CN205608179U - 一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，该系统由两套雷达装置组成，雷达之间采用GPS同步，每套雷达包含天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线、主机、发射机、收发开关，其中：天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线依次连接，接收机主板分别与主机、发射机相连，发射机、收发开关和天线系统依次连接；接收机主板包含模拟前端、ADC(模数转换模块)、串口、USB模块、时钟模块、信号源以及电源模块，这些模块都分别与FPGA连接；且在FPGA内部生成NIOS ii处理器用于系统控制。本实用新型系统结构清晰，硬件电路简洁，体积小，可在野外无人值守条件下稳定工作，且系统参数配置灵活，成本低廉，具有很高的实用价值。

Description

一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统

技术领域

本实用新型属于雷达技术领域，涉及用于水文监测的装置，尤其涉及一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统。

背景技术

河流水文参数包含流速、流量等信息，其准确的测量对于水利建设意义重大。传统上对于水文参数的观测往往采用浮标法，这种方法测得的结果较为精确，但是由于是单点式测量，很难得到整个流域的表面流场分布，且测量仪器直接与海水接触，仪器的安置和维护成本很高。在过去的数十年，随着美国科学家Barrick在1972年推导出了电磁波在海洋表面的一阶散射和二阶散射截面方程，利用雷达观测表面海流的方法得到了快速的发展。海流信息可根据一阶散射截面方程，由雷达海洋回波一阶峰的偏移量计算得到，研究已经比较成熟，典型的产品有美国Codar公司研制的SeaSonde和RiverSonde。SeaSonde工作在高频波段，其距离分辨率较低，不适合河流水文观测；相对的RiverSonde工作在超高频波段，距离分辨率较高，其在河流水文观测中取得了较好的结果。

近年来，武汉大学雷达信号处理实验室在高频雷达OSMAR-S的基础上，开发了超高频雷达系统(专利号：201520806406.9)，并在汤逊湖、汉江、中国东海沿海等地做了验证性实验；该系统工作频段在340MHz，工作带宽15MHz，距离分辨率10米，最大可测流速为4.1m/s，最大可探测距离为5Km，但是由于其是单站式雷达系统，只能得到径向的流速信息，因此实用意义不大。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本实用新型提供一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，包括两套雷达装置，两套雷达装置结构相同且两者通过GPS信号同步，所述雷达装置包括天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线、主机、发射机、收发开关；天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线依次连接，接收机主板分别与主机、发射机相连；发射机、收发开关、天线系统依次连接；所述接收机主板包括模拟前端、模数转换模块ADC、串口、USB模块、时钟模块、信号源以及电源模块，模拟前端与模数转换模块ADC连接，模数转换模块ADC、串口、USB模块、时钟模块、信号源以及电源模块分别与FPGA连接，在FPGA内部生成用于系统控制的NIOS ii处理器。

所述天线系统包含两个接收天线和一个收发共用天线，天线安装方式是均匀线阵，天线间距为半波长；天线均采用八木天线，天线中心频率340MHz，带宽20Mhz，波束宽度为90度。

所述模拟前端包括三个通道，每个通道均包括依次连接的接收开关、射频放大器和射频带通滤波器；接收开关用于保护接收机，防止直达波过强阻塞接收机，射频放大器采用两级放大，总增益为40dB，带通滤波器的中心频率是340Mhz，带宽是15MHz；模拟前端集成在接收机主板上。

所述信号源包括DDS芯片AD9910、射频放大器和射频带通滤波器。

所述时钟模块包括数字锁相环芯片SI5324和时钟缓冲芯片；GPS模块输出的伺服时钟经过数字锁相环芯片产生两路时钟，一路作为信号源的参考时钟，一路作为时钟缓冲芯片的输入，时钟缓冲芯片输出4路时钟，其中3路用于模数转换模块时钟，1路作为FPGA系统时钟。

所述主机通过串口和USB模块的接口与接收机主板相连，其中USB模块的接口用于接收雷达回波数据，串口用于配置雷达系统。

所述电源模块包括开关电源和线性电源，开关电源用于为FPGA、USB模块、串口供电，线性电源用于为ADC、信号源、模拟前端供电。

所述的FPGA为ALTERA公司的CYCLONE V系列，并在其内部生成了NIOS II处理器作为接收机的控制核心，系统所有的数字信号处理均在FPGA中实现。

所述的GPS模块型号是Trimble公司提供的ThunderBolt E系列，其输出10MHz伺服时钟作为系统的时钟源，同时输出接收到的卫星同步信号使两个雷达同步，NIOS ii处理器通过串口和GPS模块通信，获取当前时间信息。

所述发射机功率为1瓦，增益为30dB，收发开关隔离度为70dB，切换速度为15纳秒。

本实用新型结构简单、体积小、成本低、易于实现；其中主要部分基本都集成在接收机主板上，因此安装简单，系统稳定性高；采用技术成熟的GPS进行双站雷达系统的同步，没有技术保密性；且系统完全可以工作在无人值守的野外，只需为系统配置太阳能发电装置即可，这在拥有众多河流的我国有很大的市场潜力。

附图说明

图1为本实用新型中一套雷达装置的结构简图。

图2为本实用新型的模拟前端结构图。

图3为本实用新型的时钟模块结构图。

图4为本实用新型实施例的河流表面回波多普勒谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

如图1所示，本实用新型由两套雷达装置组成，雷达之间采用GPS同步，每套雷达的内部结构如图1所示，包含天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线、主机、发射机、收发开关，其中：天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线依次连接，接收机主板分别与主机、发射机相连，发射机、收发开关和天线系统依次连接；接收机主板包含模拟前端、ADC(模数转换模块)、串口、USB模块、时钟模块、信号源以及电源模块，这些模块都分别与FPGA连接；且在FPGA内部生成NIOS ii处理器用于系统控制。

FPGA为ALTERA公司的CYCLONE V系列，并在其内部生成了NIOS II处理器作为接收机的控制核心，系统所有的数字信号处理均在FPGA中实现。天线系统包含两个接收天线和一个收发共用天线，天线安装方式是均匀线阵，天线间距为半波长；天线均采用八木天线，天线中心频率340MHz，带宽20Mhz，波束宽度为90度。GPS模块型号是Trimble公司提供的ThunderBolt E系列，其输出10MHz伺服时钟作为系统的时钟源，同时输出同步信号来同步双站雷达系统，NIOS ii处理器通过串口和GPS模块通信，获取当前时间信息。

如图2所示，模拟前端总共有三个通道，每个通道均由接收开关、射频放大器和射频带通滤波器组成，接受开关用于保护接收机，防止直达波过强阻塞接收机，射频放大器采用两级放大，总增益为40dB，带通滤波器的中心频率是340Mhz，带宽是15MHz。模拟前端被集成在了接收机主板上，减少了模块间的连线，提高了系统稳定性。信号源由DDS芯片AD9910、射频放大器和射频带通滤波器组成，FPGA可控制器输出各种雷达波形。

如图3所示，时钟模块由数字锁相环芯片SI5324和时钟缓冲芯片组成；GPS模块输出的伺服时钟经过数字锁相环芯片产生两路时钟，一路作为信号源的参考时钟，一路作为时钟缓冲芯片的输入，时钟缓冲芯片输出4路时钟，其中3路用于ADC(模数转换模块)，1路作为FPGA系统时钟。发射机功率为1瓦，增益为30dB，收发开关隔离度为70dB，切换速度为15纳秒。主机通过串口和USB接口和接收机主板相连，其中USB接口用于接收雷达回波数据，串口用于配置雷达系统。电源模块由开关电源和线性电源组合而成，开关电源用于为FPGA、USB模块、串口等模块供电，线性电源用于为ADC、信号源、模拟前端等模块供电。

本实施例中：

FPGA配置信号源输出中心频率为340MHz，带宽为15MHz的线性扫频信号，信号功率为0dBm，经过发射机放大后的信号功率为30dBm，再由收发开关控制收发时序，经过发射天线朝向河流发射；同时，接收天线收到来自河流的回波，通过模拟前端放大40dB后由ADC转换为数字信号，在FPGA中实现解调和下变频，在通过USB上传到主机，在主机中经过2次FFT变换后得到多普勒信息，如图4是本实施例的河流表明回波多普勒谱(不同风速下)。

主机在得到多普勒信息后，在使用MUSIC算法对回波方位进行估计，结合Barrick提出的水面散射一阶理论即可得到单站的径向流场，最后将两个雷达得到的径向流场矢量合成后即可得到河流的流速信息，对流速信息关于时间积分即可得到流量信息。

Claims (10)

1.一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：

包括两套雷达装置，两套雷达装置结构相同且两者通过GPS信号同步，所述雷达装置包括天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线、主机、发射机、收发开关；天线系统、接收机主板、GPS模块、GPS天线依次连接，接收机主板分别与主机、发射机相连；发射机、收发开关、天线系统依次连接；所述接收机主板包括模拟前端、模数转换模块ADC、串口、USB模块、时钟模块、信号源以及电源模块，模拟前端与模数转换模块ADC连接，模数转换模块ADC、串口、USB模块、时钟模块、信号源以及电源模块分别与FPGA连接，在FPGA内部生成用于系统控制的NIOS ii处理器。

2.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述天线系统包含两个接收天线和一个收发共用天线，天线安装方式是均匀线阵，天线间距为半波长；天线均采用八木天线，天线中心频率340MHz，带宽20Mhz，波束宽度为90度。

3.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述模拟前端包括三个通道，每个通道均包括依次连接的接收开关、射频放大器和射频带通滤波器；接收开关用于保护接收机，防止直达波过强阻塞接收机，射频放大器采用两级放大，总增益为40dB，带通滤波器的中心频率是340Mhz，带宽是15MHz；模拟前端集成在接收机主板上。

4.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述信号源包括DDS芯片AD9910、射频放大器和射频带通滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述时钟模块包括数字锁相环芯片SI5324和时钟缓冲芯片；GPS模块输出的伺服时钟经过数字锁相环芯片产生两路时钟，一路作为信号源的参考时钟，一路作为时钟缓冲芯片的输入，时钟缓冲芯片输出4路时钟，其中3路用于模数转换模块时钟，1路作为FPGA系统时钟。

6.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述主机通过串口和USB模块的接口与接收机主板相连，其中USB模块的接口用于接收雷达回波数据，串口用于配置雷达系统。

7.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述电源模块包括开关电源和线性电源，开关电源用于为FPGA、USB模块、串口供电，线性电源用于为ADC、信号源、模拟前端供电。

8.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述的FPGA为ALTERA公司的CYCLONE V系列。

9.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述的GPS模块型号是Trimble公司提供的ThunderBolt E系列，其输出10MHz伺服时钟作为系统的时钟源，同时输出接收到的卫星同步信号使两个雷达同步，NIOS ii处理器通过串口和GPS模块通信，获取当前时间信息。

10.根据权利要求1所述的一种用于水文监测的双站式超高频雷达系统，其特征在于：所述发射机功率为1瓦，增益为30dB，收发开关隔离度为70dB，切换速度为15纳秒。