一种基于步进频的雷达雪深自动观测仪的制作方法

本发明涉及雪深测量领域，具体涉及一种基于步进频的雷达雪深自动观测仪。

背景技术：

积雪深度的探测不仅能够提供气象上的数据资料，更与人们的日常生活息息相关。积雪灾害每年都会给我国带来巨大损失，例如突降大暴雪压坏树木与农作物、过厚积雪造成交通堵塞、高山雪崩等，严重威胁着人民群众的人身与财产安全。雪深探测能够有效监测这些事件的发生，有助于及时处理以便减小受灾损失。同时，地面积雪深度的探测在军事、农业、气象等领域都有着实际的应用意义。

在积雪深度探测的各种方法中，人工使用量雪尺测量积雪厚度具有时空密度小，数据连续性差等不足，使用现代电子设备来进行自动积雪观测能够有效克服人工雪深观测的缺陷。中国气象局颁发的行业标准《雪深自动观测仪》中给出了两种观测方法：激光雪深自动观测仪和超声波雪深自动观测仪。但是，这两种雪深自动观测仪都较易受到环境影响。

超声波雪深自动观测仪由于波束较宽，一般只能垂直向下测量，这样设备自身会影响降雪。超声波雪深仪易受环境温度、风和降雪过程影响的问题，测量结果波动剧烈。当风速过大时，会影响超声波脉冲，使其偏离传感器下方，使得超声波的速度受到影响，从而影响测量结果；当风速过大或有旋转风时，就会吹起地上的雪，使得被测雪面不平整，因而影响超声波雪深自动观测仪测量结果；吹到探头下方的雪片(低吹雪)也是影响超声波雪深自动观测仪测量精度的一个因素。超声波脉冲遇到漂浮的雪片后返回，从而使到达雪面的超声波脉冲减少，因而影响测量精度。在无风和较低风速时超声波雪深自动观测仪的测量结果较为理想。在降雪初期和融雪后期，激光雪深自动观测仪与人工观测结果之间的差异较大。降雪初期，由于雪片在空中飘动，影响激光波束的照射距离。融雪后期，激光雪深自动观测仪上容易结冰，使得激光波束偏离原来位置。这些都影响激光雪深自动观测仪的实际使用。

现有的技术可利用微波技术进行雪深探测，采用的是线性调频连续波(lfmcw)进行探测。但是，线性调频信号在大时宽带宽积下可以获得距离高分辨信息，对多普勒频移相对不敏感，但其主要缺点是信号瞬时带宽较大，进而导致系统设计难度大，成本高，还存在距离-多普勒耦合问题，不利于获得准确的雪深信息，存在探测精度差的技术问题。

因此，为解决以上技术问题，本发明提供一种探测精度更高的基于步进频的雷达雪深自动观测仪就很有必要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的探测精度差的技术问题。提供一种新的基于步进频的雷达雪深自动观测仪，该雷达雪深自动观测仪具有探测精度高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于步进频的雷达雪深自动观测仪，包括雷达主机以及用于供电的电源模块，所述雷达主机工作频段为k波段；

雷达主机与安装在地面处和雪地测量观测面齐平的测雪板的垂直间距不小于2.5米，雪地水平面上安装有测雪板，测雪板是雷达测量雪深的基准面，测雪板与观测地面齐平，并且不会影响雪的积累和融化。

雷达主机包括发射天线、接收天线，与发射天线依次连接的线性放大的功率放大单元、信号产生单元，与接收天线连接的接收机单元，所述信号产生单元与接收机单元同时连接有信号处理单元，所述信号处理单元连接有通讯模块，所述信号产生单元与接收机单元交互；

所述发射天线与接收天线的波束中心与雷达主机垂直面的夹角为α＞10°；

所述信号产生单元包括产生步进调频连续波信号的信号发生器及激励源；

所述接收机单元用于将接收天线输出的信号放大，并与信号产生单元的输出信号进行混频，得到回波信号与发射信号的差频信号，差频信号输出给信号处理单元；

所述信号处理单元用于根据差频信号处理到原始回波数据，并在原始回波数据的各脉冲重复周期内进行脉冲周期内匹配滤波压缩处理，利用各脉冲之间频率步进所产生的线性相位信息通过离散傅里叶逆变换处理进行第二次压缩，计算出相位差。

本发明的工作原理：本发明采用k波段雷达，基于k波段雷达不易受环境影响，因此测量精度不受环境影响，解决了目前的激光和超声波测量雪深的不足。采用步进频连续波技术，在原始回波数据的各脉冲重复周期内进行脉冲周期内匹配滤波压缩处理，利用各脉冲之间频率步进所产生的线性相位信息通过离散傅里叶逆变换处理进行第二次压缩，计算出相位差，由相位差得到目标的距离。由于采用步进频，雷达带宽较传统的调频连续波窄，雷达的相位稳定度高，测量精度更高。能够将目前微波测量的精度由cm提高至mm。

上述方案中，为优化，进一步地，所述发射天线与接收天线分开。采用发射天线与接收天线分开的方式，更加适合本发明的连续波体制工作的雷达。

进一步地，所述发射天线、接收天线的波束宽度均在8°以下。发射天线、接收天线的天线波束宽度在8°以下，可以实现雷达脚印，即天线波束照射到测雪板上的面积更小，更能提高精度。

进一步地，所述信号处理单元的步进调频连续波的调频斜率设置为零时，信号产生单元输出步进频率连续波，步进调频连续波的调频斜率设置增加时，信号产生单元输出线性调频连续波。兼容步进频连续波、调频步进频及线性调频连续波，能够进一步提供多种方案，解决现有雪深自动观测仪受环境影响的问题，实现高精度稳定探测。

进一步地，所述雷达主机的信号处理单元按照周期t进行采样，获得雪深采样值，信号处理单元对雪深采样值进行数据质量控制，计算出雪深分钟值

其中，为雪深分钟值，单位为毫米，di为一分钟内第i个雪深采样值，单位为毫米；n为一分钟内的有效样本总数。通过对于雪深采样值进行数据质量控制，

进一步地，所述雷达主机设置有雷达罩，雷达罩为工程塑料制造。雷达罩采用透波性能较好、衰减较小的玻璃钢或者工程塑料制造，能够提高雷达性能。减少外界环境对雷达的性能影响。

进一步地，所述电源模块由太阳能电池板供电。电源模块可接入市电或者太阳能电池板，并将电压转换成雷达各部分需要的电源电压。

本发明的有益效果：本发明采用k波段雷达测量雪深，测量精度不受环境影响，解决了目前的激光和超声波测量雪深的不足。采用步进频连续波技术，提高了雪深测量分辨力，由1cm的精度提高到1mm以内的精度。采用收发分置天线，提高了设备可靠性。本发明具有方案设计合理、设备简单、实现费用少等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1的雷达雪深仪波束投射示意图。

图2，实施例1的雷达雪深仪系统示意图。

图3，实施例1的雷达雪深仪线性调频连续波信号形式示意图。

图4，实施例1的雷达雪深仪步进频率连续波信号形式示意图。

图5，实施例1的雷达雪深仪调频步进频率连续波信号形式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于步进频的雷达雪深自动观测仪，如图1，包括雷达主机以及用于供电的电源模块，所述雷达主机工作频段为k波段；雷达主机与安装在地面处和雪地测量观测面齐平的测雪板的垂直间距为2.5米以下，本实施例设置为3米。如图2，雷达主机包括发射天线、接收天线，与发射天线依次连接的线性放大的功率放大单元、信号产生单元，与接收天线连接的接收机单元，所述信号产生单元与接收机单元同时连接有信号处理单元，所述信号处理单元连接有通讯模块，所述信号产生单元与接收机单元交互；

所述发射天线与接收天线的波束中心与雷达主机垂直面的夹角为α为10°以上，本实施例设置为30°；

所述信号产生单元包括产生步进调频连续波信号的信号发生器及激励源；

所述接收机单元用于将接收天线输出的信号放大，并与信号产生单元的输出信号进行混频，得到回波信号与发射信号的差频信号，差频信号输出给信号处理单元；

所述信号处理单元用于根据差频信号处理到原始回波数据，并在原始回波数据的各脉冲重复周期内进行脉冲周期内匹配滤波压缩处理，利用各脉冲之间频率步进所产生的线性相位信息通过离散傅里叶逆变换处理进行第二次压缩，计算出相位差。

将拟测量雪地的面积设置为大于1.5m×1.5m，在地面同一水平面上设置一个测雪板，测雪板的面积与拟测量雪地的面积相同。本实施例的雷达主机配置有雷达罩，电源模块可由太阳能电池板供电，太阳能电池板安装在雷达雪深仪的另一侧，雷达观测降雪的方向相背。通过电缆将太阳能电池板与雷达相连。雷达罩采用透波性能较好、衰减较小的工程塑料制造，全密封设计，满足ip68的防护等级。

雷达罩、太阳能电池板等的具体应用属于现有技术，因此本实施例不再赘述。

雷达主机中的发射天线、接收天线均采用印制板加工的微带天线，硬件相同，电磁波穿过雷达罩后照射在测雪板上。发射天线和接收天线的波束宽度均采用8°。发射天线、接收天线的设计由现有的天线满足波束宽度要求的天线构成。

采用发射天线与接收天线分开的方式，适合连续波体制工作。天线采用微带天线，收发分开。雷达的信号带宽为2ghz，扫描速率为200mhz/ms。信号处理单元控制信号产生单元产生信号带宽为2ghz的步进频率连续波发射信号，在功率放大单元将输出功率放大到0.5w，输出到发射天线。接收天线收到信号后馈到接收机，接收机进行混频处理后，得到差频信号，输入到信号处理单元的a/d变换器，a/d采用12位，计算处理单元为一片32位浮点dsp，作实时处理。

信号处理单元处理后得到原始回波数据。原始回波在各个脉冲重复周期内进行脉内匹配滤波压缩处理，利用各个脉冲之间频率步进所产生的线性相位信息通过idft处理进行第二次压缩，计算相位差进一步提高距离分辨力，达到1mm的测量精度。

通讯单元采用rs485接口，支持双向传输数据，将雪深分钟值数据发送到指定地点，并可接收控制命令。

雷达雪深仪每6s采样一次，得到雪深采样值，并对雪深采样值进行数据质量控制。

一分钟内有不少于7个有效雪深采样值，即计算雪深分钟值，计算公式：

式中：

——雪深分钟值，单位为毫米(mm)；

di——分钟内第i个雪深采样值(样本)，单位为毫米(mm)；

n——分钟内的有效样本总数。

雷达雪深观测仪产生的调频连续波信号如图3所示，f0为24ghz，b为2ghz。信号处理单元的处理方法如前所述。

雷达雪深观测仪产生的步进频率连续波信号如图4所示，f0为24ghz，tt可在10μs-100μs之间设置。信号处理单元的处理方法同上所述。

雷达雪深观测仪产生的调频连续波信号如图5所示，f0为24ghz，tt可在10μs-100μs之间设置。信号处理单元的处理方法如前所述。

综上，本实施例采用k波段雷达测量雪深，测量精度不受环境影响，解决了目前的激光和超声波测量雪深的不足。采用步进频连续波技术，提高了雪深测量分辨力，由1cm的精度提高到1mm以内的精度，同时兼容多种步进连续波，改进容易受到环境干扰的缺陷。采用收发分置天线，提高了设备可靠性。本发明具有方案设计合理、设备简单、实现费用少等优点。

本实施例未披露的部分采用现有技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。