一种线性调频连续波雷达水位遥测装置及方法与流程

文档序号:12265936阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种线性调频连续波雷达水位遥测装置,包括雷达收发器,其特征在于,还包括雷达信号筛选放大电路和微控制器;所述雷达收发器包括锁相环、发射天线、第一混频器和接收天线;所述锁相环输出端连接发射天线,通过发射天线发射锁相环输出端输出的线性调频信号;所述第一混频器的两个输入端分别连接锁相环输出端和接收天线,通过接收天线接收回波信号;所述第一混频器的输出端连接雷达信号筛选放大电路的输入端,雷达信号筛选放大电路的输出端连接微控制器的ADC采样端,通过微控制器针对雷达信号筛选放大电路的输出端输出的信号进行采样处理。

2.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置,其特征在于,还包括数据传输单元和上位机,所述微控制器连接数据传输单元,通过数据传输单元实现与上位机的通信;所述微控制器通过数据传输单元上传水位信息至上位机,上位机通过数据传输单元发送控制信号至微控制器;

所述雷达收发器的电源使能引脚端连接微控制器,上位机通过微控制器控制雷达收发器电源的通断;

所述数据传输单元通过GPRS无线传输方式与上位机进行通信。

3.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置,其特征在于,所述锁相环中包括参考频率源、输入分频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二混频器、低通滤波器、程序分频器和固定频率源;参考频率源通过输入分频器连接鉴相器的正相输入端,程序分频器的输出端连接鉴相器的反相输入端,鉴相器的输出端通过环路滤波器连接压控振荡器,压控振荡器的输出端和固定频率源分别连接第二混频器的两个输入端,第二混频器的输出端通过低通滤波器连接程序分频器的输入端;所述程序分频器的分频比控制端连接微控制器,通过微控制器定时调整程序分频器的分频比。

4.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置,其特征在于,所述雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路,其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端;通过微控制器分别采样第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号;所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路,所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路,微控制器通过SPI接口连接PGA,通过SPI接口编程调节PGA的增益。

5.根据权利要求4所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置,其特征在于,所述第一级放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器,第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第三电容的一端;第一电容和第二电容并联后其中一端连接第一混频器的输出端,另一端连接第三电容的另一端;第三电容连接并联后的第一电容和第二电容的一端通过第一二极管连接直流电源,通过第二二极管接地;第一运算放大器的反相输入端通过并联后的第四电容和第二电阻连接第一运算放大器的输出端,第一运算放大器的正相输入端依次连接第三电阻和第五电容后接地,第三电阻和第二电容连接的一端接直流电源;第一运算放大器的输出端依次连接第六电容和第四电阻后连接第二运算放大器的反相输入端,第二运算放大器的反相输入端通过并联后的第七电容和第五电阻连接第二运算放大器的输出端,第二运算放大器的正相输入端依次连接第六电阻和第八电容后接地,第六电阻和第八电容连接的一端接直流电源;第二运算放大器的输出端作为第一级放大电路的输出端,连接微控制器的第一ADC输入端;

所述第二级放大电路包括第三运算放大器和第四运算放大器,第一级放大电路的输出端依次连接第九电容和第十电容后连接第三运算放大器的反相输入端,第九电容和第十电容连接的一端通过第十一电容连接第三运算放大器的输出端,第九电容和第十电容连接的一端还通过第七电阻接地;第三运算放大器的反相输入端通过并联的第十二电容和第八电阻连接第三运算放大器的输出端,第三运算放大器的正相输入端依次连接第九电阻和第十三电容后接地,第九电阻和第十三电容连接的一端接直流电源;第叁运算放大器的输出端依次连接第十四电容和第十电阻后连接第四运算放大器的反相输入端,第四运算放大器的反相输入端通过并联的第十五电容和第十一电阻连接第四运算放大器的输出端;第四运算放大器的正相输入端依次连接第十二电阻和第十六电容后接地,第十二电阻和第十六电容连接的一端接直流电源;第四运算放大器的输出端作为第二级放大电路的输出端,连接微控制器的第二ADC输入端;

所述第三级放大电路中PGA的CH端口通过电容连接第二级放大电路的输出端,PGA的CH端口通过电阻连接PGA的VREF端,PGA的VREF端连接直流电源,微控制器通过SPI接口连接PGA,通过微控制器调节PGA的放大倍数;PGA的输出端作为第三级放大电路的输出端,连接微控制器的第三ADC输入端。

6.根据权利要求4所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置,其特征在于,所述微控制器包括采样信号判别选取模块、FIR滤波模块、FFT模块、Chirp Z模块和滑动平均滤波模块;

所述采样信号判别选取模块,用于根据采样阈值针对微控制器从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路中采样得到的信号进行判定,以从第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端选取出作为有效信号的一路信号;

FIR滤波模块,用于消除有效信号在采样过程中引入的毛刺,获取到平滑的有效信号;

FFT模块,用于对有效信号进行快速傅氏变换,获取到有效信号的频段分布;

Chirp Z模块,用于对有效信号进行频谱细化,确定有效信号的频率;

滑动平均滤波模块,用于对有效信号进行滑动平均滤波处理。

7.一种基于权利要求1所述的线性调频连续波雷达水位遥测装置实现的线性调频连续波雷达水位遥测方法,其特征在于,步骤如下:

S1、雷达收发器中锁相环输出端输出的线性调频信号输入至第一混频器中,同时通过发射天线进行发射;雷达收发器中接收天线接收回波信号,并且传送到第一混频器中;

S2、雷达收发器中锁相环的输出端输出的线性调频信号和雷达收发器中接收天线接收回波信号在第一混频器中进行混频,输出差频信号;

S3、第一混频器输出的差频信号输入至雷达信号筛选放大电路,微控制器针对雷达信号筛选放大电路输出的信号进行采样处理,并且对采样得到的信号进行分析处理,根据分析处理结果得到水位信息。

8.根据权利要求8所述的线性调频连续波雷达水位遥测方法,其特征在于,

步骤S3中微控制器获取到的水位信息通过SPI接口发送给数据传送单元,数据传输单元接收到微控制器发送的串口数据格式的水位信息时,转换成IP数据的水位信息,并且通过GPRS无线传输方式传送给上位机,同时上位机发送的控制信号通过GPRS无线传输方式传送给数据传输单元,数据传输单元接收到控制信号后,将控制信号的IP数据格式转换成串口数据格式,然后通过串口传送给微控制器;其中上位机发送的控制信号包括软件更新升级控制信号、水位测量时间间隔控制信号、休眠控制信号和雷达收发器通断控制信号。

9.根据权利要求7或8所述的线性调频连续波雷达水位遥测方法,其特征在于,雷达信号筛选放大电路包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路,其中第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路的输出端分别对应连接微控制器的ADC输入端;所述第一级放大电路和第二级放大电路为放大倍数固定不变的放大电路,所述第三级放大电路为包括PGA(可编程增益放大器)的放大电路,微控制器通过SPI接口连接PGA,通过SPI接口编程调节PGA的增益;

步骤S3中微控制器分别针对第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路输出的信号进行采样处理,在微控制器通过ADC输入端采样得到雷达信号筛选放大电路中输出的三路信号后,通过以下方式选取其中一路信号作为有效信号,具体为:

S31、设定第一级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit1,设定第二级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit2,设定第三级放大电路输出信号的采样阈值为ADLimit3;

S32、首先将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号与采样阈值ADLimit1进行比较,当微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号的最大值大于采样阈值ADLimit1时,则将微控制器采样得到的第一级放大电路输出信号作为有效信号;否则进入步骤S33;

S33、将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号与采样阈值ADLimit2进行比较,当微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号的最大值大于采样阈值ADLimit2时,则将微控制器采样得到的第二级放大电路输出信号作为有效信号;否则将微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号作为有效信号,然后进入步骤S34;

S34、当微控制器采样得到的第三级放大电路输出信号小于采样阈值ADLimit3,通过微控制器控制增大第三级放大电路中PGA的增益;否则通过微控制器控制减小第三级放大电路中PGA的增益;即通过第三级放大电路输出信号的采样值来反馈PGA的增益调节值。

10.根据权利要求9所述的线性调频连续波雷达水位遥测方法,其特征在于,步骤S3中微控制器针对采样得到的信号中的一路有效信号,进行以下的分析处理得到水位信息:

首先进行FIR滤波处理,将消除有效信号在采样过程中引入的毛刺,得到平滑的采样信号;

然后对有效信号进行快速傅氏变换,获取到有效信号的频段分布;

再者通过Chirp Z变换对有效信号进行频谱细化,确定有效信号的频率;

最后有效信号进行滑动平均滤波处理,得到有效信号最终分析处理结果;微控制器根据有效信号的最终分析处理结果获取到水位信息。

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