CN211425587U - 基于毫米波雷达的水位流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于毫米波雷达的水位流量测量装置。该基于毫米波雷达的水位流量测量装置包括对水位进行测量的第一毫米波雷达传感器、对单位时间内的流量进行测量的第二毫米波雷达传感器、对采集到的信号进行接收的控制器和将采集到的信号对外发送的通讯接口电路，第一毫米波雷达传感器和第二毫米波雷达传感器均设置于河道的上方，第一毫米波雷达传感器的测量信号输出端和第二毫米波雷达传感器的测量信号输出端均与控制器的测量信号接收端电性连接，控制器的测量信号输出端通过通讯接口电路与监控中心内的计算机通信连接。本申请解决了对河道的水位和流量测量难度大、精度低、成本高的技术问题。

Description

基于毫米波雷达的水位流量测量装置

技术领域

本申请涉及河流水位监测技术领域，具体而言，涉及一种基于毫米波雷达的水位流量测量装置。

背景技术

现阶段，对河道中水位和流量的测量主要有三种方法：

一、采用超声波缆道测流或者走航测验技术等技术测流；

二、研发水力学、水文学模型的水位推算流量的方法实现水位推算流量方法；

三、利用旋浆式或旋杯式机械流速计采用人工的方式对断面多个点进行测流。

但是，现有的测量方法中仍然存在多种缺陷和不足：

一、传统的测流方法多以单次测流或者人工测流为主，测流时间长、测流精度低，需要耗费工作人员大量测量时间，费时费力，大大降低工作人员的工作效率；

二、传统的测流方法无法全天候实时监测，而且会受到天气和光照影响；

三、传统的测流方法需要对流速和水位进行分别测量，集成度和自动化程度低；

四、传统的测流方法中的超声波测量技术易受环境温度、悬浮物干扰，造成测量误差大，无法对水位和流量进行精准的测量；

五、传统的测流方法中的缆道测流或者走航测验技术，安装、测量和操作复杂，需要投入大量的人力和物力，成本高，实施难度大；

六、传统的测流方法中对测量断面的要求高，且需要规则的断面参数，实施难度大。

针对相关技术中对河道的水位和流量测量难度大、精度低、成本高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种基于毫米波雷达的水位流量测量装置，以解决对河道的水位和流量测量难度大、精度低、成本高的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种基于毫米波雷达的水位流量测量装置。

根据本申请的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，包括：对水位进行测量的第一毫米波雷达传感器、对单位时间内的流量进行测量的第二毫米波雷达传感器、对采集到的信号进行接收的控制器和将采集到的信号对外发送的通讯接口电路，其中：

所述第一毫米波雷达传感器和所述第二毫米波雷达传感器均设置于河道的上方，所述第一毫米波雷达传感器的测量信号输出端和所述第二毫米波雷达传感器的测量信号输出端均与所述控制器的测量信号接收端电性连接，所述控制器的测量信号输出端通过所述通讯接口电路与监控中心内的计算机通信连接。

进一步的，所述第一毫米波雷达传感器上设置有控制所述第一毫米波雷达传感器工作状态的第一高速射频开关，所述第二毫米波雷达传感器上设置有控制所述第二毫米波雷达传感器工作状态的第二高速射频开关。

进一步的，所述基于毫米波雷达的水位流量测量装置还包括测量所述第一毫米波雷达传感器和所述第二毫米波雷达传感器安装姿态以及水平角度的MEMS倾角传感器，所述MEMS倾角传感器的测量信号输出端与所述控制器的测量信号接收端电性连接。

进一步的，所述基于毫米波雷达的水位流量测量装置还包括电源、降压电路和稳压器，所述电源的供电端与所述控制器的电源端电性连接，所述电源与所述控制器之间串联有降压电路和稳压器。

进一步的，所述电源为太阳能充电电池或者蓄电池；所述降压电路为DC/DC降压电路；所述稳压器为低压差线性稳压器。

进一步的，所述控制器的控制信号输出端与所述第一毫米波雷达传感器的控制信号输出端之间依次设置有第一锁相环、第一信号调制器和第一功率放大器。

进一步的，所述控制器的控制信号输出端与所述第二毫米波雷达传感器的控制信号输出端之间依次设置有第二锁相环、第二信号调制器和第二功率放大器。

进一步的，所述第一毫米波雷达传感器的测量信号输出端与所述控制器的测量信号接收端之间依次设置有第一低噪声放大器、第一低通滤波器和第一高速ADC电路。

进一步的，所述第二毫米波雷达传感器的测量信号输出端与所述控制器的测量信号接收端之间依次设置有第二低噪声放大器、第二低通滤波器和第二高速ADC电路。

进一步的，所述通讯接口电路为RS485接口电路。

在本申请实施例中，将第一毫米波雷达传感器和第二毫米波雷达传感器均设置有河道的上方，通过第一毫米波雷达传感器对河道的水位进行测量，通过第二毫米波雷达传感器对单位时间内河道的流量进行测量，第一毫米波雷达传感器的测量信号输出端和第二毫米波雷达传感器的测量信号输出端均与控制器的测量信号接收端电性连接，控制器的测量信号输出端通过通讯接口电路与监控中心内的计算机通信连接，通过控制器将水位信号和流量信号传输至监控中心内，集成度高，第一毫米波雷达传感器和第二毫米波雷达传感器均采用77G毫米波雷达传感器，具有高带宽和高分辨率的特性，极大提高了测量精度和抗干扰能力，并可全天候对河道的水位和流量进行实时监测，大大提高了测量的精确度和自动化程度，进而解决了对河道的水位和流量测量难度大、精度低、成本高的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型基于毫米波雷达的水位流量测量装置的结构框图。

图2是本实用新型基于毫米波雷达的水位流量测量装置中第一功率放大器和第二功率放大器的电路图；

图3是本实用新型基于毫米波雷达的水位流量测量装置中第一低噪声放大器和第二低噪声放大器的电路图；

图4是本实用新型基于毫米波雷达的水位流量测量装置中第一高速ADC电路和第二高速ADC电路的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请涉及一种基于毫米波雷达的水位流量测量装置，该基于毫米波雷达的水位流量测量装置包括第一毫米波雷达传感器1、第二毫米波雷达传感器2、控制器3和通讯接口电路5，第一毫米波雷达传感器1用于对水位进行测量，第二毫米波雷达传感器2用于对单位时间内的流量进行测量，控制器3用于对采集到的信号进行接收，通讯接口电路5用于将采集到的信号对外发送。其中：第一毫米波雷达传感器1和第二毫米波雷达传感器2均设置于河道的上方，第一毫米波雷达传感器1的测量信号输出端和第二毫米波雷达传感器2的测量信号输出端均与控制器3的测量信号接收端电性连接，控制器3的测量信号输出端通过通讯接口电路5与监控中心内的计算机通信连接。

本实用新型通过第一毫米波雷达传感器1对河道的水位进行测量，通过第二毫米波雷达传感器2对单位时间内河道的流量进行测量，第一毫米波雷达传感器1的测量信号输出端和第二毫米波雷达传感器2的测量信号输出端均与控制器3的测量信号接收端电性连接，控制器3的测量信号输出端通过通讯接口电路5与监控中心内的计算机通信连接，通过控制器3将水位信号和流量信号传输至监控中心内，集成度高，第一毫米波雷达传感器1和第二毫米波雷达传感器2均采用77G毫米波雷达传感器，具有高带宽和高分辨率的特性，极大提高了测量精度和抗干扰能力，并可全天候对河道的水位和流量进行实时监测，大大提高了测量的精确度和自动化程度。

进一步的，如图1所示，第一毫米波雷达传感器1上设置有第一高速射频开关101，第二毫米波雷达传感器2上设置有第二高速射频开关201，通过第一高速射频开关101控制第一毫米波雷达传感器1工作状态，从而控制第一毫米波雷达传感器1对雷达波收发信号的切换，通过第二高速射频开关201控制第二毫米波雷达传感器2工作状态，从而控制第二毫米波雷达传感器2对雷达波收发信号的切换。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，基于毫米波雷达的水位流量测量装置还包括测量MEMS倾角传感器4，MEMS倾角传感器4的测量信号输出端与控制器3的测量信号接收端电性连接，MEMS倾角传感器4用于对第一毫米波雷达传感器1和第二毫米波雷达传感器2的安装姿态以及水平角度进行测量，并可通过MEMS倾角传感器4对速度矢量进行换算。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，基于毫米波雷达的水位流量测量装置还包括电源6、降压电路7和稳压器8，电源6用于向控制器3进行供电，电源6的供电端与控制器3的电源端电性连接，电源6与控制器3之间串联有降压电路7和稳压器8。通过稳压器8保证电源6供电的稳定性，并通过降压电路7对供电电压进行调整，保证对控制器3的稳定供电。

进一步的，电源6可为但不限于太阳能充电电池或者蓄电池(12V)；降压电路7可为但不限于DC/DC降压电路；稳压器8可为但不限于低压差线性稳压器。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，控制器3的控制信号输出端与第一毫米波雷达传感器1的控制信号输出端之间依次设置有第一锁相环11、第一信号调制器10和第一功率放大器9。通过第一锁相环11稳定信号的传输频率，防止由于温度和环境的变化对信号传出的稳定性造成影响，避免信号性能漂移的问题。通过第一信号调制器10对发射信号进行调制，采用FMCW调制技术，提升信号的分辨率和测量精度。通过第一功率放大器9对发射信号的功率进行放大。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，控制器3的控制信号输出端与第二毫米波雷达传感器2的控制信号输出端之间依次设置有第二锁相环17、第二信号调制器16和第二功率放大器15。通过第二锁相环17稳定信号的传输频率，防止由于温度和环境的变化对信号传出的稳定性造成影响，避免信号性能漂移的问题。通过第二信号调制器16对发射信号进行调制，采用FMCW调制技术，提升信号的分辨率和测量精度。通过第二功率放大器15对发射信号的功率进行放大。

进一步的，通讯接口电路5可为但不限于RS485接口电路。

进一步的，第一锁相环11和第二锁相环17均可为但不限于PLL锁相环。

进一步的，如图2所示，第一功率放大器9和第二功率放大器15均为功率放大电路，第一功率放大器9和第二功率放大器15均可采用但不限于现有的功率放大电路，能够实现对发生信号的功率放大功能即可。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，第一毫米波雷达传感器1的测量信号输出端与控制器3的测量信号接收端之间依次设置有第一低噪声放大器12、第一低通滤波器13和第一高速ADC电路14。通过第一低噪声放大器12提升信噪比，提高信号的清晰度。通过第一低通滤波器13对信号中的杂波进行滤除。通过第一高速ADC电路14将采集到的模拟信号转换为数字信号，从而便于控制器3接收和处理。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，第二毫米波雷达传感器2的测量信号输出端与控制器3的测量信号接收端之间依次设置有第二低噪声放大器18、第二低通滤波器19和第二高速ADC电路20。通过第二低噪声放大器18提升信噪比，提高信号的清晰度。通过第二低通滤波器19对信号中的杂波进行滤除。通过第二高速ADC电路20将采集到的模拟信号转换为数字信号，从而便于控制器3接收和处理。

进一步的，如图3所示，第一低噪声放大器12和第二低噪声放大器18均为LNA低噪声放大电路，第一低噪声放大器12和第二低噪声放大器18均可采用但不限于现有的LNA低噪声放大电路，能够实现提升信噪比的功能即可。

进一步的，如图4所示，第一高速ADC电路14和第二高速ADC电路20均为24位的高速ADC电路，第一高速ADC电路14和第二高速ADC电路20均可采用但不限于现有的高速ADC电路，能够在模拟信号与数字信号之间进行转换即可。

进一步的，控制器3可为但不限于UPFC控制器。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

一、该基于毫米波雷达的水位流量测量装置采用了77G毫米波雷达传感器，相比于超声波和24G雷达，其带宽大，距离和速度分辨率高，抗干扰能力强，不受外界环境温湿度、雨雾等影响，可以全天候工作，同时集成了MEMS倾角传感器4，自动进行角度测量补偿。

二、该基于毫米波雷达的水位流量测量装置采用毫米波雷达传感器，通过自带的微带阵列天线可支持同向分量和正交分量信号，可以区分速度的方向，且支持自动增益控制(即：AGC)，并且具有很小的波束角和低功耗，很适合长期野外使用。

三、该基于毫米波雷达的水位流量测量装置集成了毫米波雷达传感器对水位和流量进行测量，提升设备的集成度，减少二次测量的工作量，降低工作人员的劳动强度，提高工作效率。

四、该基于毫米波雷达的水位流量测量装置采用了低功耗及太阳能供电技术，实现免维护，无人化值守，大量节省人力投入。

五、该基于毫米波雷达的水位流量测量装置集成了流量、水位以及倾角自动补偿，采用RS485接口进行通讯，支持MODBUS协议，易于系统集成，使用方便。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，包括：对水位进行测量的第一毫米波雷达传感器(1)、对单位时间内的流量进行测量的第二毫米波雷达传感器(2)、对采集到的信号进行接收的控制器(3)和将采集到的信号对外发送的通讯接口电路(5)，其中：

所述第一毫米波雷达传感器(1)和所述第二毫米波雷达传感器(2)均设置于河道的上方，所述第一毫米波雷达传感器(1)的测量信号输出端和所述第二毫米波雷达传感器(2)的测量信号输出端均与所述控制器(3)的测量信号接收端电性连接，所述控制器(3)的测量信号输出端通过所述通讯接口电路(5)与监控中心内的计算机通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述第一毫米波雷达传感器(1)上设置有控制所述第一毫米波雷达传感器(1)工作状态的第一高速射频开关(101)，所述第二毫米波雷达传感器(2)上设置有控制所述第二毫米波雷达传感器(2)工作状态的第二高速射频开关(201)。

3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述基于毫米波雷达的水位流量测量装置还包括测量所述第一毫米波雷达传感器(1)和所述第二毫米波雷达传感器(2)安装姿态以及水平角度的MEMS倾角传感器(4)，所述MEMS倾角传感器(4)的测量信号输出端与所述控制器(3)的测量信号接收端电性连接。

4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述基于毫米波雷达的水位流量测量装置还包括电源(6)、降压电路(7)和稳压器(8)，所述电源(6)的供电端与所述控制器(3)的电源端电性连接，所述电源(6)与所述控制器(3)之间串联有降压电路(7)和稳压器(8)。

5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述电源(6)为太阳能充电电池或者蓄电池；所述降压电路(7)为DC/DC降压电路；所述稳压器(8)为低压差线性稳压器。

6.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述控制器(3)的控制信号输出端与所述第一毫米波雷达传感器(1)的控制信号输出端之间依次设置有第一锁相环(11)、第一信号调制器(10)和第一功率放大器(9)。

7.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述控制器(3)的控制信号输出端与所述第二毫米波雷达传感器(2)的控制信号输出端之间依次设置有第二锁相环(17)、第二信号调制器(16)和第二功率放大器(15)。

8.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述第一毫米波雷达传感器(1)的测量信号输出端与所述控制器(3)的测量信号接收端之间依次设置有第一低噪声放大器(12)、第一低通滤波器(13)和第一高速ADC电路(14)。

9.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述第二毫米波雷达传感器(2)的测量信号输出端与所述控制器(3)的测量信号接收端之间依次设置有第二低噪声放大器(18)、第二低通滤波器(19)和第二高速ADC电路(20)。

10.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的水位流量测量装置，其特征在于，所述通讯接口电路(5)为RS485接口电路。

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