CN117647804A - 一种岸基相控阵测流雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可兼顾测流精确度和测流效率,同时降低设备成本的相控阵测流雷达,包括一部发射天线、一部接收天线阵、雷达主机和供电系统。通过合理设置发射天线/接收天线的数量和位置,并交替对不同接收天线接收的回波信号进行处理,从而在保证测流精度的前提下,减少数据处理的工作量,节约了硬件成本,同时降低了数据处理的等待时间,提高了测流效率。此外,该岸基相控阵测流雷达可以根据探测距离自动设置雷达的发射功率,保护了环境,节省了的电力。
Description
技术领域
本发明涉及水文测流技术领域,尤其涉及一种设置于河岸的岸基相控阵测流雷达。
背景技术
河流流量水文测站的基本测量方法已经有一百多年没有发生大的变化与发展。传统的河流流量测量技术包括人工船测、桥测、涉水测量、缆道测量等,都属于接触式测量方式。最近几年发展起来的ADCP、ADFM等流量测验方法是通过采用现代化的声学、压力仪器设备采集河流流速、测流断面(水位)信息的,因此也属于接触式测量方法,具有一定的局限性。在洪水期,利用机械式流速仪、ADCP或其它任何仪器进行接触式测流,有很多困难,还可能会增加仪器的测量误差。当接触式流量测量方法不可行时,就得通过非接触式测量方法来确定。
使用雷达利用电磁波信号测量河流流量(流速)是非接触式测量方法并且具有应用前景的流量测量方法,它不仅可以保障现场监测技术人员的生命安全,还可以在洪水期正常实施测量。
申请CN202111389548.6公开了一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达,然而该雷达系统需要对发射信号进行调制编码,并对接收回波信号做复杂地运算处理,对系统的信号处理能力要求较高,导致设备成本偏高,同时复杂的计算延长了测量耗时,在应对自然灾害等紧急情况时的测流实时性不够。
发明内容
针对现有测流雷达成本高、效率低、实时性不足的问题,本发明提供一种可兼顾测流精确度和测流效率,同时降低设备成本的岸基相控阵测流雷达。
本发明提供了一种岸基相控阵测流雷达,包括一部发射天线、一部接收天线阵、雷达主机和供电系统,
所述发射天线由四单元耦极子单元天线组合组成,采用垂直极化方式;
所述接收天线阵由8个二单元耦极子组合天线组成阵列;
所述雷达主机由频率合成器、发射功放模块、接收采集模块、交换机、工控机和电源系统组成;
所述频率合成器产生发射信号;
所述发射功放模块将所述发射信号送至所述发射天线,形成向河面辐射;
所述接收采集模块共有四个单元,每个单元分别在不同时间接收所述接收天线阵中的两个天线的回波信号,对所述回波信号放大、变频、数据采集,获得对河流表面波测量的数据;
所述工控机对所述对河流表面波测量的数据进行数据处理和反演,得出水流速、流向等数据,通过网线/GPRS传送到水文处理中心或监测部门。
通过本发明提供的上述岸基相控阵测流雷达,通过合理设置发射天线/接收天线的数量和位置,并交替对不同接收天线接收的回波信号进行处理,从而在保证测流精度的前提下,减少数据处理的工作量,节约了硬件成本,同时降低了数据处理的等待时间,提高了测流效率。此外,本发明雷达体制采用调频扫频连续波(FMSFCW)的工作形式探测河流表面流速、流向等河流要素。与其它采用脉冲体制的雷达探测河流表面流速、流向等河流要素有着基本原理上的不同。调频扫频连续波雷达提供了一种宽带近程雷达简洁的系统实现方法。雷达不用产生脉冲,发射信号和接收信号全是连续波。距离接近于零的目标也可以探测到。通过对回波数据的傅立叶分析大幅提升了雷达的灵敏度。
相比于现有技术,本发明具有以下优点:
(1)更高的灵敏度。由于采用FMSFCW探测,距离接近于零的目标也可以探测到,大幅提升了雷达的灵敏度。
(2)更低的硬件成本。由于对不同天线的数据进行交替处理,从而可以采用更为便宜的处理器进行数据处理;
(3)更高的采样频率。由于对不同天线的数据进行交替处理,在相同的处理器能力下,可以获得更高的测流采样率;
(4)自动设置发射功率。通过雷达对河面情况进行测量,可以评估测量距离、测量对象、测量环境,进而自动设置最为经济的测量用发射功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提出的岸基相控阵测流雷达的系统方框图;
图2为本发明提出的岸基相控阵测流雷达的发射天线构成示意图;
图3为本发明提出的岸基相控阵测流雷达的接收天线(阵)构成示意图;
图4为本发明提出的岸基相控阵测流雷达的接收采集模块方框图;
图5为本发明提出的岸基相控阵测流雷达水平面探测示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提出的岸基相控阵测流雷达的系统方框图如附图1所示。
本发明雷达体制采用调频扫频连续波(FMSFCW)的工作形式探测河流表面流速、流向等河流要素。调频扫频连续波雷达提供了一种宽带近程雷达简洁的系统实现方法。雷达不用产生脉冲,发射信号和接收信号全是连续波。距离接近于零的目标也可以探测到。通过对回波数据的傅立叶分析大幅提升了雷达的灵敏度。
所述测流雷达采用调频扫频连续波的工作形式探测河流表面流速、流向等河流要素,与其它采用脉冲体制的雷达探测河流表面流速、流向等河流要素有着基本原理上的不同。连续波有着可探测近距离(盲区小)、数据率高、适用于测量目标速度等特点,同时也存在着收发干扰的难题。所述雷达通过雷达收发天线位置设置、增加接收天线遮蔽板、采用处理电磁干扰算法等手段解决收发干扰问题,获得了良好的河流表面流速数据。
应用连续波的测流雷达有如下特点:
a)低功耗和小型化
使用连续波雷达体制测量水面流速其发射功率在瓦的数量级,属于典型的低功耗装备,而脉冲式雷达的发射功率至少要增加一个数量级。尽管仅相差一个数量级水平,但在功耗敏感或电力保障困难的应用场合,连续波探测雷达尤其适用,例如工作于偏远环境和没有电力供应的场所。同时系统低功耗意味着设备发热量低、部件寿命长,更加利于小型化和可靠性设计。这对于边境和岛礁环境下的维护周期长和无人值守等需求极为重要。
b)适用于低慢小目标检测
低慢小目标的检测一直以来都是雷达探测领域的需要克服的技术难点。低慢小目标的检测的难点来自两方面:首先目标的雷达散射截面积小,不利于雷达探测;其次目标受地物杂波遮蔽,不易分辨。而连续波雷达在两方面具备优势,首先在同等功率条件下,连续波雷达照射目标的积累时间更长,得到更大信噪比增益。其次,连续波雷达发射信号无时宽限制,多普勒频谱分辨力高,以伪随机码调相连续波雷达为例,其多普勒分辨力可达几赫兹量级。在严重地杂波环境下,通过多普勒高分辨能力,并结合超杂波检测技术,可实现低慢小目标杂波下可见,而不引入杂波导致的虚警。
该岸基相控阵测流雷达系统包括一部发射天线、一部接收天线阵、雷达主机和供电系统,
所述发射天线由四单元耦极子单元天线组合组成,采用垂直极化方式;
所述接收天线阵由8个二单元耦极子组合天线组成阵列;
所述雷达主机由频率合成器、发射功放模块、接收采集模块、交换机、工控机和电源系统组成;
所述频率合成器产生发射信号,所述发射信号包含调频扫频连续波FMSFCW;
所述发射功放模块将所述发射信号送至所述发射天线,形成向河面辐射;
所述接收采集模块共有四个单元,每个单元分别在不同时间接收所述接收天线阵中的两个天线的回波信号,对所述回波信号放大、变频、数据采集,获得对河流表面波测量的数据;
所述工控机对所述对河流表面波测量的数据进行数据处理和反演,得出水流速、流向等数据,通过网线/GPRS传送到水文处理中心或监测部门。
接下来对岸基相控阵测流雷达系统的各个模块进行详细说明。
收发天线
天线性能的优劣是影响雷达探测性能的重要部件之一。一部性能优良的天线可以使雷达设备简化,如降低发射功率,降低设备功率损耗等。在一个可选的实施方式中,岸基相控阵测流雷达采用发射天线与接收天线分置的方式,发射天线用于雷达信号的发射,接收天线用于雷达回波信号的接收。
发射天线、接收天线分别架设在两个天线塔架上,天线中心高度优选为相对水面高出10m,同时应该考虑丰水期与枯水期的落差。发射天线与接收天线间相距应由收、发隔离度确定,原则上两天线距离越远,隔离度越好。实际上还要考虑发射功率损耗、能耗和安装维护成本。
考虑雷达发射需要在水平面≥90°,发射天线采用4单元耦极子天线阵,垂直极化,雷达发射信号送入四功率分配器,由四功分器将发射信号分别馈入耦极子天线单元,如图2所示。
接收天线采用耦极子单元天线,2单元合成一路接收天线,8路接收天线组成天线阵,垂直极化。回波信号通过单元天线送入二功率合成器,接收到的信号经馈线送达接收机,如图3所示。
基准时钟
基准时钟模块是雷达的时钟源,为频率合成器提供960MHz工作时钟,同时向频率合成器和接收采集模块提供120MHz控制时钟。测流雷达在室外安装,要在-20℃~55℃的条件下长期稳定工作,因此,基准时钟模块工作的稳定性决定了岸基相控阵测流雷达的工作稳定性。
频率合成器
频率合成器是雷达发射信号产生的模块,由DDS(数字频率合成器)芯片及外围控制、放大电路等组成。DDS基于960MHz工作时钟信号,采用数字编程的方式产生雷达所需的发射信号,在外围电路的控制下实现扫频、调频等功能。频率合成器输出的发射信号为430MHz的调频扫频连续波(FMSFCW)。
频率合成器同时产生接收采集模块中模拟接收机所需要的320MHz本振信号,本振信号与发射信号是同步的。
频率合成器还要产生控制信号如MO、选通信号等。
功放模块
功放模块是将频率合成器产生的发射信号放大到一定功率的模块,根据雷达探测距离的不同,发射功率也不同。功放模块输出信号送到发射天线向外辐射。
功放模块除产生大功率发射信号外,还应该保持信号频谱洁净,其杂波输出应符合国家有关电磁管理的要求。本功放模块设有电磁滤波器装置,保证杂散及谐波输出:≤-60dBc。
大功率半导体器件具有随温度变化增益发生变化的特点,为适应在-20℃~55℃的条件下雷达长期稳定工作,本功放模块设有自动增益控制系统,保证雷达输出功率稳定不变化。
岸基相控阵测流雷达可以实现野外作业无人值守,可以通过网络控制发射功率。功放模块与本机工控机之间设有控制接口。
接收采集模块
接收采集模块是雷达的重要单元,接收采集模块的性能直接影响雷达探测性能的质量。考虑河流岸基测量雷达的可靠性、可维修性和利用率,岸基相控阵测流雷达共设置4个接收采集模块,接收8路天线的回波信号。
接收采集模块由模拟接收机单元和数据采集单元组成。
模拟接收机单元由两个低噪声放大器、高频切换开关、混频器和中频滤波、放大器组成。两个低噪声放大器分别与相邻的两个接收天线相连,接收河流表面回波信号。两个低噪声放大器的输出信号通过高频切换开关分别送入混频器,其产生的中频信号经中频滤波、放大器输出到数据采集单元。接收采集模块模块的方框图见图4。
模拟接收机混频器所需的本振信号来自于频率合成器,本振频率为320MHz。
数据采集单元由数模转换芯片(AD)、可编程控制芯片(FPGA)及配套电路组成。
其中AD转换和数据采集电路对中频信号数字化,提供数字基带信号。来自接收采集模块的模拟放大器的中频信号,经模数转换后,与数控振荡器(NCO)输出的数字本振信号混频,之后经数字滤波得到数字基带信号I、Q。数据整理模块按预定帧格式对I、Q信号整理装订成数据帧,经网络通信模块输出到工控机进行数据处理。
数据采集单元需要基准时钟模块提供时钟源,同时需要频率合成器提供控制信号如MO、选通信号等,使4个数据采集单元同步工作。岸基相控阵测流雷达的测量对象是河流中水的表面流速,自然界中河流中水的流速通常不会超过10m/s,水的流速变化率也是缓慢渐变式的,因此综合考虑雷达设备资源的利用率,相邻两个接收天线的数据采集方式采取轮流采集,暨某一时刻采集1、3、5、7通道数据,下一时刻采集2、4、6、8通道数据,交替时间约2ms,其交换采集速率满足使用要求。这样做的目的既保证了对水面流速的测量精度,又提高了设备的利用率,降低设备成本,获得比较高的性价比。
交换机模块
4个接收采集模块产生的数据信息非常庞大,本机采用一个4路收入,一路输出的千兆以太网交换机作为工控机与接收采集模块数据交换的设备。网络通信协议:UDP协议。
接下来介绍测流雷达工作原理。
岸基相控阵测流雷达的发射天线、接收天线(阵)位于河道的岸边,雷达通过发射天线向河面辐射电磁波,并由接收天线接收河流表面反射的电磁波,如图5所示。当雷达信号在河流水面产生散射时,雷达所接收到的水面反射波的载波频率就会发生偏移。为了获得多普勒频移,天线法线向河流上游方向偏移一定角度γ,即γ是天线的法线方向和河流断面的夹角(这里暂时取γ=20°~25°)。实际应用中,雷达发射的一部电磁波被水面波浪的迎面反射回来,产生的多普勒频移信息被雷达接收机所接收,通过计算反射信号和发射信号的频率差,就可计算出水面流速。
当雷达发射机和接收机在同一位置时,多普勒频率fD符合下列关系:
式中:v—水面流速;
f0—发射频率;
fD—多普勒频移量(频率差);
c—电磁波在空气中传播速度;
考虑雷达采用收、发两部天线以及发射信号对接收机干扰的问题,收、发两部天线应间隔一定距离,因此,多普勒频移的计算中应考虑这一距离差。
为适应距离测量,测流雷达采用调频扫频连续波(FMSFCW)的工作形式。FMSFCW雷达在发射功率低的情况下实现宽带高分辨率的场景中十分有用,包括汽车雷达,近距成像和其他许多应用场景。
调频连续波雷达提供了一种宽带近程雷达简洁的系统实现方法。雷达不用产生脉冲,发射和接收全是连续的。而且,距离接近于零的目标也可以探测到。通过对回波数据的傅立叶分析大幅提升了雷达的灵敏度。
岸基相控阵测流雷达利用垂直极化的特高频电磁波在河流表面反射的特点探测流场等河流表面动力学参数、移动目标。然后,根据河流水流表面不同流速和流向的频谱分布特点,通过数据采集、流场提取,用软件进行数据处理和反演,获得河流水流表面流速等信息。
岸基相控阵测流雷达和其它用途雷达的主要区别在于目标属性的不同。水流目标分布在江河湖海的地面空间中,而水中含有杂质的不同使得电磁波在水面的反射/穿透特性发生变化。雷达以一定的俯角向水面发射电磁波,并接收从水面返回的雷达波信号,根据电磁波反射特性和多普勒测速特性,回波信号的频率变化与水面流速成正比关系,传感器通过检测频率变化得到水面流速可由如下公式计算:
式中:θ—发射波与水流方向的夹角,是俯角和方位角的合成。
在雷达波形设计上,考虑更多的获取河流表面信息,通过数字方法实现线性调频扫频连续波FMSFCW调制。
根据水流速较低(通常不超过10m/s的数量级)的特点,借鉴探地雷达使用频段的经验,测流雷达的使用频率通常选用在300MHz~500MHz的范围。本雷达工作频段选择在430MHz±15MHz,符合国家无线电频率划分的规定。在430MHz、夹角θ=25°时,多普勒频率fD在20Hz的数量级,采用调制频率大于100Hz即可以满足要求,考虑适应性更强,选择调制频率为100kHz。
在实际工程应用中,架设测流雷达的地点与被测河流往往相隔一定距离,受到地形、环境等因素影响,测量距离对雷达的发射功率有一定要求。一方面,若雷达的发射功率不足,则不足以对抗信号衰减和干扰,测量误差较大;另一方面,若雷达的发射功率过高,则白白浪费了电能,并且对周围电磁环境会造成污染。现有技术中,发射功率的大小主要通过人工设置,不够方便且误差较大。为此,本发明的一个优选的实施例中,雷达的发射功率可以自动设置到合适的大小。
接下来介绍其发射功率自动设置的工作原理。
收发天线分置工作。尽管收发天线分开,相对于探测距离而言,两部天线仍可以认为是在同一点上。连续波的雷达方程为:
其中:R是雷达的探测距离;
Pt是雷达的发射功率;
Gt是发射天线的增益;
Gr是接收天线的增益;
σ是雷达目标的截面积;
λ是雷达发射频率的波长;
Ft是发射天线的方向系数;
Fr是发射天线的方向系数;
Sn=S/N信噪比;
k玻尔兹曼常数,k=1.380658×10-23Ws/K;
Ts接收系统噪声温度;240K
Bn接收机带宽;0.1MHz
L传输损耗。
波长λ与雷达发射频率的关系为λ=c/f,c=3×108m/s,f=430MHz,λ=0.6977m,按照发射电磁波束与接收电磁波束重合区域计算,方向系数,Ft=Fr=1,带入公式2并简化则有
由公式3可以看出,雷达的探测距离与发射功率、天线增益、雷达目标的截面积等因素相关。
⑴天线增益
连续波雷达发射、接收天线不能共用,考虑水流目标属性,面测量更准确,因此要求电磁波束要有一定宽度。发射天线增益Gt≥10dBi(10倍),水平波束宽度≥90°,垂直波束宽度≥25°;接收天线增益Gr≥11.5dBi(14.13倍),水平波束宽度≥45°,垂直波束宽度≥25°。
⑵接收系统噪声温度Ts
接收系统噪声温度Ts包含天线噪声温度Ta、环境温度T0、传输损耗Lr和接收机有效输入噪声温度暨接收机噪声系数Nf。接收系统噪声温度Ts由公式公式4确定:
Ts=Ta+T0(LrNf-1) 公式4
其中:Ta=Ta'+36K,Ta'是《雷达手册》(第二版)图2.9给出的噪声温度。查图取Ta'=130K。环境温度T0=290K。雷达主机与接收天线临近安装,接收传输损耗Lr≤1dB或1.259倍。按照目前的工艺水平,接收机噪声系数可以做到2.0dB以下,故Nf=2dB或1.585倍,带入公式4得
Ts=701K
⑶损耗因子L
损耗因子L包括发射传输损耗Lt、天线方向图损耗Lp、大气传播损耗因子La。
发射传输损耗Lt主要考虑发射天线与雷达主机柜(发射机)相距一定距离,需要考虑发射主馈线的传输损耗,这里考虑采用射频电缆20m,传输损耗Lt=2dB。
本岸基相控阵测流雷达的探测目标是把天线固定地指定向垂直于河流流向向上游偏移20°方位,雷达拾取的目标接收天线法线方向半功率点±22.5°扇形面积的范围内,在半功率点的扇形面积范围内,回波幅度并不相等。在扇形面积边缘处,目标不在波瓣最大方向上,需用方向图系数f(θ,φ)修正。考虑接收天线垂直面波束宽度较宽(≥25°),且接收天线法线指向水平方向,故对河面(近距)目标在垂直面的方向传播因子的影响可以忽略不计,在水平面取方向损耗Lp=3dB
本岸基相控阵测流雷达是一部近距测量雷达,大气透镜效应损耗取Le=0.1dB,其他损耗Lx=0.5dB。
L=Lt+Lp+Le+Lx=5.6dB或者3.63倍
⑷最小可检测信噪比Sn
测流雷达的最小可检测信噪比Sn为单脉冲信噪比,取Sn=1。
⑸接收机带宽Bn
岸基相控阵测流雷达采用调频连续波的工作形式,其接收机带宽Bn=Δf,调频带宽Δf=100kHz。
⑹雷达目标的截面积σ
水流的雷达目标的截面积σ是流体面目标,它不能像固定物体如飞机、汽车、舰船等那样有一个固定的形体雷达目标的截面积,通常需要利用矩阵或者积分的形式估算其雷达目标的截面积。
将上述参数⑴~⑸项带入公式3,得出
即
根据河流测量经验,5m×5m的河面面积内等效可用反射面积σ约为0.015㎡,按照此精度,将σ=0.015带入公式5,得出
根据公式6,本发明的岸基相控阵测流雷达可以先通过人工输入、激光测距等方式获得雷达的探测距离,然后自动计算得出适合的发射功率,并使用该发射功率发射调频扫频连续波FMSFCW。
通过本发明提供的岸基相控阵测流雷达,通过合理设置发射天线/接收天线的数量和位置,并交替对不同接收天线接收的回波信号进行处理,从而在保证测流精度的前提下,减少数据处理的工作量,节约了硬件成本,同时降低了数据处理的等待时间,提高了测流效率。此外,可以根据探测距离自动设置雷达的发射功率,保护了环境,节省了的电力。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种岸基相控阵测流雷达,其特征在于,
所述岸基相控阵测流雷达包括一部发射天线、一部接收天线阵、雷达主机和供电系统,
所述发射天线由四单元耦极子单元天线组合组成,采用垂直极化方式;
所述接收天线阵由8个二单元耦极子组合天线组成阵列;
所述雷达主机由频率合成器、发射功放模块、接收采集模块、交换机、工控机和电源系统组成;
所述频率合成器产生发射信号,所述发射信号包含调频扫频连续波FMSFCW;
所述发射功放模块将所述发射信号送至所述发射天线,形成向河面辐射;
所述接收采集模块共有四个单元,每个单元分别在不同时间接收所述接收天线阵中的两个天线的回波信号,对所述回波信号放大、变频、数据采集,获得对河流表面波测量的数据;
所述工控机对所述对河流表面波测量的数据进行数据处理和反演,得出水流速、流向等数据,通过网线/GPRS传送到水文处理中心或监测部门。
2.根据权利要求1所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述发射天线采用四单元耦极子天线阵,垂直极化,雷达发射信号送入四功率分配器,由四功分器将发射信号分别馈入耦极子天线单元。
3.根据权利要求1所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述接收天线采用耦极子单元天线,2单元合成一路接收天线,8路接收天线组成天线阵,垂直极化。
4.根据权利要求1所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述发射功放模块设有自动增益控制系统,保证雷达输出功率稳定不变化。
5.根据权利要求1所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述岸基相控阵测流雷达设置4个接收采集模块,接收8路天线的回波信号。
6.根据权利要求1所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,相邻两个接收天线的数据采集方式采取轮流采集。
7.根据权利要求6所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述轮流采集的交替时间为2ms。
8.根据权利要求1所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述岸基测流雷达自动计算得出的发射功率。
9.根据权利要求8所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,所述自动计算得出的发射功率Pt为:
其中,R是雷达的探测距离。
10.根据权利要求9所述的岸基相控阵测流雷达,其特征在于,通过激光测距获得雷达的探测距离R。
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CN202311673675.8A CN117647804A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种岸基相控阵测流雷达 |
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