CN1719279A - 用雷达电波探测江河湖泊表面流速的方法及其雷达系统 - Google Patents
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Abstract
用雷达电波探测江河湖泊表面流速的方法及其雷达系统，采用水流对雷达电磁波的Bragg散射的Doppler频移探测河流表面流的径向速度。UHF－SVR系统工作频率为300－350MHz，接收机采用一次混频，中频为21.4MHz，数据采集系统采样率为160KHz，发射机功率为1～5w，天线系统为三元八木天线。UHF－SVR系统具有构简单，安装方便，对场地要求小，节省人力资源，成本低的特点。UHF－SVR系统的测试精度高，距离分辨率高，对应的频率分辨率可达10－3Hz，速度分辨率可达10－1cm/s。具有其他江河湖泊表面流检测技术无法具有的超高精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用雷达电波探测江河湖泊表面流速的方法及其采用该方法的雷达，本雷达系统可以广泛应用于江河湖泊的水流测试，探测河水表面流的径向速度，并可对江河湖泊表面的移动目标进行检测。
背景技术
目前，江河湖泊表面流检测技术有了长足的发展，产生了许多新的自动化检测技术。除了常规的浮标法水面流速测试外，图像法、光电传感法、声学Doppler流速测试均已成为新的测试手段。但是，以上几种方法均存在一定的缺陷。如常规浮标法不仅需要较多的人力，且只能逐次进行单个浮标检测；图像法检测受摄像头本身工作指标的影响，且于基准控制点的选择有关(图像法水面流速测验方法简介，《水文》2003.12)。普通光电传感测试方法在流场情况复杂、需测试多点流速时，需使用大量硬件，测试可靠性下降，成本提高(河流模型流速测量软件数据处理算法研究，《华中科技大学学报》2001.7)。
武汉大学于1997年开始研制用于海洋环境监测的高频地波雷达OSMAR系统，并于2000年经过科技部验收。因为只有波长为雷达工作波长一半的河流波列才会对雷达电波产生最强烈的后向散射，所以OSMAR系统的工作频率为高频段6～12MHz，利用高频电磁波在海洋表面超视距传播的特点，来探测和分析海态目标(高频地波雷达研究专辑，《武大学报》2001.5)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用雷达电波探测江河湖泊表面流速的方法及其雷达，它不同于已有检测江河湖泊表面流速方法，具有结构简单，安装方便，对场地要求小，节省人力资源，成本低，距离分辨率高的特点，根据我国多湖泊的特点，具有一定的推广应用价值。
本发明的技术方案是：用雷达电波探测江河湖泊表面流速的方法，其特征在于：利用水流对雷达电波布拉格Bragg散射的多普勒Doppler频移探测河水表面流的径向速度，雷达电波调频信号所用工作频段为超高频段UHF的300-350MHz；雷达电波的发射信号经过发射通道送至发射天线，天线面向待测河流目标，待发射信号和河流表面流相互作用产生后向散射；接收天线接收此信号后经过接收通道和本振信号发生混频，混频后的中频为21.4MHz；相干解调，相干解调后的中频信号经数据采集及处理系统进行数据处理，采样处理后的数据传送至微机系统进行后续的信号处理，即可得到河水表面流的径向速度。
如上所述的方法，其特征在于：雷达采用一次混频结构，中频采样率为160KHz。
如上所述的方法，其特征在于：信号发生部分由专用的DDS芯片实现，而不是通过常用的混频方式实现。
如上所述的方法，其特征在于：雷达的数据采集系统由ADC+FPGA+USB实现。
如上所述的方法，其特征在于：雷达的同步控制器由FPGA实现。
江河湖泊表面流探测雷达系统UHF-SVR，它包括收发天线系统、发射通道、接收通道、时钟源、锁相环倍频、频率合成、同步控制器、数据采集处理和微机系统，其特征在于：发射天线、发射通道、频率合成、时钟源和锁相环倍频依次电连接，接收天线、接收通道、数据采集处理和微机系统依次电连接；同步控制器分别与发射通道、频率合成、锁相环倍频、接收通道、数据采集处理电连接，雷达电波调频信号所用工作频段为超高频段UHF的300-350MHz，扫频带宽为5-30MHz。
如上所述的雷达系统，其特征在于：雷达采用一次混频结构，中频采样率为160KHz。
如上所述的雷达系统，其特征在于：时钟源和频率合成中信号发生部分采用专用DDS芯片，时钟源采用ADF4360-7或者AD4106产生1G的系统时钟，频率合成采用AD9858产生线性调频信号。
如上所述的雷达系统，其特征在于：雷达的同步控制器由FPGA实现。
UHF-SVR是在OSMAR系统基础上研制的河流目标探测雷达系统。因为淡水的波长约为0.5m，所以UHF SVR系统的工作频率约为300-350MHz，工作于UHF频段。
UHF-SVR系统的发射信号采用线性调频体制，根据江河湖泊探测目标的要求决定扫频带宽，扫频带宽一般为5-30MHz，由此确定相应的距离分辨率为(5-30m)。
UHF-SVR系统的发射功率约为1-5w，在此基础上，SVR系统的探测目标可大于1km。
UHF-SVR系统可广泛应用于江河湖泊的表面流探测，也可用于江河湖泊表面的移动目标检测，并且可以作为OSMAR系统的软件验证平台，具有广泛的应用价值。
UHF-SVR系统具有结构简单，成本低，人力需求少等特点，根据我国多湖泊的特点，具有一定的推广应用价值。
本发明的超高频表面流雷达系统，系统工作频率为300-350MHz，接收机采用一次混频，中频为21.4MHz，数据采集系统采样率为160KHz，发射机功率为1～5w，天线系统为三元八木天线。
本发明的优点：本发明利用水流对电磁波Bragg散射的Doppler频移进行水流目标测速。具有结构简单，安装方便，对场地要求小，节省人力资源，成本低的特点。UHF-SVR系统的测试精度高，距离分辨率高，对应的频率分辨率可达10-3Hz，速度分辨率可达10-1cm/s。具有其他江河湖泊表面流检测技术无法具有的超高精度。
附图说明
图1是本发明UHF-SVR实施例的系统框图。
图2是本发明UHF-SVR实施例的时钟源和频率合成框图。
图3是本发明UHF-SVR实施例的接收通道框图。
图4是本发明UHF-SVR实施例的同步控制信号图。
图5是本发明UHF-SVR实施例的数据采集框图。
图6是本发明UHF-SVR实施例的试验结果1。
图7是本发明UHF-SVR实施例的试验结果2。
具体实施方式
UHF-SVR系统整体框图如图1所示。
UHF-SVR的发射信号由频率合成产生，此信号经过发射通道送至发射天线，发射功率为1～5w，天线面向待测河流目标，待发射信号和河流表面流相互作用产生后向散射。接收天线接收此信号后经过接收通道和本振信号发生混频，本振信号同样为频率合成产生，混频后的中频为21.4MHz。我们称此为去斜波，相干解调。相干解调后的中频信号经数据采集及处理系统进行数据处理，采样率为160KHz，采样处理后的数据经USB传送至微机系统进行后续的信号处理。
因为频率合成的频率利用率最高为40％，所以要产生高达300MHz以上的调频信号必须有1GHz左右的系统时钟。所以，我们的雷达系统还需通过PLL锁相电路产生1GHz的时钟源。
因为我们的UHF-SVR为相干系统，为了保证雷达系统的正常工作，同步控制部分为雷达系统的各个部分提供稳定、可靠的同步信号。所有信号之间必须有严格的时序关系，才能保证雷达正常工作。同步控制器由FPGA实现。利用FPGA实现的同步控制器具有实时可编程的特性。
具体的说，本发明是设计一种新型的江河湖泊表面流雷达探测系统UHF-SVR，利用水流对雷达电磁波的Bragg散射的Doppler频移进行测速。此雷达系统的发射信号和本振信号均由频率合成器产生，频率合成器的系统时钟由锁相环电路产生1GHz的系统时钟。相干混频后的中频信号为21.4MHz，解调后的中频信号由160KHz的采样信号进行采样，采样后的数据直接经数据采集系统传送至PC进行后续的信号处理。为了保证雷达系统的正常工作，由FPGA设计同步控制器以协调雷达系统的各部分工作。
如图2，是本发明UHF-SVR的时钟源和频率合成框图：在我们的UHF-SVR雷达系统中，我们采用ADI公司的专用(Directly Digital Synthesize)DDS芯片AD9858来产生线性调频信号。在AD9858的设计中，必须要有高达1GHz的时钟源。为了产生1G的系统时钟，我们用ADI公司的ADF4360-7或者AD4106来产生，可以达到我们对时钟系统的要求。所有的系统参数都可以通过控制寄存器设置。所有的模块通过统一时钟源来保证系统同步。实际工作中，我们采用ADF4106频率合成器来实现我们UHF-SVR系统的时钟源。它包含一个低噪声的数字鉴频器、高精度的电荷泵、可编程的参考分频，可编程的计数器和双端前置分频器。我们可以通过外围的环路滤波器和外加的VCO组成的锁相环实现固定频率的输出。在我们的系统设计中，应该选用温度补偿振荡器作为PLL的参考频率源，而且不需要50Ω的终端。ADF4106的电荷泵输出作为外部环路滤波器的驱动。在环路滤波器的设计中，环路固有角频率为45度。环路滤波器的输出作为VCO的驱动电压，VCO的输出反馈到锁相环的射频信号输入端，同时作为系统的时钟源输出。ADF4106的射频输入端口阻抗为50Ω，设计中要考虑的是射频输出端和频率合成器的参考输入端之间，需要加T型网络进行阻抗匹配。在我们的UHF-SVR系统中，根据河水的波长，所以系统工作频率也相应的调整为超高频。我们的发射信号为带宽5-30MHz的线性调频信号。
如图3，是本发明UHF-SVR的接收通道框图：根据微波接收机的一般原则，是在低噪声指标上提供高的选择性。在UHF雷达接收机中，降低机内噪声为主要目标，要兼顾雷达接收机的灵敏度和好的选频特性。所以，我们的接收机设计，首先要考虑的是接收机的形式。由于发射频率和本振频率很高而不好产生，所以为了降低我们的设计难度，我们选用一次混频，中频采样的方案。实际中的中频信号为21.4MHz。在微波接收机中，混频前面需要加低噪声放大器，因为混频器的噪声系数一般都比较大，而前端的滤波器一般为无源滤波器，有一定的损耗，如无此LNA，则整个系统的噪声系数将很大。而在变频前引入具有一定增益的LNA可以减弱混频器和后面基带放大器的噪声对整机的影响，从而对提高灵敏度有利。但是LNA的增益不宜太高，因为混频器是非线性器件，进入它的信号太大，会产生很多的非线性失真。所以，LNA的增益一般不超过15dB。带通滤波器用来选择工作频带，可以放在LNA之前或之后。放在后面对降低系统噪声系统有利，放在前面可以对进入LNA的信号进行预选，滤除了很多带外信号，也就减少了由于LNA的非线性引起的各种互调失真干扰。
如图4，是本发明UHF-SVR的同步控制信号图：所有的系统所需时钟信号如图所示，它们之间必须保证严格的时间关系，只有这样才能使雷达正常工作。在实际设计中，我们采用Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片。因为Spartan3中含有时钟管理单元，可以方便的进行时钟的同步、移相、分频、去抖动等。但是由于DCM的系统时钟和分频倍数的限制，我们不能完全用DCM来实现我们的同步控制器。设计中，我们使用了1个DCM模块，对FPGA的时钟进行整形和同步，在此基础上，我们对时钟进行设计。为了保证所有时钟信号的相位一致性，在所有的信号输出端采用寄存器输出的方式实现，所有的寄存器都由系统复位信号驱动。
如图5，是本发明UHF-SVR的数据采集框图：UHF-SVR系统采用的是FMCW体制，利用回波信号的频率和相位信息来提取河流参数，当回波信号和接收机本振信号混频产生高中频信号，数据采集处理系统采集此信号并进行两次傅立叶变换，就可得到各个距离元上回波信号的频率和相位信息。在UHF-SVR系统设计中，我们的数据采集系统是用ADC+FPGA+USB来实现的。高中频采样之后的数据存储在由FPGA实现的FIFO中，然后通过USB传输至微机系统进行后续的处理。在试验中，我们可以采用两种方式实现传输，一种是直接传送采集到的波形数据至PC机，在PC内完成两次FFT运算；另一种是在FPGA内完成第一次FFT，通过USB传输第一次FFT以后的数据至PC，由PC完成第二次FFT。两种方式各有优劣。对于第一种方式而言，我们可以得到最原始的数据，简化FPGA内部设计，同时对后续的去干扰等有更为实际的意义。但是，直接传送波形文件数据量较大，在传输过程中要保证传输的速度。对于第二种方式而言，第一次FFT后的数据量相比原始波形文件而言数据量很小，可以方便的进行传输。但是增加了FPGA内部的设计，加大了FPGA的资源开销。实际中，因为我们的采样率为160KHz，每个扫频周期为0.1s，数据位数为8位，对应的数据量为160KByte/s。用USB可以满足原始波形的实时传输。所以，我们采用了第一种的传数据采集方案。
如图6和图7，是本发明UHF-SVR的试验结果1，2：试验中，我们通过对发射信号的延时，模拟了一个固定距离元的河流回波信号。此信号和本振信号混频后，会在21.4MHz中频的基础上发生一个固定的频率偏移。通过对此信号的两次FFT可以得到我们需要的Doppler谱。因为我们是通过发射信号的延时来模拟回波信号，所以此模拟目标的速度为0。因为第一次FFT是对单个扫频周期做FFT变换，而第二次FFT是对多个扫频周期的第一次FFT结果做第二次FFT变换，所以对应目标速度为0的信号，每个扫频周期的第一次FFT结果都应该是完全一致的，对应的多个扫频周期的第二次FFT信号应该在零频处出现谱峰。如图所示，为单周期第一次FFT和多周期第二次FFT的结果。
根据我们的设计，我们设计的UHF-SVR系统的距离分辨率为5-30m，流速分辨率为0.5cm/s。具有其他测试方式无法比拟的超高精度。
如表1，是本发明UHF-SVR的发射和天线指标：相比于探海雷达的大功率发射机，我们的UHF-SVR系统无需很大的发射功率，发射功率仅需1～5W左右。在这里我们可以用场效应管来实现我们的功放模块，构成我们的发射通道。结合我们的信号发生器的实际情况，并且根据我们的实际需要，我们的功放和天线指标如表1所示。
表1
| 功放模块指标 | 天线系统指标 | ||
| 频率 | 300-350MHz | 天线类别 | 八木天线 |
| 增益 | 大于45dB | 型号 | TDJ-350C |
| 带内平坦度 | 小于2dB | 频率 | 300～350MHz |
| 输出功率 | 大于35dBm(1dB压缩点) | 带宽 | 50MHz |
| 输入无损功率 | 小于5dBm | 增益 | 13dBi |
| 噪声系数 | 10dB | 带内波动 | 小于2dB |
| 输出IP3 | 大于45dBm | 驻波比 | 小于2 |
| 驻波比 | 小于2 | 标称阻抗 | 50欧姆 |
| 增益控制 | 大于15dB | 极化方式 | 垂直 |
Claims (9)
1.用雷达电波探测江河湖泊表面流速的方法，其特征在于：利用水流对雷达电波布拉格Bragg散射的多普勒Doppler频移探测河水表面流的径向速度，雷达电波调频信号所用工作频段为超高频段UHF的300-350MHz；雷达电波的发射信号经过发射通道送至发射天线，天线面向待测河流目标，待发射信号和河流表面流相互作用产生后向散射；接收天线接收此信号后经过接收通道和本振信号发生混频，混频后的中频为21.4MHz；相干解调，相干解调后的中频信号经数据采集及处理系统进行数据处理，采样处理后的数据传送至微机系统进行后续的信号处理，即可得到河水表面流的径向速度。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：雷达采用一次混频结构，中频采样率为160KHz。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：信号发生部分由专用的DDS芯片实现。
4、如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：雷达的数据采集系统由ADC+FPGA+USB实现。
5、如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：雷达的同步控制器由FPGA实现。
6、江河湖泊表面流探测雷达系统，它包括收发天线系统、发射通道、接收通道、时钟源、锁相环倍频、频率合成、同步控制器、数据采集处理和微机系统，其特征在于：发射天线、发射通道、频率合成、时钟源和锁相环倍频依次电连接，接收天线、接收通道、数据采集处理和微机系统依次电连接；同步控制器分别与发射通道、频率合成、锁相环倍频、接收通道、数据采集处理电连接，雷达电波调频信号所用工作频段为超高频段UHF的300-350MHz，扫频带宽为5-30MHz。
7、如权利要求6所述的雷达系统，其特征在于：雷达采用一次混频结构，中频采样率为160KHz。
8、如权利要求6所述的雷达系统，其特征在于：时钟源和频率合成中信号发生部分采用专用DDS芯片，时钟源采用ADF4360-7或者AD4106产生1G的系统时钟，频率合成采用AD9858产生线性调频信号。
9、如权利要求6或7或8所述的雷达系统，其特征在于：雷达的同步控制器由FPGA实现。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20080507 |