CN207036216U - 一种连续调频波制雷达水位计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种连续调频波制雷达水位计，该水位计包括壳体和封装在壳体内的主控单元、雷达调制波发射单元、平面微带天线和两路雷达信号接收单元。本实用新型的水位计应用连续调频制雷达调制方式，实现大量程、大变率情况下水位的测量，具有精度高、稳定性高、功耗低、强抗干扰能力及可重复性强等特点。该水位计可独立作为高精度水位传感器使用，也可和采集终端组成智能一体化监测装置，可实现水位预警及无人值守自动化水位监测。

Description

一种连续调频波制雷达水位计

技术领域

本实用新型属液体液位观测技术领域，涉及一种连续调频波制雷达水位计。

背景技术

目前国内大量程大变率水位测量的雷达水位计主要依赖进口，以德国品牌为主，且价格昂贵。国产雷达水位计多从工业物位计改装而来，其采用的主要方法是脉冲雷达体制，利用时差法实现水位测量。根据现代雷达理论，雷达测距的分辨率正比于发送信号的带宽或时宽。由于发射功率限制，不可能同时获得较大的时宽和带宽，在大量程和水位变率较大的水位测量时，由于反射信号变得很弱，相位信息会淹没在噪声中，影响了大量程水位的测量精度和稳定性，其测量精度大多为1.0cm或2.0cm，不能满足大量程大变幅水位测量的准确度和稳定性要求。

为克服上述问题，需要研制一种新型非接触式雷达水位计，使国产雷达水位计的测量精度和稳定性达到或超过进口雷达水位计水平。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种连续调频波制雷达水位计，该水位计应用连续调频制雷达调制方式，可实现大量程、大变率情况下水位的测量，具有精度高、稳定性高、功耗低的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种连续调频波制雷达水位计，包括壳体和封装在壳体内的主控单元、雷达调制波发射单元、平面微带天线和两路雷达信号接收单元，所述雷达调制波发射单元包括依次连接的(DDS)三角波发生器、(MOD)调制器、(VCO)压控震荡器和(DISP)环形器；

雷达信号接收单元包括依次连接的(MIX)高频混频器、(AMP)一级放大器、(LPF)低通滤波器、(AMP)二级放大器和A/D转换器；

主控单元分别与雷达调制波发射单元和两路雷达信号接收单元连接；平面微带天线的发射端与雷达调制波发射单元的环形器相连，接收端与雷达信号接收单元的高频混频器相连，所述环形器的输出端还分别与两路雷达信号接收单元的高频混频器的输入端相连。

本实用新型的进一步设计在于；

还包括RTU通讯模块。

本实用新型的进一步设计还在于；

各单元布置在PCB板上，其中主控单元布置在主控板上，雷达调制波发射单元和雷达信号接收单元布置在调制板上，平面微带天线布置在雷达板上，RTU通讯模块布置在RTU板，所述雷达板、调制板、主控板和RTU板自下而上依次布置在壳体内，壳体底部对应平面微带天线位置设有防水防尘薄膜，电源接线端和RTU通讯模块的信号输出端分别引出至壳体外。

主控单元采用TMS320F28M35双核处理器。

密封壳体上设有航空插座，用于连接外接电源。

密封壳体外设有防尘防雨罩、安装支架和防雷电模块。

主控单元还设有过压、过流、抗电磁干扰保护电路。连续调频波制雷达水位计垂直安装在液位测点的上方，适用0.8-35米量程水位自动测量。壳体采用聚四氟乙烯壳体，壳体外部设有防尘防雨罩、防雷电模块和安装支架，安装支架方便安装，各个部件通过航空插座外联，具备防风、雨、尘的功能。

本实用新型相比现有技术具有如下有益效果：

本实用新型在消化吸收国外雷达水位计先进技术的基础上，针对我国水文测验特点，发明人对大量程大水位变率条件下，对于水位测量时影响测量准确度和稳定度的因素进行了深入研究，开发设计出的一种连续调频波制雷达水位计。

1、本实用新型的水位计应用连续调频制雷达调制方式，实现大量程、大变率情况下水位的测量，具有精度高、稳定性高、功耗低、强抗干扰能力及可重复性强等特点。

2、本实用新型的水位计可独立作为高精度水位传感器使用，也可和采集终端组成智能一体化监测装置，可实现水位预警及无人值守自动化水位监测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的电路原理图。

图3为本实用新型的测量原理图。

图中，1-PCB1板，2-雷达传感器，3-PCB2板，4-壳体，5-RTU板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的功能及硬件结构原理图进行详细描述。

实施例一：

如图1和图2所示，本实用新型设计一种大量程大变率高精度连续调频波制的雷达水位计，它应用连续调频制方法对液面发射微波信号；通过检测水面对微波的反射波与发射波的差频实现水位测量。本实用新型的雷达水位计包括壳体和封装在壳体内的主控单元、雷达调制波发射单元、两路雷达信号接收单元和平面微带天线，该水位计可外接12V直流电源。

图中，雷达调制波发射单元包括依次连接的(DDS)三角波发生器、(MOD)调制器、(VCO)压控震荡器和(DISP)环形器；雷达信号接收单元包括依次连接的(MIX)高频混频器、(APM)一级放大器、(LPF)低通滤波器、(APM)二级放大器和A/D转换器；主控单元采用TMS320F28M35双核处理器，包括DSP处理器、CPU处理器、FPU浮点运算器、程序存储器FLASH和RAM存储器。

主控单元分别与雷达调制波发射单元和雷达信号接收单元连接；平面微带天线的发射端与雷达调制波发射单元的环形器相连，接收端与雷达信号接收单元的高频混频器相连，所述环形器的输出端还分别与两路雷达信号接收单元的高频混频器的输入端相连。

本实用新型中，雷达信号接收单元并行布置两组，形成两个通道。两组雷达信号接收单元的输入端分别与平面微带天线的接收端连接，输出端分别与主控单元连接，环形器的输出端分别与两组高频混频器连接。两路输出幅度相同、频率相等、相位相差90°的正交信号，本实用新型采用两个正交通道可提高测量与计算速度。

本实用新型还包括RTU通讯模块，用于实现与外界的通信。

本实用新型中，各单元布置在PCB板上，其中主控单元布置在主控板上，雷达调制波发射单元和雷达信号接收单元布置在调制板上，平面微带天线布置在雷达板上，RTU通讯模块布置在RTU板，所述雷达板、调制板、主控板和RTU板自下而上依次布置在壳体内，壳体底部对应平面微带天线位置设有防水防尘(聚四氟乙烯)薄膜，电源接线端和RTU通讯模块的信号输出端分别引出至壳体外。如图1所示，PCB板采用积木式排布连接方式，以防止高频的发射单元对主控单元的影响。

DSP内的失电可保存的内存FLASH内固化了系统的软件插件，该软件插件包括系统监控插件、ADC采集处理插件、数字滤波处理插件、高精度水位信号检测算法插件、多规约通信软件插件，通过这些功能软件实现水位信息的精确评估和测算并输出到用户端。

本实用新型的工作过程如下：

雷达波调制发射单元在主控单元的控制下，通过三角波发生器产生连续调频制雷达需要的调制三角波，实时控制调制器进而控制压控微波震荡器VCO产生中心频率为24GHZ、带宽为250MHZ的微波连续调制射频信号；该射频信号通过环形器一路送到收发平面微带天线向空间辐射S1，一路送到雷达信号接收单元的高频混频器(MIX)。

S1辐射到待测水面会发生反射，在收发平面微带天线产生微波回波信号R1；R1直接送到雷达信号接收单元的高频混频器(MIX)。接收单元采用正交检波方法解调回波信号，它由(第一雷达信号接收单元)第一通道和(第二雷达信号接收单元)第二通道构成，两个通道的工作原理完全一致，现仅以第一通道为例描述。

高频混频器(MIX)将S1和R1混频检波，消除射频载波信号，经90°移相后输出S1和R1的差拍信号IQ和IF；IQ依次通过第一通道中的AMP一级放大器、LPF低通滤波处理、AMP第二放大处理后得到增益适当、线性、信噪比高的差拍信号，送到A/D转换器采集处理，IF信号的传输过程和IQ一致。

IQ和IF信号的频率变化反映了水位变化，通过主控单元完成频谱分析处理解算出IQ和IF信号中的频率值进而实现水位测量。

主控单元应用具有高速数字信号处理能力的DSP作为主控CPU，并协调调制波的产生、运放增益的自动控制、信号的AD采集和转换、数据存储、数据处理、水位测量、通信等。

主控单元的程序存储器FLASH中保存上电可运行的系统软件和处理软件，它控制AD采集器完成IQ和IF信号的采集，并将采集的数据存放到RAM中供各个功能模块作数据处理和运算，得到水位信息。

图3中F/t坐标轴中过原点的三角波表示三角波发射信号，另一个三角波表示接收器检波后中频接收信号，Fb/t坐标轴中信号表示的是收发差频信号，可见由于射频传播延迟的存在，导致收发频率有一个频率差Fb，这个频率值和目标距离正比变化。

主控单元还配置有RS485及4-20mA转换模块，用户终端可通过RS485或4-20mA接口采集水位数据。

测试实例一：

采本实用新型设计的水位计进行测试的数据如下：

利用安装在可移动的标尺上的面目标模拟水位，以激光测距仪测量数据作为真值。多次重复测试，分辨力检测时，在5m、10m、20m、30m不同水位+0.4m范围分别按步距50mm移动面目标，这里选列出10m、20m重复5次的测量数据，求得最大绝对误差和平均误差。量程变化范围0～20m、水位变率1m/min条件下进行准确度检测。

表1水位10m步距50mm的五次检测表

表2水位20m步距50mm的五次检测表

多次检测结果表明，0～20m范围时最大绝对误差为2mm，平均误差不大于1mm，分辨力优于1mm。

本实用新型主要性能和技术指标：

(1)信号输出：RS485+4-20mA输出。

(2)量程范围：0.8～35m。

(3)稳定性：<0.2％FS/年。

(4)综合误差(包括：线性、迟滞、重复性)：0.2％FS。

(5)测量精度：±3mm(0.8—35m)

(6)测量时间：20s

(7)波束角≤10°

(8)电源：9-16VDC

(9)功耗：5mA

(10)环境温度：-25°--+60°

(11)环境湿度：0-90H

(12)绝缘强度：UDC 500V≥200MΩ

(13)防护等级：IP55。

Claims (6)

1.一种连续调频波制雷达水位计，包括壳体和封装在壳体内的主控单元、雷达调制波发射单元、平面微带天线和两路雷达信号接收单元，其特征是：

所述雷达调制波发射单元包括依次连接的三角波发生器、调制器、压控震荡器和环形器；

所述雷达信号接收单元包括依次连接的高频混频器、一级放大器、低通滤波器、二级放大器和A/D转换器；

主控单元分别与雷达调制波发射单元和两路雷达信号接收单元连接；平面微带天线的发射端与雷达调制波发射单元的环形器相连，接收端与雷达信号接收单元的高频混频器相连，所述环形器的输出端还分别与两路雷达信号接收单元的高频混频器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的雷达水位计，其特征在于：还包括RTU通讯模块。

3.根据权利要求2所述的雷达水位计，其特征在于：各单元布置在PCB板上，其中主控单元布置在主控板上，雷达调制波发射单元和雷达信号接收单元布置在调制板上，平面微带天线布置在雷达板上，RTU通讯模块布置在RTU板，所述雷达板、调制板、主控板和RTU板自下而上依次布置在壳体内，壳体底部对应平面微带天线位置设有防水防尘薄膜，电源接线端和RTU通讯模块的信号输出端分别引出至壳体外。

4.根据权利要求1、2或3所述的雷达水位计，其特征是：所述主控单元采用TMS320F28M35双核处理器。

5.根据权利要求4所述的雷达水位计，其特征是：壳体上设有航空插座，用于连接外接电源。

6.根据权利要求4所述的雷达水位计，其特征是：壳体外设有防尘防雨罩、安装支架和防雷电模块。