CN115657007A - 一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，该方法包括如下步骤：毫米波雷达发射调频连续波波束照射水面，雷达检测模块发射端对检测区域发射射频信号，雷达检测模块接收到水面回波信号，进一步由雷达混频器将原始信号和回波信号混频为低频信号，获取到含有河流表面流速和水位高度特征的原始信号数据，利用通讯模块将原始数据实时传输到服务器进行后续处理。本发明为非接触式水流测速方法及装置，不受水面环境影响，能实现实时检测，同时保证测速精度。
Description
技术领域
本发明属于毫米波雷达测量技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法。
背景技术
目前水流流速的测量方法可以分为接触式和非接触式两种。接触式方法包括接触水面的叶轮式、转子式流速仪、超声波多普勒流速仪等。然而在有些特殊环境下，例如在暴涨暴落且漂浮物多的河段，不便于通过接触式的方法进行流速探测，测试存在效率低、精度差的缺陷，并且这类与水接触的设备寿命有限且维护费用昂贵。随着对水流监测信息时效性的要求越来越高，研究非接触式测量方法有重要实用意义。非接触式测量方法在测量过程中对测量目标没有干扰，常用的非接触式流速设备为激光多普勒流速仪和多普勒雷达传感器，来利用激光多普勒测速原理进行水流流速的检测。由于是激光测量，容易受到恶劣天气影响，在雨雾天气下，激光的探测能力随着能见度的降低逐渐降低。连续波或非脉冲信号形式的多普勒雷达传感器会压迫接收机的动态范围，并且该体制的雷达传感器无法测距，测得的河流表面速度会产生偏差。对水流监测的性能带来比较大的挑战。
雷达对河流表面流速的检测依赖多普勒效应，求得多普勒频移即可估算出雷达检测模块与水流的相对速度。区别于雷达对车辆或路上行人的检测，由于水面存在复杂的表面运动，雷达对河流表面检测的多普勒功率谱呈现多种不同速度拓宽的特征，并且多普勒功率谱拓宽的程度还受波束宽度影响，所以对于不同的探测倾角，多普勒功率谱呈现不同的宽度。如何基于多普勒功率谱估计出径向速度也是一个研究重点。具体的说，有研究将多普勒功率谱平滑之后的峰值定义为多普勒中心，利用其估计径向速度，但这种估计不适用于流速平缓的河流情境，平缓的河流表面反射给雷达的能量有限，形成的多普勒功率谱不会出现明显的峰值，此时估计的径向速度会出现较大偏差。其次还有研究设定一个功率阈值，将与阈值相交的两个边缘多普勒偏移值平均值定义为多普勒中心，但这种方法不具有普适性，难以确定一个固定的功率阈值使其在任何流域得到的多普勒功率谱上都高于噪声水平，从而难以估计出多普勒中心。
因此，研究一种新的非接触式测量设备，使其能不受天气、温度和气压的影响，能够全天候工作，具有稳定的工作性能，同时需要确定一种具有普适性的表面流速探测方法，得到精确测速结果，具有重大实用价值。
发明内容
技术问题：为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，作为一种非接触式的河流表面流速测量的方法，能够在各种天气和环境下对河流表面流速进行测量。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法采用如下步骤：
步骤一、用毫米波雷达发射调频连续波波束照射水面，同时雷达检测模块发射端对检测区域发射射频信号，雷达检测模块接收河流表面的回波信号，进一步由雷达混频器将原始发射的射频信号和回波信号混频为低频信号，获取含有表面流速和水位高度特征的原始信号数据，将所述信号数据通过通讯模块实时传输到服务器模块进行后续处理；
步骤二、在低频信号的距离维度进行快速傅里叶变换FFT处理，得到一维傅里叶变换结果，利用恒虚警算法判断当前是否获得水面反射能量；
步骤三、取出步骤二中得到的一维傅里叶变换结果中最高峰对应的距离索引值，后续估计该距离时的河流表面流速；
步骤四、在步骤二的距离维度傅里叶变换结果上做扫频周期维度的傅里叶变换，得到距离-多普勒估计结果，此时对距离-多普勒结果在距离和速度维度分别做一维单元平均恒虚警或者同时做二维的单元平均恒虚警检测；从恒虚警的结果取出步骤三得到的距离索引值对应的速度维数据，此时可以分别得到正、负速度值，即为两种可能的径向速度；
步骤五、结合步骤一中用毫米波雷达发射调频连续波波束照射水面时，毫米波雷达相对于水流流向的摆放从步骤四得到的正、负速度值中进行选择；
步骤六、步骤五估计出的速度为径向速度，此时结合陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，可以估计出当下的河流表面流速。
其中，
所述河流表面流速与径向速度的关系为：
其中，vradial表示当前测得的径向速度，β为陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，v为河流表面流速。
所述距离维度是指对低频信号做一维傅里叶变换之后的维度，该维度频谱的峰值点对应不同距离的目标。
所述利用恒虚警算法判断当前是否获得水面反射能量，具体的，会出现两种状态：状态1：成功获得水面反射能量，经恒虚警算法处理后的一维傅里叶变换结果存在多个峰值；状态2：只存在雷达自身干扰信号，经恒虚警算法处理后的一维傅里叶变换结果只在第一个距离单元存在峰值；使用单元平均恒虚警算法判断是否为状态1中的情况，若为状态1中的情况，才可以继续进行后续步骤，若为状态2的情况，则返回步骤一重新探测直到获得状态1的情况。
所述估计出的速度值，有两种可能性：可能性1：如果毫米波雷达发射波束照射河流的上游，此时应选取步骤四中的负值的速度为当前估计的径向速度；可能性2：如果毫米波雷达发射波束照射河流的下游，此时应选取步骤四中的正值的速度为当前估计的径向速度。
所述径向速度是指河流表面流速在毫米波雷达表面法向的速度分量，即河流表面流速矢量在毫米波雷达表面法向的投影。
所述通讯模块用于将雷达检测数据实时发射至服务器进行处理。
所述服务器模块用于数据处理，包括进行FFT处理、恒虚警算法处理以及径向速度选择。
所述陀螺仪用于测量雷达表面法向与水平面的倾角，从估计得到的径向速度获得河流表面流速。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为，
1)本发明利用毫米波雷达发射调频连续波对水面进行监测，相对于连续波雷达无法测距而言，可以同时估计出水位距雷达放置平台的距离，以及当前的河流表面流速；
2)本发明利用毫米波雷达进行非接触式的水面流速检测，设备尺寸小，可以与多种平台结合，测量形式非常灵活；
3)本发明附加方面的优点将在下面的描述部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明毫米波雷达进行河流表面流速测量时相对水面的摆放位置示意图；
图2是本发明毫米波雷达进行河流表面流速测量的方法的流程图；
图3是本发明进行速度估计的流程图；
图4是本发明速度正、负对应河流情况示意图；
图5是本发明进行速度估计时进行数据处理的流程图；
图6是本发明中抽取的距离索引对应的速度取值分布示意图；
图7是本发明中毫米波雷达进行河流表面流速测量时的装置结构图。
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，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。
参照图1-7，一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法及装置，包括如下步骤：
步骤一、将毫米波雷达以角度β倾斜放置，雷达发射波束照射于水面上，雷达检测模块发射端对检测区域发射射频信号，水流表面反射信号，雷达检测模块接收到河流表面的回波信号后，进一步由雷达混频器将原始信号和回波信号混频为低频信号，获取含有表面流速和水位高度特征的原始信号数据，再将上述数据通过通讯模块实时传输到服务器进行后续处理；
步骤二、步骤一得到的数据维度为N×D×C，N为调频连续波雷达在一个信号扫频周期内选取的ADC采样个数，D为调频连续波雷达发射的扫频信号个数，C为调频连续波雷达的接收通道数；首先对数据在ADC维度进行一维FFT变换，数据维度不变，再进行一维单元平均恒虚警检测，判断当前是否获得水面反射能量，具体的，经过单元平均恒虚警后出现两种状态：状态1：成功获得水面反射能量，一维FFT结果存在多个峰值；状态2：只存在雷达自身干扰信号，一维FFT结果只在第一个距离单元存在峰值；使用单元恒虚警算法判断是否为状态1中的情况，若为状态1中的情况，才可以继续进行后续步骤，若为状态2的情况，则返回步骤一重新测量直到满足状态1的情况，其中，
恒虚警检测的判决门限可表示为：
k为用于设定所需虚警率的因子，M为使用的参考单元总数，Pm表示第m个距离单元的功率；
步骤三、步骤二中得到的经过恒虚警算法处理后的一维FFT结果存在多个峰值，不同峰值点对应不同距离的目标，取出最高峰对应的距离索引值n，该索引值即为河流表面与雷达在其表面法线方向的直线距离，后续估计该距离河流表面流速；
步骤四、基于步骤二的一维FFT结果，在扫频周期维度上再做FFT变换，得到距离-多普勒估计结果，维度是N×D×C，此时矩阵称为距离-速度矩阵，对多个通道进行非相参积累，得到N×D维的矩阵，接着做二维的单元平均恒虚警检测或者分别在距离和速度维做一维的单元平均恒虚警检测；接着，如图5所示，从距离-速度矩阵中取出步骤三得到的索引值对应的速度维数据，即从矩阵中抽出第n列的数据，此数据代表当前距离单元的速度分布值，最中间的速度单元为速度为0，两边分别代表正值的速度和负值的速度；具体的，分别从最左端和最右端开始算，第一个非零的数据对应的速度为当前距离单元可以解算出的速度值；此时可以分别得到正负速度值，即为两种可能的径向速度；
步骤五、结合步骤一中毫米波雷达照射水面时的朝向与河流表面流向的关系，选择步骤四中的速度值，有两种可能性，如图6所示：可能1：如果毫米波雷达发射波束照射河流的上游，此时应选取步骤四中负值的速度作为当前估计的径向速度；可能2：如果毫米波雷达发射波束照射向河流的下游，此时应选取步骤四中的正值的速度为当前估计的径向速度vradial；
步骤六、得到步骤五估计出的径向速度vradial之后，此时结合陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，即图1中的β，可以估计当下的河流表面流速。河流表面流速与径向速度的对应关系为：
其中，vradial表示当前测得的径向速度，β为陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，v为河流表面流速。
基于上述水面测速方法本发明还公开了一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量装置，包括雷达检测模块、通讯模块、服务器模块与陀螺仪。
其中，毫米波雷达检测模块是可以采用基于调频连续波技术(FMCW)毫米波雷达，用于对水面进行数据检测，接收水面反射的回波能量；通讯模块将检测数据实时发射至服务器进行处理；服务器模块用于数据处理，包括进行FFT、恒虚警算法处理以及径向速度的选择；陀螺仪用于测量雷达表面法向与水平面的倾角，从估计出的径向速度获得河流表面流速。
关于本发明的进一步说明：雷达波束照射到水面上，水面可以反射能量，并且水流会引起来自布拉格散射波的多普勒频移，因此我们可以测量这些数据，根据这些数据的特征来估计雷达视距的水流表面流速。本发明中使用的雷达检测模块可以检测到水面的回波能量以及多普勒频移，其一般工作过程是：雷达检测模块的发射端发射射频信号，水面反射的回波信号由雷达检测模块的接收端接收，由雷达混频器将原始发射射频信号与接收的回波射频信号进行混频，得到低频信号，进行一维FFT后，不同的频率对应处于不同距离的目标的延时，结合电磁波的传播速度，可以求出雷达距水面的距离；水面的运动会产生多普勒频移，从而求出径向速度，结合陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，可以估计当前距离索引对应的水面的表面流速。
Claims (9)
1.一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：
步骤一、用毫米波雷达发射调频连续波波束照射水面，同时雷达检测模块发射端对检测区域发射射频信号，雷达检测模块接收河流表面的回波信号，进一步由雷达混频器将原始发射的射频信号和回波信号混频为低频信号，获取含有表面流速和水位高度特征的原始信号数据，将所述信号数据通过通讯模块实时传输到服务器模块进行后续处理；
步骤二、在低频信号的距离维度进行快速傅里叶变换FFT处理，得到一维傅里叶变换结果，利用恒虚警算法判断当前是否获得水面反射能量；
步骤三、取出步骤二中得到的一维傅里叶变换结果中最高峰对应的距离索引值，后续估计该距离时的河流表面流速；
步骤四、在步骤二的距离维度傅里叶变换结果上做扫频周期维度的傅里叶变换，得到距离-多普勒估计结果，此时对距离-多普勒结果在距离和速度维度分别做一维单元平均恒虚警或者同时做二维的单元平均恒虚警检测；从恒虚警的结果取出步骤三得到的距离索引值对应的速度维数据，此时可以分别得到正、负速度值，即为两种可能的径向速度；
步骤五、结合步骤一中用毫米波雷达发射调频连续波波束照射水面时，毫米波雷达相对于水流流向的摆放从步骤四得到的正、负速度值中进行选择；
步骤六、步骤五估计出的速度为径向速度，此时结合陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，可以估计出当下的河流表面流速。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，其特征在于，所述河流表面流速与径向速度的关系为：
其中，vradial表示当前测得的径向速度，β为陀螺仪测量出的雷达表面法向与水平面的倾角，v为河流表面流速。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，其特征在于，所述距离维度是指对低频信号做一维傅里叶变换之后的维度，该维度频谱的峰值点对应不同距离的目标。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，其特征在于，所述利用恒虚警算法判断当前是否获得水面反射能量，具体的，会出现两种状态：状态1：成功获得水面反射能量，经恒虚警算法处理后的一维傅里叶变换结果存在多个峰值；状态2：只存在雷达自身干扰信号，经恒虚警算法处理后的一维傅里叶变换结果只在第一个距离单元存在峰值；使用单元平均恒虚警算法判断是否为状态1中的情况，若为状态1中的情况，才可以继续进行后续步骤，若为状态2的情况，则返回步骤一重新探测直到获得状态1的情况。
5.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，其特征在于，所述估计出的速度值，有两种可能性：可能性1：如果毫米波雷达发射波束照射河流的上游，此时应选取步骤四中的负值的速度为当前估计的径向速度；可能性2：如果毫米波雷达发射波束照射河流的下游，此时应选取步骤四中的正值的速度为当前估计的径向速度。
6.根据权利要求5所述的基于毫米波雷达的河流表面流速测量方法，其特征在于，所述径向速度是指河流表面流速在毫米波雷达表面法向的速度分量，即河流表面流速矢量在毫米波雷达表面法向的投影。
7.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量装置，其特征在于，所述通讯模块用于将雷达检测数据实时发射至服务器进行处理。
8.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量装置，其特征在于，所述服务器模块用于数据处理，包括进行FFT处理、恒虚警算法处理以及径向速度选择。
9.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的河流表面流速测量装置，其特征在于，所述陀螺仪用于测量雷达表面法向与水平面的倾角，从估计得到的径向速度获得河流表面流速。
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