一种测量水位和流速的设备及方法
【专利摘要】在本发明中公开了一种测量水位和流速的设备，包括主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终端。通过所述主振频率源产生高频稳度、高频纯度的基准频率信号，对所述基准频率信号进行处理之后，通过雷达天线向目标水源进行辐射，接收目标水源反射的目标回波信号，通过分析所述目标回波信号中的参数，依据预设的计算方法测量得到精确的目标水源的水位和流速。
【专利说明】_种测量水位和流速的设备及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利领域，特别涉及一种测量水位和流速的设备及方法。
【背景技术】
[0002] 在地球上多种多样的地理环境中，河流、湖泊、海洋等环境和人们的生产、生活有 着密切的联系。对于河流、湖泊、海洋等环境的水文监测，有利于研宄其变化规律，对减少自 然灾害，保障人民生命财产安全有着重要的意义。
[0003] 在对河流、湖泊、海洋等环境的水文监测中，水位和流速是两个重要的监测内容， 研制更加精确、方便的水位、流速测量方法有着重要的意义。因此亟需一种测量水位和流速 的设备及方法，对水位和流速进行精确的测量。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种测量水位和流速的设备及方法，能够对水 位和流速进行精确的测量。
[0005] 为了解决上述问题，本发明公开了一种测量水位和流速的设备，包括：
[0006] 主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收 机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
[0007] 其中：
[0008] 所述主振频率源用于产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率 合成器和定时器；
[0009] 所述频率合成器用于依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频 率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
[0010] 所述定时器用于依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变 化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信 号处理机、数据处理机和雷达终端；
[0011] 所述主振功率放大链，用于将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并 将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
[0012] 所述收/发开关，用于在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收 机，并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时， 打开所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
[0013] 所述雷达天线用于将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并 接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
[0014] 所述接收机用于对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信 号发送至所述信号处理机；
[0015] 所述信号处理机用于对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经 过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
[0016] 所述数据处理机用于依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号 中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
[0017] 所述雷达终端用于在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标 回波信号及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
[0018] 上述的设备，优选的，所述频率合成器包括：
[0019] 直接数字式频率合成器DDS和锁相环PLL。
[0020] 上述的设备，优选的，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连 续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号；
[0021] 所述频率合成器中还设置有单片机；
[0022] 所述单片机用于控制所述DDS，实现所述三角波线性调频连续波和所述单频连续 波信号的切换。
[0023] 一种测量水位和流速的方法，所述方法基于测量水位和流速的设备，所述设备包 括：
[0024] 主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收 机、信号处理机、数据处理机和雷达终端；
[0025] 所述方法包括：
[0026] 所述主振频率源产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成 器和定时器；
[0027] 所述频率合成器依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变 化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；
[0028] 所述定时器依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化， 产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处 理机、数据处理机和雷达终端；
[0029] 所述主振功率放大链，将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经 过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；
[0030] 所述收/发开关，在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并 将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开 所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机；
[0031] 所述雷达天线将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收 目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关；
[0032] 所述接收机对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发 送至所述信号处理机；
[0033] 所述信号处理机对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处 理的目标回波信号发送至所述数据处理机；
[0034] 所述数据处理机依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的 目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
[0035] 所述雷达终端在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波 信号及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
[0036] 上述的方法，优选的，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连 续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号。
[0037] 上述的方法，优选的，所述测量方法采用单片机控制直接数字式频率合成器DDS 对所述频率合成器生成所述三角波线性调频连续波或单频连续波信号进行切换。
[0038] 与现有技术相比，本发明包括以下优点：
[0039] 在本发明中公开了一种测量水位和流速的设备，包括主振频率源、频率合成器、主 振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信号处理机、数据处理机和雷达终 端。通过所述主振频率源产生高频稳度、高频纯度的基准频率信号，对所述基准频率信号进 行处理之后，通过雷达天线向目标水源进行辐射，接收目标水源反射的目标回波信号，通过 分析所述目标回波信号中的参数，依据预设的计算方法测量得到精确的目标水源的水位和 流速。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其 他的附图。
[0041] 图1是本发明的一种测量水位和流速的设备的结构示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0043] 本发明实施例提供了一种测量水位和流速的设备，其结构示意图如图1所示，包 括：
[0044] 主振频率源101、频率合成器102、主振功率放大链104、定时器103、收/发开关 105、雷达天线106、接收机107、信号处理机108、数据处理机109和雷达终端110 ;
[0045] 其中：
[0046] 所述主振频率源101用于产生高频稳度、高频谱纯度的基准频率信号；并将所述 基准频率信号发送至所述频率合成器102和定时器103 ;
[0047] 所述频率合成器102用于依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进 行频率变化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；本发明实施例中， 频率合成器102根据主振频率源101提供的基准频率信号，利用各种频率变化手段，产生发 射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号；所述频率合成器102将所述发射激励信号 发送给所述主振功率放大链104 ;将所述接收机本振信号发送至所述接收机107 ;将所述相 参基准信号发送至所述信号处理机108。
[0048] 所述定时器103用于依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频 率变化，产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所 述信号处理机108、数据处理机109和雷达终端110 ;本发明实施例中，定时器103根据主振 频率源101提供的基准频率信号，利用各种频率变化手段，产生各种同步脉冲和各种时钟 信号。所述信号处理机108、数据处理机109和雷达终端110在所述各种同步脉冲及各种时 钟信号的作用下，处于同步状态。
[0049] 所述主振功率放大链104,用于将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率， 并将经过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关；本发明实施例中，所述主 振功率放大链104将来自频率合成器102的发射激励信号逐级放大到足够的功率，经馈线 传输给收/发开关105。
[0050] 所述收/发开关105,用于在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接 收机107,并将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线106 ;并在接收到目标回 波信号时，打开所述接收机107,将所述目标回波信号传送至所述接收机107 ;本发明实施 例中，所述收/发开关105将接收和发送通路进行隔离，当发射机发送的大功率的发射激励 信号到达时，关闭接收机107 ;以防止大功率泄露信号烧坏接收机107的前端器件。所述发 射机由主振频率源101、频率合成器102和主振功率放大链104组成。
[0051] 所述雷达天线106用于将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐 射，并接收目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关105 ;
[0052] 所述接收机107用于对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回 波信号发送至所述信号处理机108 ;
[0053] 所述信号处理机108用于对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并 将经过处理的目标回波信号发送至所述数据处理机109 ;
[0054] 所述数据处理机109用于依据预设的算法，录取所述信号处理机108发送的目标 回波信号中的目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数；
[0055] 所述雷达终端110用于在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机108处 理的目标回波信号及经过所述数据处理机109处理的回波信号进行显示。
[0056] 本发明实施例中，所述的接收机107将收/发开关105发送的微弱的目标回波信 号进行放大处理，然后，将放大到一定幅度的目标回波信号送至信号处理机108 ;所述的信 号处理机108,将接收机107送来的目标回波信号进行二次处理；所述的数据处理机109根 据信号处理机108送来的目标回波信号，进行目标参数录取；包括水位和流速的测量。
[0057]本发明实施例中，所述频率合成器102中包括：
[0058] 直接数字式频率合成器DDS和锁相环PLL。
[0059] 本发明实施例中，当进行水位测量时，所述发射激励信号为三角波线性调频连续 波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号；本发明实施例中的频率合 成器102具有产生这两种波形的能力。
[0060] 所述频率合成器102中还设置有单片机；
[0061] 所述单片机用于控制所述DDS，实现所述三角波线性调频连续波和所述单频连续 波信号的切换。
[0062] 本发明实施例提供的水位与流速的测量设备中，所述的频率合成器102由直接数 字合成技术（DDS)和锁相环技术（PLL)组成，当进行水位测量时，扫频驱动电压驱动压控振 荡器（VCO)产生频率变化的电磁波，其输出在时间上按某一已知的时间函数变化，目标发 射回来的信号和发射机直接耦合过来的发射信号在混频器内混频后得到中频信号。中频信 号的频率中包含有目标的距离信息。其经过放大、滤波、测频等处理后就可得到目标距离。 本发明所涉及的基于雷达原理的水位流速的非接触式测量方法，测量结果精度较高，不易 受到周边环境的影响，适合在复杂环境下进行测量。
[0063] 本发明实施例中，发射和接收共用一个雷达天线106,通过收/发开关105完成收 发隔呙。
[0064] 本发明所涉及的水位和流速的测量设备，基于雷达原理对水位和流速进行非接触 式测量，其原理如下：
[0065] (1)雷达测距原理：
[0066] 电磁波在自由空间的传播速度约等于光速，即c= 3X108m/s，设雷达和目标的距 离为R，电磁波在雷达与目标之间的往返时间为Δt，则有
【权利要求】
1. 一种测量水位和流速的设备，其特征在于，包括： 主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信 号处理机、数据处理机和雷达终端； 其中： 所述主振频率源用于产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成 器和定时器； 所述频率合成器用于依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变 化，分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号； 所述定时器用于依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化， 产生同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处 理机、数据处理机和雷达终端； 所述主振功率放大链，用于将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经 过放大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关； 所述收/发开关，用于在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并 将所述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开 所述接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机； 所述雷达天线用于将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收 目标反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关； 所述接收机用于对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发 送至所述信号处理机； 所述信号处理机用于对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处 理的目标回波信号发送至所述数据处理机； 所述数据处理机用于依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的 目标参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数； 所述雷达终端用于在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波 信号及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述频率合成器包括： 直接数字式频率合成器DDS和锁相环PLL。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，当进行水位测量时，所述发射激励信号为 三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号； 所述频率合成器中还设置有单片机； 所述单片机用于控制所述DDS，实现所述三角波线性调频连续波和所述单频连续波信 号的切换。
4. 一种测量水位和流速的方法，其特征在于，所述方法基于测量水位和流速的设备，所 述设备包括： 主振频率源、频率合成器、主振功率放大链、定时器、收/发开关、雷达天线、接收机、信 号处理机、数据处理机和雷达终端； 所述方法包括： 所述主振频率源产生基准频率信号；并将所述基准频率信号发送至所述频率合成器和 定时器； 所述频率合成器依据预设的第一频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化， 分别产生发射激励信号、接收机本振信号和相参基准信号； 所述定时器依据预设的第二频率变化规则，对所述基准频率信号进行频率变化，产生 同步脉冲信号和时钟信号；并将所述同步脉冲信号和时钟信号分别发送至所述信号处理 机、数据处理机和雷达终端； 所述主振功率放大链，将所述发射激励信号的功率逐级放大到预设功率，并将经过放 大的发射激励信号通过馈线传输给所述收/发开关； 所述收/发开关，在接收到所述经过放大的发射激励信号时，关闭所述接收机，并将所 述经过放大的发射激励信号传输至所述雷达天线；并在接收到目标回波信号时，打开所述 接收机，将所述目标回波信号传送至所述接收机； 所述雷达天线将所述经过放大的发射激励信号定向向自由空间进行辐射，并接收目标 反射回的目标回波信号，将所述目标回波信号发送至所述收/发开关； 所述接收机对所述目标回波信号的幅度进行放大，将经过放大的目标回波信号发送至 所述信号处理机； 所述信号处理机对所述经过放大的目标回波信号进行第一处理操作，并将经过处理的 目标回波信号发送至所述数据处理机； 所述数据处理机依据预设的算法，录取所述信号处理机发送的目标回波信号中的目标 参数；所述目标参数中包括水位参数和流速参数； 所述雷达终端在同步脉冲信号的作用下，对经过所述信号处理机处理的目标回波信号 及经过所述数据处理机处理的回波信号进行显示。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当进行水位测量时，所述发射激励信号为 三角波线性调频连续波；当进行流速测量时，所述发射激励信号为单频连续波信号。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量方法采用单片机控制直接数字 式频率合成器DDS对所述频率合成器生成所述三角波线性调频连续波或单频连续波信号 进行切换。
【文档编号】G01S13/58GK104482988SQ201410851958
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】高霏, 吴玉晓, 王涛, 吴超, 李海增, 寸周阳 申请人:北京奥特美克科技股份有限公司