CN211013155U - 一种77GHz平面雷达水位计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种77GHz平面雷达水位计，包括壳体和集成在壳体内部的平面微带天线、毫米波雷达处理单元以及主控单元；所述的平面微带天线与毫米波处理单元集成在雷达PCB电路板4上，PCB表层使用高频板材；所述的主控单元集成主控PCB电路板5上，两块电路板通过板对板连接器相连接，通过电路板四周的定位孔固定在壳体中。本实用新型具有体积小，稳定性高，功耗低等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于水文仪器领域，具体涉及一种77GHz平面雷达水位计。
背景技术
雷达水位计是一种采用雷达技术实现水位测量的水文仪器，测量时不受温度梯度、水流流速、水中污染物及沉淀物的影响，具有完全非接触的特点，同时在精度上高于机械式或压力式水位计，在不方便建水位井及需要高精度数据时有着很强的应用需求。
目前国内的雷达水位计大都是24GHZ的脉冲雷达水位计，此类雷达水位计主要是利用雷达脉冲发送接收的时差进行测距。完整的毫米波雷达系统包括发送(TX)和接收(RX)射频(RF)组件，以及时钟等模拟组件，还有模数转换器(ADC)、微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)等数字组件。过去，这些系统都是通过分立式组件实现的，这增加了功耗和总体系统成本，其复杂性和高频率要求使得系统设计颇具挑战性。为了解决上述问题，需要研制一款体积小，稳定性高，功耗低的77GHZ、FMCW平面雷达水位计十分有意义。
实用新型内容
本实用新型的目的是为解决现有技术的不足，提供一种77GHz平面雷达水位计。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：一种77GHz平面雷达水位计，包括壳体和集成在壳体内部的平面微带天线、毫米波雷达处理单元以及主控单元；所述的平面微带天线与毫米波处理单元集成在雷达PCB电路板上，PCB表层使用高频板材；所述的主控单元集成主控PCB电路板上，两块电路板通过板对板连接器相连接，通过电路板四周的定位孔固定在壳体中。
作为本实用新型的一种改进，所述的壳体包括壳身，在壳身的顶部设置有顶盖，所述的顶盖与壳身之间通过密封圈进行密封，在壳身的底部设有两个航空插头，一个引出电源和通信线，另一个引出调试线。
作为本实用新型的一种改进，所述的壳体外部设备有二维万向节支架，用于调整雷达水位计水平角度。
作为本实用新型的一种改进，所述的平面微带天线采用4x4阵列单元的矩阵天线，波束宽度约为14°x14°。
作为本实用新型的一种改进，所述的主控单元包括STM32L151C8T6，还包括加速度传感器LSM6DS0以及通信芯片MAX3485；主控单元集成了电源管理系统PMIC。
作为本实用新型的一种改进，所述的毫米波雷达处理单元包括毫米波传感器IWR1642。
有益效果：
本实用新型的雷达水位计使用调频连续波(FMCW)的毫米波技术，实现大量程，大流速，大变化情况下的水位测量。
本实用新型雷达水位计采用一体化设计，集成度高，主要使用CMOS芯片构成，具有精确
度高、功耗低、稳定性高、抗干扰能力强以及使用寿命长等特点。
本实用新型的雷达水位计外壳采用铝合金材质，尺寸为9cm×9cm×6cm，质量轻，易于集成安装。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的功能结构图；
图3为板载平面微带天线示意图；
图4为调频雷达波测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1到图4所示，本实用新型公开了一种77GHz平面雷达水位计，包括壳体和集成在壳体内部的平面微带天线、毫米波雷达处理单元以及主控单元；所述的平面微带天线与毫米波处理单元集成在雷达PCB电路板4上，PCB表层使用高频板材；所述的主控单元集成主控PCB电路板5上，两块电路板通过板对板连接器相连接，通过电路板四周的定位孔固定在壳体中。
所述的壳体包括壳身1，整个壳体的壳身1部分采用铝合金，在壳身1的顶部设置有顶盖3，所述的顶盖3与壳身1之间通过密封圈2进行密封，达到防尘防水的效果。在壳身1的底部设有两个航空插头，一个引出电源和通信线，另一个引出调试线。所述的壳体外部设备有二维万向节支架，用于调整雷达水位计水平角度。
毫米波雷达处理单元主要采用毫米波传感器IWR1642，是一款能够在76至81GHz频带中运行且基于FMCW雷达技术的集成式单芯片毫米波传感器，具有高达4GHz的连续线性调频脉冲，该器件采用TI的低功耗45nm、RFCMOS工艺进行构建，并且此解决方案在极小的封装中实现了前所未有的集成度。毫米波雷达处理单元包括三角波发生器(DDS)、调制器(MOD)、压控振荡器(VCO)、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、正交混频器(MIX)、中频滤波器(IFF)、抽取滤波器(DFC)、高速A/D转换器以及DSP处理器，如下图所示。
主控单元主要采用STM32L151C8T6，还包括加速度传感器LSM6DS0以及通信芯片MAX3485。主控单元集成了电源管理系统(PMIC)，具有过压、过流断电保护功能。
雷达水位计使用的天线是PCB板载平面微带天线，雷达波的频率越高，平面微带天线的阵列单元就越小，间隔也就越小，这样有效的减少了矩阵天线的面积，也就缩小了产品的体积。本板载平面微带天线使用的是4x4阵列单元的矩阵天线，波束宽度约为14°x14°，板载平面微带天线示意图如图3所示。
工作过程：
毫米波雷达处理单元中的DSP的代码存储在FLASH中，DSP通电运行时从FLASH中将代码读取到RAM中，然后通过RAM运行相关程序，主要包括快速傅里叶变换算法、数字滤波算法、高精度水位计算算法。主控单元中ARM的代码存在自带的FLASH中，直接通过FLASH运行相关程序，ARM自带了EEPROM，用于保存485通讯相关的参数，包括485通讯地址，通讯的波特率等。
主控单元向毫米波雷达处理单元发出开始测量命令，毫米波雷达处理单元内部的ARM控制三角波发生器(DDS)开始产生锯齿波，通过调制器(MOD)调制成压控振荡器(VCO)所需要的调制锯齿波，实时控制压控振荡器VCO产生中心频率为79GHz，带宽为4GHz的线性调频脉冲信号，经过功率放大器(PA)进行信号放大，发送到TX所对应的平面微带天线。
线性调频脉冲信号遇到水面会发生反射，产生反射波会被平面微带天线的RX天线接收，RX接收到的线性调频脉冲信号通过低噪声放大器(LNA)，之后通过正交混频器(MIX)分别与TX发射线性调频脉冲信号合成一个中频(IF)信号，通过中频滤波器(IFF)滤掉干扰信号，然后进入到ADC转换器进行模数转换。
ADC转换器与抽取滤波器(DFC)相连接，把接收到模拟信号先一步数字化，将采样得到的高速率信号变成低速率基带信号，减轻DSP的运算负担。
具有高速数字信号处理能力的DSP从抽取滤波器(DFC)取得数据进行运算，进而得到中频(IF)信号的频率。
在此忽略中频(IF)信号的频率与物体速度的依赖关系，在快速FMCW雷达中，其影响通常非常小，且在处理完成快速傅里叶变换后，即可对其进行进一步校正。中频(IF)信号的频率与距离成正比，频率的变化反映距离的变化，当距离不变时(IF)信号是恒定不变的。图4中上部分图为检测到的单个物体的TX和RX线性调频脉冲作为时间的函数，下部分图为恒定的(IF)信号，起始频率为77GHz，终止频率为81GHz，带宽为4GHz，持续时间为Tc，延时为τ，通过检测物体的距离与光速计算得到。
主控单元将得到水位数据保存到EEPROM中，用户可以通过485接口采集到水位数据。
实验测试：
使用本雷达水位计测试的数据如下：
将雷达水位计安装在可移动的标尺轨道的一端，标尺上固定一平面代替水面，移动标尺模拟水位的变化，使用激光测距仪测量的数据作为标准值。进行多次重复实验，在0-10m范围内，按步进50cm进行三次实验，求得最大绝对值误差和平均值误差，检测数据表如下(单位cm)。
实验结果表明，在0-10m内实验量程范围内，最大误差和平均误差均小于1cm，符合行业标准。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (6)
1.一种77GHz平面雷达水位计，其特征在于：包括壳体和集成在壳体内部的平面微带天线、毫米波雷达处理单元以及主控单元；所述的平面微带天线与毫米波处理单元集成在雷达PCB电路板上，PCB表层使用高频板材；所述的主控单元集成主控PCB电路板上，两块电路板通过板对板连接器相连接，通过电路板四周的定位孔固定在壳体中。
2.根据权利要求1所述的一种77GHz平面雷达水位计，其特征在于：所述的壳体包括壳身，在壳身的顶部设置有顶盖，所述的顶盖与壳身之间通过密封圈进行密封，在壳身的底部设有两个航空插头，一个引出电源和通信线，另一个引出调试线。
3.根据权利要求1所述的一种77GHz平面雷达水位计，其特征在于：所述的壳体外部设备有二维万向节支架，用于调整雷达水位计水平角度。
4.根据权利要求1所述的一种77GHz平面雷达水位计，其特征在于：所述的平面微带天线采用4x4阵列单元的矩阵天线，波束宽度约为14°x14°。
5.根据权利要求1所述的一种77GHz平面雷达水位计，其特征在于：所述的主控单元包括STM32L151C8T6，还包括加速度传感器LSM6DS0以及通信芯片MAX3485；主控单元集成了电源管理系统PMIC。
6.根据权利要求1所述的一种77GHz平面雷达水位计，其特征在于：所述的毫米波雷达处理单元包括毫米波传感器IWR1642。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201922481146.3U CN211013155U (zh) | 2019-12-31 | 2019-12-31 | 一种77GHz平面雷达水位计 |
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| CN211013155U true CN211013155U (zh) | 2020-07-14 |
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| CN201922481146.3U Active CN211013155U (zh) | 2019-12-31 | 2019-12-31 | 一种77GHz平面雷达水位计 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113514130A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-10-19 | 成都万江港利科技股份有限公司 | 一种非接触式雷达水位测量装置 |
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2019
- 2019-12-31 CN CN201922481146.3U patent/CN211013155U/zh active Active
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