一种用于测量河道表面流速的手持式雷达的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于测量河道表面流速的手持式雷达，包括：雷达模块，用于向河道液面发送第一雷达波并接收液面反射的第二雷达波，以产生多普勒差频信号；处理模块，用于获取第一雷达波入射液面的角度，并结合多普勒差频信号输出表面流速；以及显示模块，用于显示表面流速。相比于现有技术，本发明的手持式雷达仅根据雷达模块所发射的雷达波以及波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速。该手持式雷达能够以非接触方式测量表面流速，即使在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均可实现精准测量。
【专利说明】-种用于测量河道表面流速的手持式雷达
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种水、泥浆等液体表面流速测量领域，尤其设及一种用于测量河道 表面流速的手持式雷达。
【背景技术】
[0002] 现有的河道流速测量装置主要包括旋奖式、旋杯式机械流速仪或声学多普勒流速 剖面仪（包括走航式和旁测式）进行测量。例如，将测量装置装载在小船上，通过小船在河 道上的航行来测量河道中的河水流速。又如，通过人造示踪物在河道上的漂流状态来测量 河水流速，上述两种测量方式对于平静的水面或具有平坦岸边的水面来说，测量效果较好。 而对于水流端急或在悬崖峭壁中穿行的水面来说，均无法使用上述两种测量方式来测量河 道表面的流速。
[0003] 此外，上述测量方式均为接触式测量。对于污水、泥浆等含有腐蚀性成分或者杂 质的液体表面流速测量，W及洪水、特大洪水尤其是洪峰的测量，接触式测量会受到诸多限 审IJ。再者，接触式测量方式需要的人员多、测量周期长、测量精度低，尤其是山洪测量中的人 身安全也将遭受威胁，于水文测量现代化的发展十分不协调。有鉴于此，如何设计一种河道 表面流速的便携式测量方案，W有效改善或消除上述缺陷，是当前亟待解决的一项课题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的河道表面流速测量所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新颖 的、非接触测量方式的、用于河道表面流速的手持式雷达。
[0005] 依据本发明的一个方面，提供了一种用于测量河道表面流速的手持式雷达，包 括：
[0006] 雷达模块，用于向河道液面发送第一雷达波f，并接收来自所述河道液面反射的第 二雷达波f'，根据所述第一雷达波fw及所述第二雷达波f' W产生一多普勒差频信号 fd，其中 fd= lf-f ' I ;
[0007] 处理模块，与所述雷达模块相连接，所述处理模块用于获取所述第一雷达波入射 液面的角度e，并结合所接收的所述多普勒差频信号，输出一表面流速V，且所述表面流速 V满足； r n c X L
[000引 V 二-- 2f X cos 白
[0009] 其中，C为雷达波在空气中的传播速度；w及
[0010] 显示模块，与所述处理模块相连接，用于显示所述表面流速V。
[0011] 在其中的一实施例，所述手持式雷达还包括电源模块，电性禪接至所述雷达模块、 所述处理模块和所述显示模块，W提供上述各模块的工作电压。
[0012] 在其中的一实施例，所述电源模块为电池手柄，其具有裡电池组和充放电管理板， 所述充放电管理板用于控制所述裡电池组的充电和放电操作。
[0013] 在其中的一实施例，所述雷达模块包括透镜天线、收发机和信号放大板，其中所述 透镜天线和所述收发机用于发送所述第一雷达波并接收所述第二雷达波，从而产生一差拍 中频信号；所述信号放大板接收所述差拍中频信号并进行放大和滤波，从而输出所述多普 勒差频信号。
[0014] 在其中的一实施例，所述收发机包括T/R双工器、振荡器和I/Q接收机，其中所述 T/R双工器与所述透镜天线双向连接，所述振荡器与所述T/R双工器连接，所述I/Q接收机 与所述T/R双工器W及所述信号放大板连接。
[0015] 在其中的一实施例，所述处理模块还包括倾角巧片，用于根据所述第一雷达波获 取其入射液面的角度。
[0016] 在其中的一实施例，所述处理模块包括信号处理单元和通信单元，所述信号处理 单元对所述多普勒差频信号进行放大和采样，并计算得到所述表面流速，所述通信单元通 过光禪、串行接口或并行接口与所述雷达模块W及所述显示模块进行数据传输和控制。
[0017] 在其中的一实施例，所述显示模块包括按键、显示屏和驱动板，用户通过所述按键 进行开关操作和/或参数设置；所述驱动板包括中文字库，用于将所述表面流速转化为中 文字符或数字，并且对所述显示屏进行驱动；所述显示屏用于显示所述中文字符或数字。 [001引在其中的一实施例，该显示屏为有机发光二极管的rganic Li曲t血itting Diode, OLED)屏幕。
[0019] 在其中的一实施例，所述处理模块通过下列操作判断河道液面的表面流速及流动 方向；对I路信号进行快速傅里叶变换；计算FFT频谱的最大值；计算信噪比SNR，当所述信 噪比高于预设阔值时，对Q路信号进行快速傅里叶变换；根据I路信号的FFT频谱最大值和 Q路信号的FFT频谱最大值，计算相位差，W判断河道液面的流动方向；W及读取所述第一 雷达波入射液面的倾斜角度，根据最大频率值计算所述表面流速。
[0020] 采用本发明的用于测量河道表面流速的手持式雷达，其包括雷达模块、处理模块 和显示模块，雷达模块用于向河道液面发送第一雷达波，接收来自河道液面反射的第二雷 达波，根据第一雷达波W及第二雷达波W产生一多普勒差频信号；处理模块用于获取第一 雷达波入射液面的角度，并结合多普勒差频信号从而输出一表面流速；显示模块用于显示 计算得到的表面流速。相比于现有技术，本发明的手持式雷达仅根据雷达模块所发射的雷 达波W及波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速，因此该手持式雷达能够W非接触方 式测量表面流速，不受液面条件的影响，即使在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆 的情况下均可实现精准测量。此外，本发明的手持式雷达还可避免类似诸如C/S(Client/ Server,客户端/服务器端）架构检测的通讯延迟，不仅测量灵活、便于携带，而且流速数据 可存储并进行后续分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 读者在参照附图阅读了本发明的【具体实施方式】W后，将会更清楚地了解本发明的 各个方面。其中，
[0022] 图1示出依据本发明的一实施方式，用于测量河道表面流速的手持式雷达的结构 示意图；
[0023] 图2为图1的手持式雷达利用雷达波和倾角计算表面流速的原理图；
[0024] 图3示出图1的手持式雷达中的雷达模组的一具体实施例的硬件组成框图；W及
[0025] 图4示出图1的手持式雷达中的处理模块计算河道表面流速的流程框图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图W及本发明的下述 各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员 应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于 示意性地加W说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
[0027] 下面参照附图，对本发明各个方面的【具体实施方式】作进一步的详细描述。
[002引图1示出依据本发明的一实施方式，用于测量河道表面流速的手持式雷达的结构 示意图。参照图1，在该实施方式中，本发明的手持式雷达包括雷达模块10、处理模块12和 显示模块14。
[0029] 详细而言，雷达模块10用于向河道液面发送第一雷达波，并接收来自河道液面反 射的第二雷达波，然后根据第一雷达波W及第二雷达波W产生一多普勒差频信号。处理模 块12与雷达模块10和显示模块14相连接。处理模块12用于获取第一雷达波入射液面的 角度，并结合来自雷达模块10输出的多普勒差频信号，计算得到表面流速。例如，处理模 块12对多普勒差频信号进行放大、采样，并计算频率及流速，然后将结果送至显示模块14。 处理模块12的信号采样和频率计算由ARM巧片实现。显示模块14与雷达模块10和处理 模块12相连接，用于在屏幕上显示表面流速。相比于现有技术，本发明的流速测量雷达为 手持式，方便携带，可W仅根据雷达模块所发射的雷达波W及河道液面的波浪反射回的雷 达波计算表面流速。由于本发明的雷达能够W非接触方式测量表面流速，因而可在高速水 流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下实现精准的速度测量。此外，本领域的技术人员 也应当理解，本发明的手持式雷达还可避免类似诸如C/S (Client/server，客户端/服务器 端）架构检测的通讯延迟，不仅测量灵活，而且流速数据可存储并进行后续分析。
[0030] 在一具体实施例，该手持式雷达还包括电源模块16,其电性禪接至雷达模块10、 处理模块12和显示模块14, W提供上述各模块的工作电压。例如，电源模块16为一电池手 柄，该电池手柄设有裡电池组161和充放电管理板163。充放电管理板163用于控制裡电池 组161的充电和放电操作。
[0031] 在一具体实施例，处理模块12包括信号处理单元121和通信单元123。其中，信号 处理单元121对多普勒差频信号进行放大和采样，并计算得到表面流速。通信单元123通 过光禪、串行接口或并行接口与雷达模块10 W及显示模块14进行数据传输和控制。
[0032] 此外，显示模块14可包括按键141、显示屏143和驱动板145。用户通过按键141 可进行开关操作和/或参数设置。驱动板145包括中文字库，用于将表面流速转化为中文字 符或数字，并且对显示屏143进行驱动。显示屏143用于显示中文字符或数字。例如，显示 屏143更可设计为有机发光二极管Organic Li曲t血itting Diode，OLED)屏幕，该OL邸 屏幕不仅功耗低、亮度高，而且还可适合在诸如太阳直射、下大雨等恶劣环境下显示数据信 息。
[0033] 图2为图1的手持式雷达利用雷达波和倾角计算表面流速的原理图。
[0034] 参照图2, C为雷达波在空气中的传播速度，fd为河道液面的波浪所接收的第一雷 达波（图2 W f标识）与所反射的第二雷达波（图2 W f'标识）之间的多普勒频差fd = f-f' I，f为雷达模块10向河道液面发射的第一雷达波（例如24GHz)，0为雷达模块10 向河道液面发射的第一雷达波f入射液面的角度（也称为倾角）。在一实施例中，处理模块 12还可包括倾角巧片，专口用来根据第一雷达波f获取其入射液面的角度。根据图2所示 的几何关系，表面流速V满足如下关系式： C X fd
[0035] V =--- 2f X cos 0
[0036] 为了计算该表面流速，在图2的示意性实施例中，上述雷达模块10包括一天线 101、一收发机103和一信号放大板105。W下通过图3来示意性说明雷达模块10的工作原 理。图3示出图1的手持式雷达中的雷达模组的一具体实施例的硬件组成框图。
[0037] 参照图3,雷达模块10包括透镜天线101、收发机103和信号放大板105。其中，透 镜天线101和收发机103用于发送第一雷达波并接收第二雷达波，从而产生差拍中频信号。 信号放大板105接收差拍中频信号并进行放大和滤波，从而输出多普勒差频信号。例如，收 发机103可包括T/R双工器、振荡器和I/Q接收机。T/R双工器与透镜天线101双向连接， 振荡器与T/R双工器连接，I/Q接收机与T/R双工器W及信号放大板105连接。
[003引图4示出图1的手持式雷达中的处理模块计算河道表面流速的流程框图。
[0039] 参照图4,在该实现方法中，处理模块12通过下列操作判断河道表面的流速及流 动方向。首先对I路信号进行快速傅里叶变换（FFT)，然后计算FFT频谱的最大值和计算信 噪比SNR(Signal Noise Ratio)。判断信噪比是否大于预设阔值，若小于预设阔值则无结果 输出；若大于预设阔值，对Q路信号进行快速傅里叶变换。
[0040] 接着，根据I路信号的FFT频谱最大值和Q路信号的FFT频谱最大值，计算相位差 W判断河道液面的流动方向。然后读取第一雷达波入射水面的倾斜角度，根据最大频率值 计算表面流速。
[0041] 采用本发明的用于测量河道表面流速的手持式雷达，其包括雷达模块、处理模块 和显示模块，雷达模块用于向河道液面发送第一雷达波，接收来自河道液面反射的第二雷 达波，根据第一雷达波W及第二雷达波W产生一多普勒差频信号；处理模块用于获取第一 雷达波入射液面的角度，并结合多普勒差频信号从而输出一表面流速；显示模块用于显示 计算得到的表面流速。相比于现有技术，本发明的手持式雷达仅根据雷达模块所发射的雷 达波W及波浪反射回的雷达波即可计算出表面流速，因此该手持式雷达能够W非接触方 式测量表面流速，不受液面条件的影响，即使在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆 的情况下均可实现精准测量。此外，本发明的手持式雷达还可避免类似诸如C/S(Client/ Server,客户端/服务器端）架构检测的通讯延迟，不仅测量灵活、便于携带，而且流速数据 可存储并进行后续分析。
[0042] 上文中，参照附图描述了本发明的【具体实施方式】。但是，本领域中的普通技术人员 能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可W对本发明的【具体实施方式】作各 种变更和替换。该些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
【权利要求】
1. 一种用于测量河道表面流速的手持式雷达，其特征在于，所述手持式雷达包括： 雷达模块，用于向河道液面发送第一雷达波f，并接收来自所述河道液面反射的第二雷 达波f'，根据所述第一雷达波f以及所述第二雷达波f'以产生一多普勒差频信号fd，其 中fd=If-f'I; 处理模块，与所述雷达模块相连接，所述处理模块用于获取所述第一雷达波入射液面 的角度0，并结合所接收的所述多普勒差频信号，输出一表面流速V，且所述表面流速V满 足：
其中，C为雷达波在空气中的传播速度；以及 显示模块，与所述处理模块相连接，用于显示所述表面流速V。
2. 根据权利要求1所述的手持式雷达，其特征在于，所述手持式雷达还包括电源模块， 电性耦接至所述雷达模块、所述处理模块和所述显示模块，以提供上述各模块的工作电压。
3. 根据权利要求2所述的手持式雷达，其特征在于，所述电源模块为电池手柄，其具有 锂电池组和充放电管理板，所述充放电管理板用于控制所述锂电池组的充电和放电操作。
4. 根据权利要求1所述的手持式雷达，其特征在于，所述雷达模块包括透镜天线、收发 机和信号放大板， 其中，所述透镜天线和所述收发机用于发送所述第一雷达波并接收所述第二雷达波， 从而产生一差拍中频信号；所述信号放大板接收所述差拍中频信号并进行放大和滤波，从 而输出所述多普勒差频信号。
5. 根据权利要求4所述的手持式雷达，其特征在于，所述收发机包括T/R双工器、振荡 器和I/Q接收机， 其中，所述T/R双工器与所述透镜天线双向连接，所述振荡器与所述T/R双工器连接， 所述I/Q接收机与所述T/R双工器以及所述信号放大板连接。
6. 根据权利要求1所述的手持式雷达，其特征在于，所述处理模块还包括倾角芯片，用 于根据所述第一雷达波获取其入射液面的角度。
7. 根据权利要求1所述的手持式雷达，其特征在于，所述处理模块包括信号处理单元 和通彳目单兀， 其中，所述信号处理单元对所述多普勒差频信号进行放大和采样，并计算得到所述表 面流速，所述通信单元通过光耦、串行接口或并行接口与所述雷达模块以及所述显示模块 进行数据传输和控制。
8. 根据权利要求1所述的手持式雷达，其特征在于，所述显示模块包括按键、显示屏和 驱动板， 其中，用户通过所述按键进行开关操作和/或参数设置；所述驱动板包括中文字库，用 于将所述表面流速转化为中文字符或数字，并且对所述显示屏进行驱动；所述显示屏用于 显示所述中文字符或数字。
9. 根据权利要求8所述的手持式雷达，其特征在于，该显示屏为有机发光二极管 (OrganicLightEmittingDiode，OLED)屏幕。
10.根据权利要求1所述的手持式雷达，其特征在于，所述处理模块通过下列操作判断 河道液面的表面流速及流动方向： 对I路信号进行快速傅里叶变换； 计算FFT频谱的最大值； 计算信噪比SNR，当所述信噪比高于预设阈值时，对Q路信号进行快速傅里叶变换； 根据I路信号的FFT频谱最大值和Q路信号的FFT频谱最大值，计算相位差，以判断河 道液面的流动方向；以及 读取所述第一雷达波入射液面的倾斜角度，根据最大频率值计算所述表面流速。
【文档编号】G01S13/88GK104502910SQ201510016262
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月13日 优先权日:2015年1月13日
【发明者】陈德莉 申请人:上海航征测控系统有限公司