：
Figure BDA0003677543150000054
式中d是与被检测物体的距离，c是光速，fd是IF信号的频率，Tc是调频连续波发送间隔时间，B是带宽。
同时对计算出的距离进行修正，雷达波发射后穿过透镜，反射后再次穿过透镜，会导致速度和传播路径发生微弱变化，从而使计算的距离于真实距离产生偏差，为此使用精度为0.1mm的机械装置对其进行校正，经过多次测量得出两者测量的距离呈线性关系：
y＝kx+c
式中y为校正后的距离值，x为校正前的距离值，k校正系数，c为常数，将线性关系式置入水位计，提高距离测量的准确度。
目前存在的雷达水位测量设备中精度高的一般在±3mm，而本水位计测距准确度经过第三方检测机构检测，测量精度优于±1.7mm。请参见以下附表1数据：
Figure BDA0003677543150000061
Figure BDA0003677543150000071
表1
如图4所示，数据采集模块包括微控制器、时钟芯片、存储芯片、电源信息采集电路以及MOS管。微控制器通过MOS晶体管控制数据采集模块内各功能电路的电源以及向雷达片上系统、NB_IoT模块、角度测量模块、RS485接口等供电，微控制器分别与NB-IoT模块、蓝牙模块、角度测量模块、锂电池、充电控制模块相连接。
时钟芯片结合微控制器内部的RTC组成双时钟系统，通过设定的时间将微控制器唤醒，唤醒后读取两个时钟的时间，如果时间相差超过一秒，则会向服务器读取时间进行校时；双时钟系统优点在于可以预防单个时钟时间出现误差或者时钟死机的状况，导致不能按时发送数据。双时钟系统用于计时以及闹钟。
电源信息采集电路与水位计电源系统中的锂电池、充电控制模块相连接，微控制器通过电源信息采集电路读取充电电压、充电电流以及电池电压信息，当电池电压小于预先设置的阈值时，微控制器不再开启调频连续波雷达测距系统，并且上报报警信息。
NB-IoT模块与微控制器相连接，用于将微控制器打包好的数据发送指定的IP地址。微控制器每次被时钟系统唤醒开始工作后，先进行数据采集，采集打包完成后，微控制器打开NB-IoT模块电源，根据预先配置好的IP地址、传输层协议、网络端口对其进行初始化，之后发送数据到中心站服务器，等待服务器回执，微控制器收到回执后关闭NB-IoT模块电源。
USB接口与微控制器相连接，用于配置水位计参数，包括：测站编号、传输规约、水位上下限报警阈值、水位基值、采集间隔、存储间隔、发送间隔、传输层协议、IP地址或域名以及网络端口；同时USB在PC终端显示为一个U盘，可以查看读取存储的数据。
RS485接口与微控制器相连接，用于其它工业设备读取水位计数据，通过接口水位计能够用作MODBUS从设备。
水位计电源系统由锂电池、充电控制模块和太阳能电池板组成，太阳能电池板贴装在水位计外壳背面，安装时，将贴有太阳能电池板的一面面向正上方，太阳能电池板引线通过外壳预留的孔位接在充电控制模块上，为内部的锂电池充电，无需外置太阳能电池板以及固定支架，进一步减少安装步骤。
水位计外壳侧面安装有一个七芯防水插头，用于将水位计的RS接口、USB接口、充电接口引出。
蓝牙模块和角度测量模块与控微制器相连接，用于在水位计安装过程中配置水位计参数，读取水位、电压等数据以及水平偏差角度，无需通过有线连接，不需要电脑操作。在实际安装时，打开手机小程序，连接设备，实时读取当前水位计与水平偏差的角度，代替气泡水平仪的功能；通过蓝牙读取网络信号强度以及雷达波信号强度，可以用于水位计出厂时产品自检以及安装站点的选择；配置水位计参数包括测站编号、传输规约、水位上下限报警阈值、水位基值、采集间隔、存储间隔、发送间隔、传输层协议、IP地址或域名以及网络端口，其中传输规约包括水文监测数据通讯规约ASCII、水文监测数据通讯规约HEX、水资源传输规约等；向水位计发送重启、重置参数、清除存储、设置时间、立即采集一次和采集并发送指令。
程序升级包括蓝牙升级，485升级以及USB升级。
485升级程序，使用的是Ymodem协议，分包进行传输，每包数据包括1字节开始信号、1字节发送序号、1字节发送序号反码、1024字节数据和2字节CRC校验码。将水位计的485通过usb接到电脑，使用软件进行程序升级。
蓝牙升级程序，使用的是Ymodem协议，Ymodem协议每包数据为1029字节，手机低功耗蓝牙传输协议一包数据最大长度为20字节，因此在Ymodem协议的基础上优化和改进，将Ymodem一包数据分成64包蓝牙数据加上首末包数据，每包蓝牙数据包括1字节包数索引、16字节数据和2字节CRC16校验数据，收到每包蓝牙数据会进行一次解包，主要是进行CRC校验和判断是否是首末包数据，首包数据包括蓝牙包数索引，Ymodem数据包的开始信号、发送序号、发送序号反码和两字节CRC16校验数据，末包数据包括蓝牙包数索引，YmodemCRC16高低字节和两字节CRC16校验数据，当收到末包蓝牙数据时，将所有蓝牙数据解成一包Ymodem数据，继续进行Ymodem协议解包。
USB升级升序，使用的是DFU，将水位计通过USB线连接到电脑，打开升级软件，首先会发送指令使水位计重启并进入DFU模式，直接对代码区程序进行直接擦写。
基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计的工作原理如下：
微控制器实时读取内部RTC时钟时间当作系统时间，可以使用手机或者PC对其设置当前时间；微控制器会根据配置参数的采集间隔、发送间隔和存储间隔对闹钟进行设置，间隔时间是以分钟为单位，对内部RTC和外部RTC进行闹钟设置，一般RTC的闹钟是对年月日时分秒进行设置，而水文行业上应用的时间间隔不会超过一天，所以只需要对小时和分钟进行设置，闹钟每次响应后根据间隔时间设置下次闹钟的时间，分为两种情况：
1)间隔时间小于60分钟时，设下次闹钟时间的分钟数Tm为：
Tm＝((Tc+Ti)－(Tc+Ti)％Ti)％60
式中Tc为当前时间的分钟数，Ti为配置的时间间隔分钟，确保任何时间设置闹钟，下次闹钟分钟数是离当前时间分钟数最近一次的能被间隔时间整除的时间。
2)间隔时间大于60分钟时(水文上一般是整点)，设下次闹钟时间的小时为Tn，则：
Tn＝((Ti÷60)-((Tc+(Ti÷60))+24-Ts)％(Ti÷60))％24
式中Tc为当前时间的分钟数，Ti为配置的时间间隔分钟，Ts为系统运行起始时间的小时数，确保任何时间设置闹钟，下次闹钟时间小时数是离最近时间能够被小时间隔数整除的小时数。
闹钟会根据间隔时间周期性对微控制器发出唤醒电平信号，微控制器唤醒后首先对双时钟时间进行比对，两个时钟时间相差不超过一秒，则打开调频连续波雷达测距系统电源，发送测量指令，测量完成后读取测量数据，关闭调频连续波雷达测距系统电源；微控制器对数据进一步计算，之后根据传输规约对数据打包，打开NB_IoT模块电源，初始化NB_IoT模块，发送打包完成的数据到指定的IP地址，等待回执，收到回执后关闭NB_IoT模块电源，整个系统进入休眠模式；两个时钟时间相差超过一秒，则会向中心站服务器发送校时指令，对两个时钟校时。水位计只有微控制器、时钟芯片以及蓝牙模块是直接由锂电池供电，其余的模块都是通过MOS晶体管控制电源，在休眠模式下这些模块都是断电状态。蓝牙模块正常情况下处于休眠模式，可以被其他蓝牙设备扫描到，只有被其他蓝牙连接上才会进入工作模式，进入工作模式会对微控制器发送唤醒电平信号，唤醒微控制器。通过双时钟系统周期性唤醒微控制器可以使微控制器大部分时间下处于休眠模式，其他模块处于断电状态，大大降低功耗。
为了进一步降低功耗以及增加电池的使用寿命，由于水位计需要处于完全密封状态，如果内部安装的锂电池一直处于通电状态，水位计长时间存放在仓库里会影响电池寿命；电池出现问题更换电池操作步骤复杂，故将水银开关应用在在一体化雷达水位计上，利用水位计安装使用和存放朝向可以不同的特点，将水银开关接插件焊接到电池插座和电源模块中间的焊盘上，这样无需在水位计外壳增加电源开关，整体的密封效果不会收到影响。水位计在存放时使水位计有雷达透镜的一面方向朝上，此时水银开关处于断路状态，相当于关闭电源；现场安装使用时，水位计有雷达透镜的一面方向朝下，水银开关处于短路状态，相当于开启电源。
在实际应用过程中，将水位计安装在水面的上方，当调频连续波雷达测距系统电源打开时，水位计先采用排除干扰物算法判断是否有干扰物，当存在干扰物则不继续进行水位测量；当不存在干扰物时，使用高精度测距算法测量出水面到水位计的空高，并将高度空高信息传送给微控制器，微控制器将空高数值通过预先设置的水位基值计算成水位值(水位基值上减去空高)，默认情况下水位基值为0。水位基值可以是根据基准点高程引测(通过水准仪和水准尺)得到的水位计安装位置的高程数值，结合空高和测量的水位基值即得到真实的水位值。微控制器中内置消浪算法，通过在一段时间内进行多次测量，将测得的数据进行从小到大排列，去掉前三分之一较小值以及后三分之一的较大值，剩下的数值取平均值，降低水面波动水位测量的影响。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其特征在于，包括：水位计电源系统、调频连续波雷达测距系统、数据采集模块、角度测量模块、NB_IoT模块、蓝牙模块、USB接口、RS485接口；所述调频连续波雷达测距系统包括数字信号处理芯片、雷达片上系统芯片和透镜，雷达片上系统芯片上具有微带阵列天线，雷达透镜加装在雷达片上系统芯片前，微带阵列天线置于雷达透镜的实际聚焦位置；所述数据采集模块包括微控制器、时钟芯片、存储芯片、电源信息采集电路以及若干MOS管，时钟芯片结合微控制器内部的RTC组成双时钟系统，电源信息采集电路用于采集电源信息并发送至微控制器，微控制器、时钟芯片以及蓝牙模块直接由水位计电源系统供电，其余的模块通过MOS管控制电源通断，调频连续波雷达测距系统与微控制器相连接，使用调频连续波测距技术计算水面到水位计之间的空高距离；NB-IoT模块与微控制器相连接，用于将微控制器打包好的数据发送指定的IP地址；USB接口与微控制器相连接，用于配置水位计参数；RS485接口与微控制器相连接，用于其它工业设备读取水位计数据；蓝牙模块和角度测量模块与控微制器相连接，用于在水位计安装过程中配置水位计参数。
2.根据权利要求1所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其特征在于，所述水位计电源系统包括锂电池、充电控制模块、太阳能电池板，太阳能电池板通过充电控制模块为锂电池充电；电源信息采集电路与水位计电源系统中的锂电池、充电控制模块相连接，微控制器通过电源信息采集电路读取充电电压、充电电流以及电池电压信息。
3.根据权利要求1所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其特征在于，数字信号处理器内置高精度测距算法和排除干扰物算法，排除干扰物算法通过雷达波对不同材料反射率的差异、水面的波动、以及波动的周期性判断被测目标是否是水面，高精度测距算法使用zoom-FFT，首先获取ADC采集雷达天线输出累积的N个信号，将大小为N的一维FFT重新表示为N1个大小为N2的一维FFT，然后乘上旋转因子进行转置得到N2个大小为N1的一维FFT，将索引k和n重写为：
k＝N2k1+k2
n＝N1n2+n1
式中索引ka和na取值范围为[0...Na-1]，a为N1或N2数组的序号，将输入n和输出k重新索引为N1*N2二维数组，将这个新索引代入nk的FFT公式，N1n2N2k1交叉项消失，其余项为：
Figure FDA0003677543140000011
根据索引找到精细旋转因子数组和粗略旋转因子数组中相对应的旋转因子，通过与运算和移位运算，将输入信号和旋转因子相乘得到新的峰值区域的FFT，在这组FFT中找到峰值对应的索引值反推频率，根据下面公式计算距离：
Figure FDA0003677543140000021
式中d是与被检测物体的距离，c是光速，fd是频率，Tc是调频连续波发送间隔时间，B是带宽。
4.根据权利要求3所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其特征在于，对测量距离进行校正：
y＝kx+c
式中y为校正后的距离值，x为校正前的距离值，k校正系数，c为常数，将线性关系式置入水位计。
5.根据权利要求1所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其特征在于，雷达片上系统芯片集成三个1x1的发送平面微带阵列天线，以及四个1x1的接收平面微带阵列天线。
6.根据权利要求1所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计，其特征在于，水位计电池插座和电源模块中间的焊盘上焊接有水银开关接插件，水位计在存放时使水位计有雷达透镜的一面方向朝上，此时水银开关处于断路状态，相当于关闭电源；现场安装使用时，水位计有雷达透镜的一面方向朝下，水银开关处于短路状态，相当于开启电源。
7.基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
微控制器实时读取时钟时间当作系统时间；
微控制器根据配置参数的采集间隔、发送间隔和存储间隔对闹钟进行设置：
间隔时间是以分钟为单位，对内部RTC和外部RTC进行闹钟设置，闹钟每次响应后根据间隔时间设置下次闹钟的时间，分为两种情况：
1)间隔时间小于60分钟时，设下次闹钟时间的分钟数Tm为：
Tm＝((Tc+Ti)－(Tc+Ti)％Ti)％60
式中Tc为当前时间的分钟数，Ti为配置的时间间隔分钟；
2)间隔时间大于60分钟时，设下次闹钟时间的小时为Tn，则：
Tn＝((Ti÷60)-((Tc+(Ti÷60))+24-Ts)％(Ti÷60))％24
式中Tc为当前时间的分钟数，Ti为配置的时间间隔分钟，Ts为系统运行起始时间的小时数；
闹钟根据间隔时间周期性对微控制器发出唤醒电平信号，微控制器唤醒后首先对双时钟时间进行比对，若两个时钟时间相差不超过一秒，则打开调频连续波雷达测距系统电源，发送测量指令，测量完成后读取测量数据，关闭调频连续波雷达测距系统电源；
测量过程如下：
采用排除干扰物算法判断是否有干扰物，当存在干扰物则不继续进行水位测量；当不存在干扰物时，使用高精度测距算法测量出水面到水位计的空高，并将高度空高信息传送给微控制器，微控制器将空高数值通过预先设置的水位基值计算成水位值；
微控制器根据传输规约对数据打包，打开NB_IoT模块电源，初始化NB_IoT模块，发送打包完成的数据到指定的IP地址，等待回执，收到回执后关闭NB_IoT模块电源，整个系统进入休眠模式；休眠模式下除微控制器、时钟芯片以及蓝牙模块以外的模块都是断电状态；
若两个时钟时间相差超过一秒，则会向中心站服务器发送校时指令，对两个时钟校时。
8.根据权利要求7所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计的控制方法，其特征在于，水位基值是根据基准点高程引测得到的水位计安装位置的高程数值。
9.根据权利要求7所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计的控制方法，其特征在于，微控制器在一段时间内进行多次测量，将测得的数据进行从小到大排列，去掉前三分之一较小值以及后三分之一的较大值，剩下的数值取平均值。
10.根据权利要求7所述的基于60GHz的一体化低功耗透镜雷达水位计的控制方法，其特征在于，蓝牙模块正常情况下处于休眠模式，当被其他蓝牙设备连接上时进入工作模式，进入工作模式后对微控制器发送唤醒电平信号，唤醒微控制器。
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