本发明涉及水生植物整治领域，具体涉及一种水浮植物雷达检测系统。
背景技术：
水浮植物一直以来都是河流整治的重点和难点，特别是近年来的外来物种水葫芦，其生命力强，生长速度极快，大片水葫芦漂浮在水面，顺流而下，连绵数十公里，有些水面很大部份被水葫芦覆盖，不仅污染水域环境，还影响船舶航行安全，甚至进入市政规划的景观水域，引起社会的广泛关注。
为此，有关部门开展了相关的整治工作。包括以船巡、车巡、和视频监控为主的预警；以拦截集中打捞和船舶巡航打捞为主的清理工作等，整治取得一定成效。但是，受水文、气候、地理等环境因素的影响，水葫芦的爆发具有不确定性，导致某些区域和时间段内水葫芦大量集中突然爆发时，拦捞作业力量一时捉襟见肘。因此，有关部门急需建立一套以水生植物预警和综合整治的智能化管理方法，使用探测传感器获取流经探测点的水面漂浮植物分布信息，并通过多探测点的信息联网和融合，综合其他多方气象、水文信息，判断水生植物的生长趋势和流域整体分布情况，建立水生植物管理预警机制，并以此合理安排打捞作业力量，达到有效管控水生植物的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水浮植物雷达检测系统，基于雷达的水面漂浮生长植物监测系统，利用漂浮物与水面对微波回波强度的差异，并通过高的分辨力，实时测算流经监测点的水生植物面积，并根据流经不同监测点的水生植物面积，建立水生植物生长模型，最终实现预测和全流域监管。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
水浮植物雷达检测系统，该雷达检测系统由天线系统、射频微波系统、数据处理和终端显示系统组成；
所述天线系统由发射天线和接收天线组成，雷达产生点频连续波和线性调频连续波信号，其中点频信号仅用于水面漂浮物的速度测量，线性调频连续波信号实现水面漂浮物的面积测量，所述信号经由发射天线辐射出去，信号经水生植物反射后进入接收天线；
所述射频微波系统由接收前端、数据采集模块、频率合成组件三部分组成，经水生植物反射后的信号接入接收前端，经三级混频器处理后经滤波放大器、数控衰减器、低通滤波器输出；数据采集模块由反混叠滤波器、adc、fpga和以太网传输模块组成，用于实现中频信号数字化，频率合成组件由时钟参考电路、波形产生电路、发射通道、接口控制电路组成，用于提高接收前端所需的本振信号、数据采集模块所需的同步时钟信号以及线性调频的激励信号；
数据处理和终端显示系统由数据处理模块和终端显示模块构成，完成水浮植物各信息的在线实时测算和显示。
作为本方案的进一步改进，所述天线系统采用收发分置的平面阵列天线体制，天线形成水平窄波瓣，垂直宽波瓣的方向图特性。
作为本方案的进一步改进，所述平面阵列天线体制是波导平面阵列天线，采用子阵分块设计的结构，其工作频率为k波段，f0±150mhz，f0取24ghz。
作为本方案的进一步改进，所述天线增益≥30db，波瓣宽度水平≤1°，垂直≤5°，水平、垂直副瓣电平≤-20db；驻波要求vswr≤1.6，极化方式为垂直极化，收发天线隔离度≥80db；波束指向偏差在频带内电轴指向偏差满足≤0.2°。
作为本方案的进一步改进，所述三级混频器包括第一级混频器、第二级混频器、第三级混频器；
所述射频激励信号经限幅器、低噪声放大器、滤波器进入第一级混频器混频得到7.75ghz带宽300mhz的第一中频信号；
第一中频信号经滤波器、放大器进入第二级混频器得到750mhz带宽500khz的第二中频信号；
第二中频信号经经滤波器、放大器、数控衰减器后进入第三级混频器得到70mhz带宽5mhz的第三中频信号；
第三中频信号经滤波放大器、数控衰减器、低通滤波器输出。
作为本方案的进一步改进，所述反混叠滤波器主要用于防止adc带通采样时的噪声混叠现象，其参数为：中心频率f0＝70mhz；bw-1db＝3～5mhz；bw-40db<40mhz；bw-80db<70mhz。
作为本方案的进一步改进，所述fpga将adc采样数据经过数字下变频后进入三级抽取滤波器，依次为2倍抽取、5倍抽取、5倍抽取，相当于2mhz的采样率，然后经过一个高通滤波器后将数据打包成固定格式送到以太网传输模块。
作为本方案的进一步改进，所述时钟参考电路由恒温晶振产生100mhz信号，经adp-2-1w两功分器输出一路给12g源做梳状谱激励源，一路经sca-4-10四路功分器分别供给3.5ghz，cro锁相源；ltc6946-2输出接收三本振信号820mhz；经ltc6946-1输出发射激励信号750mhz；经放大器输出13dbm信号供信号处理机当采集时钟。
作为本方案的进一步改进，所述波形产生电路工作如下：
由cro锁相环电路产生3.5ghz信号与梳状谱产生12g信号经滤波、放大后混频产生后一本振信号，一本振信号经滤波、放大、功分后供发射通道和接收模块做一本振；
扫频本振由3.5g分两路一路经放大、倍频、滤波产生7ghz做本振信号；一路给ad9914做时钟，产生600～900mhz信号，两种信号经hmc558混频器混频后经滤波、放大、功分供发射通道和输出给接收模块做二本振。
作为本方案的进一步改进，所述发射通道由频率合成器产生750mhz与扫频本振源7.6～7.9ghz混频，经滤波放大后在与一本振15.5ghz混频，输出23.85～24.15ghz信号，后经滤波混频、放大经隔离器输出。
作为本方案的进一步改进，系统的各项性能指标如下：
1)激励：24ghz±50mhz(23.85～24.15ghz)、功率：1～1.3w、相位噪声：l(1k)≤-103dbc/hz，l(100k)≤-113dbc/hz；
2)一本振：15.5ghz、功率：13dbm±1dbm、相位噪声：l(1k)≤-108dbc/hz，l(100k)≤-118dbc/hz；
3)二本振：7.75ghz(7.6～7.9)、功率：10dbm±1dbm；相位噪声：优于一本振；
4)三本振：820mhz、功率：10dbm±1dbm，相位噪声：优于二本振；
5)时钟：100mhz，功率：13±0.5dbm，
相位噪声：l(1k)≤-140dbc/hz，l(100k)≤-150dbc/hz；
6)扫频信号调频带带宽内幅度一致性：≤1db；
7)输出杂波：激励≥60dbc，一本振≥70dbc，二本振≥70dbc，三本振≥70dbc，时钟≥70dbc
8)谐波抑制：激励≥55dbc，一本振≥60dbc，二本振≥60dbc，三本振≥60dbc，时钟≥60dbc
9)功率起伏：≤0.5db
10)功耗：≤30w；
11)点频和线性调制交替输出各1s，线性调频时间1ms，调频带宽300mhz，调频线性度≤2/1000。
作为本方案的进一步改进，所述数据处理模块利用河流和水生植物反射能力的差异，探测水面漂浮的水生植物。通过测量流经测量断面的水生植物分布情况，以及在该断面下的移动速度来综合计算水生植物的面积。
作为本方案的进一步改进，所述数据处理模块对1s的所述线性调频连续波信号处理方法如下：
线性调频连续波信号实现水面漂浮物的面积测量，通过宽带信号测量截面维每个距离点的回波强度，在频域进行检测，通过有无水生植物的回波强度变化来确定水生植物的面积；
连续发1000个1ms的线性调频连续波信号，处理第1ms的数据和第1000ms的数据；
s01：在正常条件下，找一块没有水浮植物的水面，测出方位波束宽度内每个分辨单元水的反射强度，作为检测基准门限值；
s02：对1ms的回波信号进行检测，以s01中得到的值作为基准门限，根据实际情况在进行调整，判断每个分辨单元有无水浮植物；
s03：保存每个距离点的强度值，对有水浮植物的距离点作出标记。
作为本方案的进一步改进，所述数据处理模块对1s的点频连续波信号处理方法如下：
s11：对采集数据求功率谱密度；
s12：在中频500khz左右各取1khz的数据进行门限检测，超过门限即认为有目标，正常情况下，一般水速小于0.1m/s，fd＝2v/λ，因此最大多普勒频率约为16hz，考虑有风等异常情况下留有余量两边各取1khz，门限值以s01中得到的检测基准门限值作为基准进行微调。
s13：根据检测频率求出目标速度。
作为本方案的进一步改进，所述数据处理模块对目标面积计算如下：河宽按50米计算，按距离分辨单元0.6米划分，方位波速宽度1°，则方位波束内最远处距离约0.8米；计算公式如下
r＝河宽；
θ＝方位波束宽度；
则不同距离处，方位波束覆盖的方位向宽度＝2rtan(θ/2)；
s21：目标面积较小
当目标的面积小于等于一个距离分辨单元的面积(<＝0.6*0.6)时，此时测出的回波强度是变化较陡的钟型曲线，此时测出的水流同向的时间维目标长度l2为：
其中：2代表测量时间间隔2秒，vi代表每个测量时间间隔求出的水流速度＝水浮植物测量速度/sinθ，n代表连续出现目标的时间间隔个数，d是一个固定值，指截面维不同距离单元点所对应的方位波束宽度内的横向距离；
根据目标出现的距离单元，即可求出目标截面维的长度l1＝测量截面维长度*cosθ；
则面积：s＝l1×l2
s22：目标面积较大
将时间和距离单元都连续出现的目标作为一个大目标，此时测出的回波强度变化类似带通滤波器，两边变化较陡，中间是较平缓的，则与水流同向的时间维目标长度l2为：
l2＝2×vi
其中：2代表测量时间间隔2秒，vi代表每个测量时间间隔求出的水流速度。
根据目标出现的距离单元，即可求出目标距离维的长度l1＝测量截面维长度*cosθ，如果测的目标截面维距离单元不连续，则
则每个时间间隔测出的水浮植物面积为：si＝l1×l2
则目标面积为：
n代表连续出现目标的时间间隔个数，d'指目标截面维不同距离单元点所对应的方位波束宽度内的横向距离的最大值，v指当前目标最后一次检测速度，m指面积重复计算的时间间隔个数，s'指通过波束宽度内的水浮植物的重复计算面积，每半个小时给出流经测量截面的一个总面积并保存结果。
作为本方案的进一步改进，所述数据处理模块还包括对数据传输、处理、存储及显示时间计算，具体如下：
a/d后数据通过网线传入数据缓存区的时间，输入信号为16bit浮点数，1s共2m个采样点，因此所需传输的数据量为32mbit；
数据传输拟采用万兆网，万兆网的传输速率为10000mb/s，设网络传输效率为50％，传输32mb的数据需耗时6.4ms；
将数据写入硬盘，电脑硬盘存储速率20mb/s，存2m点16bit数据需要200ms，从硬盘读取数据到内存，电脑硬盘读取速率30mb/s，读2m点16bit数据需要140ms，从内存到cpu，pci-e总线的传输速率为8gb/s，32mb的数据从内存到cpu的时间为4ms；
cpu对数据进行fft处理及门限检测需要600ms，显示采用1s数据同时显，所需时间为50ms，因此1s的线性调频信号处理时间约为1秒。
接着是1s的点频信号，我们只取其中一小段数据处理，求速度，时间约为200ms；
因此1s的线性调频信号+1s的点频连续波处理时间约为1200ms，所以2s的重复时间间隔可以完成处理，不会丢失数据。
本发明的有益效果是：水浮植物探测雷达实现对100m宽河流内水面漂浮植物、杂物面积的实时在线监测。对水面漂浮物的最小可探测速度低至0.1m/s，距离分辨小于1m；该雷达具有以下特点：
1)实现水面漂浮物的实时测量；
2)测量精度高；
3)无人值守、可靠性高；
4)最大探测距离大于200m；
5)耗电小；
6)可适合于低流速河流的流速测量。
附图说明
图1是探测原理图；
图2是截面维测量原理示意图；
图3是收发天线理论计算水平波瓣图；
图4是收发天线理论计算垂直波瓣图；
图5是收发天线理论计三维波瓣图；
图6是收发天线仿真模型；
图7是收发天线三维仿真波瓣图；
图8是收发天线仿真水平面波瓣图；
图9是收发天线仿真垂直面波瓣图；
图10是f0-150mhz、f0、f0+150mhz三个频点的波束指向图；
图11是实际波束形状图；
图12是时钟参考电路；
图13是波形产生电路；
图14是发射通道电路；
图15是3500mhzcro振荡器相位噪声曲线图；
图16是接收通道电路；
图17是回波输入驻波曲线图；
图18是镜频抑制度曲线图；
图19是数据采集模块框图；
图20是噪声混叠示意图；
图21是数据采集模块框图；
图22水浮植物计算面积示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
水生植物探测雷达采用方位窄波束，实现测量截面的最小分辨单元；仰角采用宽波束，能量覆盖整个测量截面，通过宽带信号测量截面维每个距离点的回波强度。并通过有无水生植物的回波强度变化来确定水生植物的面积。
雷达产生点频连续波和线性调频连续波信号，其中点频信号仅用于水面漂浮物的速度测量，线性调频连续波信号实现水面漂浮物的面积测量。信号经功率放大后，由发射天线辐射出去，信号经水生植物反射后进入接收天线，由接收机下变频，解调后，变为数字信号，信号处理机处理并计算不同距离上的回波强度，以及移动速度，输出截面距离-流向距离-强度分布。
其探测原理如图1所示。
雷达架设指向与河流断面存在夹角θ，
目标截面长度＝测量截面长度×cosθ；
目标流向长度＝测量截面目标长度/sinθ。
流向维测量原理
与河流流向同向的目标长度＝水流方向分辨单元×探测持续时间段内分辨单元个数＝测量时间间隔×水浮植物测量速度×持续时间段内分辨单元个数/sinθ。
(1)测量时间间隔由探测雷达决定，可精确获得；
(2)点频连续波信号模式下可测得目标的多普勒频率fd，根据工作波长λ，可计算水浮植物测量速度＝fd×λ/2；
(3)持续时间段内分辨单元个数，采用纯水面条件下反射回波作为背景，每个分辨单元根据检测背景，建立该分辨单元内的门限，并根据水面高低特性，建立门限数据库，并以此门限判断该分辨单元内有无水浮植物。
截面维测量原理
雷达发射从f0-150mhz到f0+150mhz调制的线性调频信号，若r处出现1个固定目标，则r处目标的回波延迟为2r/c。回波信号经过去斜后，形成固定的频差。关系如图2所示：
当不同的距离处均存在目标时，将形成不同的频差。通过对不同频点回波强度统计，并与平静水面回波强度对比，确认该距离点是否为水生植物。最后根据流经测量截面的水生植物回波点数，确定水生植物面积。
雷达产生点频连续波和线性调频连续波信号，其中点频信号仅用于水面漂浮物的速度测量，线性调频连续波信号实现水面漂浮物的面积测量。信号经功率放大后，由发射天线辐射出去，信号经水生植物反射后进入接收天线，由接收机下变频，解调后，变为数字信号，信号处理机处理并计算不同距离上的回波强度，以及移动速度，输出截面距离-流向距离-强度分布。
(1)扫描形式
天线方位固定不动，仰角可下俯调节，用于主波束指向不同的距离，适应试验需求。
(2)参数测量形式
频域检测，点频测速，调频测距。
(3)天馈线形式
上下分块两天线。集中馈电减小损耗。
(4)发射形式
功率小，固态发射，集成设计。
(5)接收形式
为了减小损耗，采用先放大，再变频，后a/d的形式，集成设计。减小传输数据量
(6)传输形式
网口传输，低数据率ad数据自动存储。
(7)终端形式
笔记本承载，c++语言实现，画面可调节。
(8)结构形式
小巧、易拆卸、易搬运、有俯仰指示，散热性能好。
天线系统方案
连续波雷达天线可采用抛物面形式，也可采用平面阵列形式，如果发射分系统采用t/r组件方案，则天线以采用平面阵列形式为宜。另外，如雷达要实现多极化，则天线采用抛物面可实现多极化功能，采用平面阵列要实现多极化功能将非常困难，且结构复杂。
抛物面天线具有馈电简单，没有栅瓣，频带较宽，成本较低，能耗小的优点。抛物面天线的重点、难点是反射面和馈源，而阵列天线的重点、难点是馈电网络和变极化实现，对于高增益雷达天线，阵列数较多，要求较为复杂的馈电网络。
从天线隔离度方面考虑，面阵天线的隔离度会略优于抛物面天线，因为面阵天线是多单元分布式辐射，边缘功率较弱；抛物面天线是馈源集中发射和接收，馈源在近距离形成的波瓣在边缘幅度不会很弱。
经论证、分析后，天线系统采用收发分置的平面阵列天线形式。天线系统由发射天线和接收天线两部分组成。发射天线和接收天线上下放置，发射天线将发射机产生的信号辐射到空间。接收天线将收到的目标回波信号送给接收机。
天线主要技术指标
(1)工作频率，k波段，f0±150mhz；f0取24ghz；
(2)天线形式，波导平面阵列天线(采用子阵分块设计)；
(3)输出通道和信号通道和耦合信号通道；
(4)天线口径0.76m×0.16m(以满足指标要求为准)；
(5)天线体制采用收发分置体制；
(6)天线增益≥30db；。
(7)波瓣宽度水平≤1°，垂直≤5°；
(8)水平、垂直副瓣电平≤-20db；
(9)驻波要求vswr：≤1.6；
(10)极化方式垂直极化；
(11)天线接口和信号通道：标准bj260波导接口；耦合通道：sma-k接口；
(12)收发天线隔离度≥80db；
(13)波束指向偏差在频带内电轴指向偏差满足≤0.2°；
(14)功率容量2w。
(15)环境适应性
工作环境温度：-10℃～+50℃。
工作环境湿度：相对湿度：95％(40℃时)。
(16)可靠性
无源器件，全寿件。
三防：防水、防霉、防盐雾，不产生明显霉变和腐蚀；
选材用耐老化、抗疲劳、耐腐蚀的材料，介质部分进行相应防老化处理；
(17)结构设计
本设备在设计中贯彻通用化、系列化、模块化思想；
满足项目要求的防腐蚀、防盐雾、电磁环境等要求；
紧固件采用不锈钢材料，防止紧固件腐蚀；
天线阵的结构设计注意密封防水等措施；
进行结构可靠性设计，尽量采用标准系列构件，同一品种的零、部、整件应具有良好的互换性；
在充分保证结构强度和安全性、可靠性基础上，通过采用新型材料工艺降低结构的整体重量。
天线组成
为达到观测水生植物的总体探测要求，天线系统采用收发分置的天线体制，天线形成水平窄波瓣，垂直宽波瓣的方向图特性。
天线系统主要由一个发射天线、接收天线和天线安装框架等组成，发射天线安装在天线座上端，天线口径0.76m宽×0.16m高，用来发射收发信号，接收天线安装在天线座下端，天线口径0.76m宽×0.16m高，用来接收目标回波信号并将信号送给接收机。
天线系统采用波导平面阵列天线，各天线分别由天线罩、辐射面阵、耦合波导、馈电网络以及天线支撑框架等组成。辐射面阵由若干开缝波导组合而成，在辐射波导的背面还有一些垂直交叉放置的耦合波导，而每个耦合波导通过一个h-t接头或者馈电网络馈电。这样能量通过馈电装置输入耦合波导中，再由耦合缝隙耦合到辐射波导中，最后由辐射缝隙辐射出去。
基于对目标探测的需求，天线系统采用收发分置的连续波工作体制。因为水生植物漂浮在河面上，随着水流的流动，会连续不断的流过所观测区域。为了确保探测的精确性，雷达需连续不断的对目标进行观测，所以天线也必须为连续波工作体制。为了满足连续波的工作要求，将发射天线和接收天线单独分开，一发一收，同时工作。
为了增强产品对气候环境的适应能力，注重环境防护设计，主要包括：防雨、防潮、防霉、防盐雾、防锈蚀等。天线系统应具有天线罩，对天线罩进行电性能设计和结构设计，有效防止波导阵面进水或其他杂物。另外在设计上为避免雨水直接或间接飞溅到重要设备外表面，科学设计安排电缆走向，防止雨水顺电缆进入设备内部；在设计时各暴露在室外的电子设备均充分考虑密封性设计，防止雨水进入造成电子设备的损坏。天线结构应采用通风设计等技术，通过空气流动保证天线面阵的干燥。无源馈线设备连接应采用密封设计，最大程度上保证组件的防护性能。采用耐腐蚀性能较好的金属材料，避免材料的接触腐蚀。当把不允许接触的金属材料装配在一起时，采取相应措施进行防锈蚀处理；
避免积水结构，设备的外罩作恰当的倾斜设计，平面转接处设计成向下平滑，在可能积水和留存湿气处，开设排水孔和排气孔；设计上避免了和消除缝隙结构及搭接结构，对能形成缝隙腐蚀的地方进行密封、涂覆处理；所有金属件的外棱边都倒成圆角；以有利于获得适当附着牢固的油漆层或金属镀层；对于表面需油漆的零件，选择与金属件结合力强且性能稳定的漆种，如丙烯酸聚氨酯油漆；对于不进行油漆的金属件，选择适合的电镀工艺或化学方法进行防锈蚀处理；结构件下工作条件要求进行表面涂覆，紧固件采用耐候钢材料。外露结构件尽可能避免配焊，焊缝保证连续，钢结构件必须采用整体重防腐的喷铝(锌)处理。
天线系统相关计算
(1)增益估算
根据天线增益计算公式：
as—天线有效面积
λ—天线工作波长
ηx,ηy—天线加权口径效率
η—天线效率
将已知参数代入公式，可计算出天线0.76m×0.16m增益为35db。
(2)天线阵列单元数选择
收发天线的口径为0.76m宽×0.16m高，波导为宽边纵缝阵列天线，波导选用非标准波导，尺寸为8.4mm×4.2mm×0.95mm。为满足驻波阵列天线的要求，单元缝的间距为波导波长的一半。即18.70mm。计算得到线源方向列单元数m为：
m＝(l-0.5*λg)/(0.5*λg)＝(760-9.35)/9.35＝80.28
根据计算取单元数m为80。
因为波导宽边尺寸为8.4mm，整体加工时波导公共壁厚为0.95mm，所以，通过计算得到线源行数为14。即整个阵面天线单元为14×80。
(3)天线理论方向图计算
为获得所需的天线副瓣电平，阵列中各天线单元的激励电流的幅度按照一定的照射函数(如chebyshev切比雪夫分布、taylor泰勒分布、hamming汉明分布等)进行加权，这种方法称为幅度加权方法。
通常切比雪夫分布天线阵的波瓣具有相等的副瓣，这种波瓣所对应得口径分布中，往往在两端的单元上形成较大的电流，工程实践中，不易做到。泰勒利用修改副瓣结构的办法，对此作出了改进。他的办法是，把均匀分布波瓣中靠近主瓣的若干副瓣移动位置，使他们具有近似相等的电平，而更远的副瓣则让它们按照均匀分布时波瓣的形状变化，这样可避免在两端的单元上形成较大的电流。因此，在工程设计中通常采用泰勒分布。
收发天线口径：0.76m宽×0.16m高，根据天线理论，为实现水平低副瓣电平，而天线增益又不致下降太多，水平幅度分布选用泰勒函数分布较为合适，根据天线理论，对于m×n相同天线单元组成的平面阵列天线方向图为：
式中：dx—沿x轴辐射单元间距；
dy—沿y轴辐射单元间距；
k—2π/λ；
m—沿x轴方向辐射单元个数；
n—沿y轴方向辐射单元个数；
当
天线欲实现天线-20db副瓣电平，则根据工程设计经验，需至少按照-25db副瓣电平的泰勒分布来进行理论设计，且必须通过天线精确的幅度和相位补偿的方式来实现。将单元数、间距等参数带入matlab程序中得到理论天线方向图如图3和图4所示，收发天线理论计三维波瓣图如图5所示。
天线仿真设计
通过分析选定工作频率为24ghz的波导平面阵列天线。其中，波导尺寸为8.4mm×4.2mm×0.95mm。波导波长λg为18.70mm。
通过理论分析计算，主要通过商业软件cst进行整体仿真计算。主要包括辐射波导和耦合波导电导参数提取、辐射面阵仿真计算、耦合波导仿真计算、馈电网络仿真计算以及一体化仿真计算。
通过电导参数提取，结合实际的幅度分布，得到辐射缝的偏移量和耦合缝的倾角，建立收发天线仿真模型如图6所示，计算三维波瓣图结果如图7所示，收发天线仿真水平面波瓣图如图8所示，收发天线仿真垂直面波瓣图如图9所示。
从仿真结果可知，各天线系统技术指标都满足设计要求。
宽带信号的天线性能分析
雷达采用的是300mhz的线性调频信号，中心频率f0为24ghz，该信号在波导裂缝天线中存在传输群延时。因此，会造成波束指向的偏差，仿真计算f0-150mhz、f0、f0+150mhz三个频点的波束指向如图10所示。
由于300mhz带宽是在一个信号周期中出现且连续的，而频域检测时无法在时域分开，因此，波束指向的偏差导致波瓣的展宽变形。最终，天线系统对300mhz信号的实际波束形状如图11所示。该波束偏差，通过子阵分块的形式可以减小。预计最终波束展宽0.4°左右。
射频微波系统由接收前端、数据采集模块(以下也称a/d模块)、频率合成组件三部分组成，集中使用整机的直流稳压电源供电，接收系统与发射系统的一起装入置于天线支臂中，工作于室外环境。
频率合成组件提供接收前端所需的本振信号，adc模块所需的同步时钟信号，以及线性调频的激励信号。
频率合成组件由时钟参考电路、波形产生电路(以下也称扫频本振)、发射通道、接口控制电路以及电源处理等组成，内部电路主要由高稳定度低相位噪声的恒温晶振、梳状谱、微波数字锁相环、混频滤波放大通道、数字控制以及电源稳压滤波电路等构成。
时钟参考电路如图12所示：
时钟参考电路由恒温晶振产生100mhz信号，经adp-2-1w两功分器输出一路给12g源做梳状谱激励源；一路经sca-4-10四路功分器分别供给3.5ghz，cro锁相源；ltc6946-2输出接收三本振信号820mhz；经ltc6946-1输出发射激励信号750mhz；经放大器输出13dbm信号供信号处理机当采集时钟；
波形产生电路如图13所示：
一本振信号由cro锁相环电路产生3.5ghz信号与梳状谱产生12g信号经滤波、放大后混频产生后经滤波、放大、功分后供发射通道和接收模块一本振。
扫频本振由3.5g分两路一路经放大、倍频、滤波产生7ghz做本振信号；一路给ad9914做时钟，产生600～900mhz信号，两种信号经hmc558混频器混频后经滤波、放大、功分供发射通道和输出给接收模块做二本振；
发射通道如图14所示：
发射通道由频率合成器产生750mhz与扫频本振源(7.6～7.9ghz)混频，经滤波放大后在与一本振(15.5ghz)混频，输出23.85～24.15ghz信号，后经滤波混频、放大经隔离器输出。
性能指标如下：
1)激励：24ghz±50mhz(23.85～24.15ghz)、功率：1～1.3w、相位噪声：l(1k)≤-103dbc/hz，l(100k)≤-113dbc/hz；
2)一本振：15.5ghz、功率：13dbm±1dbm、相位噪声：l(1k)≤-108dbc/hz，l(100k)≤-118dbc/hz；
3)二本振：7.75ghz(7.6～7.9)、功率：10dbm±1dbm；相位噪声：优于一本振；
4)三本振：820mhz、功率：10dbm±1dbm，相位噪声：优于二本振；
5)时钟：100mhz，功率：13±0.5dbm，相位噪声：l(1k)≤-140dbc/hz，l(100k)≤-150dbc/hz；
6)扫频信号调频带带宽内幅度一致性：≤1db；
7)输出杂波：激励≥60dbc、一本振≥70dbc、二本振≥70dbc、三本振≥70dbc、时钟≥70dbc；
8)谐波抑制：激励≥55dbc、一本振≥60dbc、二本振≥60dbc、三本振≥60dbc、时钟≥60dbc；
9)功率起伏：≤0.5db
10)功耗：≤30w；
11)点频和线性调制交替输出各1s，线性调频时间1ms，调频带宽300mhz，调频线性度≤2/1000。
性能指标分析计算如下：
(1)一本振主要指标分析
影响相位噪声指标的因素主要有参考源的相位噪声和鉴相芯片低噪以及vco的相位噪声。最终输出信号的10khz以内的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声及和鉴相芯片底噪，100khz以外的相位噪声主要取决于vco的相位噪声。
1)影响相位噪声的关键器件指标：
a.压控振荡器：≤-130dbc/hz@100khz
b.恒温晶振：≤-155dbc/hz@1khz
c.鉴相器：-153dbc/hz@10khzoffset@100mhz
2)一本振的相位噪声分析：
a.环路带宽内相位噪声的计算公式：floor+20log(f0/fpd)+10logfpd
其中lfloor为pll芯片的归一化低噪，f0/fpd是输出频率除以鉴相频率即倍频次数n，fpd为鉴相频率。
将上述参数带入公式可计算：
环路带内的相位噪声为-226+20log(3500/100)+10log(100×106)≈-125dbc/h。
另外再加上实际工程的恶化及其他参数的恶化2db，可得出环路带内的相位噪声为-123dbc/hz。
b.参考源的相位噪声的恶化计算(3.5ghz)：20log(f0/fpd)＝20log(3500/100)＝31dbc/hz
按参考的相位噪声为-155dbc/hz@1khz来计算恶化后的相位噪声为：
-155+31＝-124dbc/hz@1khz；
由于参考恶化后的相位噪声高于环路带内的相位噪声，最终输出的相位噪声还是取决于环路带内的相位噪声即-123dbc/hz@1khz；由于3.5ghz的信号还与12ghz信号混频，最终输出的相位噪声取决于差的一个信号源，12ghz信号为倍频形式，加上梳状谱所恶化为：-155+20log(12000/100)+4＝109dbc/hz@1khz，所以最终输出一本振的相位噪声为：-109dbc/hz@1khz。
c.环路带外相位噪声分析
环路带宽外的相位噪声主要取决于vco本身的相位噪声，具体的指标可根据vco技术指标中100khz～1mhz相位的相位噪声来估算。该本振源的环路带外的相位噪声估算如下：130dbc/hz@100khz。
2)一本振的杂散抑制度分析：
一本振的杂散主要有鉴相杂散和混频杂散2种，由于3.5ghz锁相环的鉴相频率为100mhz，所以鉴相杂散会分别分布在偏离输出频率100mhz处，具体的计算如下：
对于电荷泵型的锁相环，鉴相杂散主要包括两各方面，一是泄漏杂散，二是脉冲杂散，其杂散公式如下：
spur＝10log(10leakagespur/10+10pulsespur/10)
设鉴相泄漏电流为1na，下面分别计算它的两个杂散。
leakagespur＝baseleakagespur+20log(leakage/kφ)+20logcl(s)|
＝16.0+20log(1na/5ma)+20log|cl(s)|
＝-118+20log|cl(s)|
pulsespur＝basepulsespur+40log(fspur/1hz)+20logcl(s)|
＝-306dbc+40log(fcomp/1hz)+20log|cl(s)|
＝-10+20log|cl(s)|
spur≈pulsespur＝-10+20log|cl(s)|
鉴相泄漏电流为1na，basepulsespur不是确定的-306dbc，而是在此值左右。由于鉴相频率为100mhz，频率较高，鉴相杂散主要由脉冲杂散决定，而环路带宽一般取小于500khz，这样在环路滤波器的低通性质可以很好的抑制该杂散。根据以往经验，本方案选用大约500khz的环路带宽，可以将杂散抑制做到-85dbc以下。混频产生的杂散见滤波器杂散分布图所示，混频滤波输出杂散大于75dbc.
(2)其余指标分析
二本振、三本振、发射激励信号的杂散和相位噪声指标均可优于一本振的指标，无技术难度。根据试验验证情况得到的指标如下：
750m相位噪声指标：
124dbc/hz@1khz，
122dbc/hz@100khz，
820m相位噪声指标：
123dbc/hz@1khz，
121dbc/hz@100khz，
7g相位噪声指标(3.5ghz倍频)：
-155+31＝6＝-116dbc/hz@1khz；
-120dbc/hz@100khz；
杂散指标：≥75dbc。
输出功率由各本振的输出放大器决定，通过放大器的技术指标可看出均留有较大的余量，所以不难实现。
dds位噪声指标和杂散：
噪声指标:-128dbc/hz@1khz，
-133dbc/hz@100khz。
dds杂散:宽带杂散为：55dbc
500khz窄带内实测20khz步进数据为75dbc。
上述3500mhzcro振荡器的主要技术指标如图15所示。
接收通道电路如图16所示：
接收通道信号输入23.85ghz～24.15ghz经限幅器、低噪声放大器、滤波器、一混频得到7.75ghz带宽300mhz一中频，经滤波器后放大进入第二级混频器得到第二中频750mhz(信号带宽500khz)、经滤波放大、数控衰减器后进入第三级混频器输出第二中频70mhz，经滤波放大、数控衰减器放大在低通滤波器输出。
其主要技术指标为：
(1)回波频率：24ghz±150mhz；
(2)一本振频率：15.5ghz；
(3)二本振频率：(7.75mhz±150mhz)；
(4)三本振频率：820mhz；
(5)噪声系数：≤4.5db(低、常温)、≤5db(常温)；
(6)腔体设计5位开关，用于调节接收通道增益，步进1db，衰减累计误差≤1db；
(7)通道增益：50±1db，衰减为0时；
(8)pin1db≥-20dbm(衰减为20db时)；
(9)pout1db≥+10dbm(衰减为0db时)；
(10)射频滤波器带宽：bw-1db≥300mhz(f0＝24ghz)；
bw-3db≤500mhz；
带外抑制：≥60db(f0±2g)；
(11)回波通道镜频抑制度：≥70db(与第一中频及本振对应)；
(12)接收通道对频率合成组件隔离度：≥80db；
(13)中频频率：70mhz；
(14)中频带通滤波器带宽：bw-1db≥5mhz；
bw-40db≤40mhz；
(15)限幅器最大承受功率(cw)：≥1.5w；
(16)回波输入端口驻波比：≤1.5；
(17)功耗：≤10w。
技术指标分析计算
(1)接收机带宽计算
根据线性调频雷达原理，通过测量偏离中频的频谱得到作用目标的距离，计算公式如下：
式中fb位距离中频信号的差频；δf为线性调频带宽；r为目标距离；tm为调制时间；c为光速。
根据雷达总体要求，线性调频带宽为300mhz，最大目标距离为200m，调制时间为1ms，可以算出最大偏频fb为400khz。根据实际需求，预留足够带宽，接收机带宽设计为500khz。
(2)噪声系数、增益、输出p-1db功率
nf＝nf1+((nf2-1)/gp1)+((nf3-1)/(gp1*gp2))+((nf4-1)/(gp1*gp2*gp3)；
接收通道：第一级为波导转换，其插损为0.4db；第二级为限幅器0.75db，，第三级为低噪块放大器为1.8db第四级为回波滤器器插入损耗1.5db，后级混频器8db等。
噪声系数、增益、输出p-1db功率计算
噪声系数：3.73db；
增益：51.3db；
输出p-1db压缩点：+11.88dbm
(3)限幅器
低噪声放大器最大输入功率18dbm，限幅器指标参数如表3所示：
表3
(4)回波输入驻波
接收输入驻波由限幅器、低噪声放大器决定，回波驻波＜1.5，其曲线如图17所示。
(5)镜频抑制度，如图18所示：
接收镜频抑制度：接收下变频，相对杂波容易处理，在低噪声放大器后加入了滤波器，对23.85ghz～24.15ghz之外的信号进行滤除，中频中加了高低通滤波器，对本振，射频信号进行了抑制，二中频本振中加入了带通滤波器，一本振频率为15.5ghz，下变频，因此镜频频率为7.15ghz～7.45ghz，从滤波器抑制看，抑制大于90dbc。
a/d模块
a/d模块，即数据采集模块，主要实现中频信号数字化，由于接收机输出信号中频为70mhz，而实际有用带宽仅有500khz，并且为了减小后端输出处理的数据量。因此，考虑采用欠采样，并抽取到低数据率的方式实现。
如图19所示，数据采集模块主要包含反混叠滤波器、adc、fpga和以太网传输模块四个部分。接口有时钟输入xs1，中频输入xs2，电源输入接口xs3，通信接口xs4和同步接口xs5。
adc要求有效位为12.5位，选用linear公司的ltc2207，它的主要性能参数如下：
(1)输入电压范围(vpp)：2.25v(11dbm)；
(2)最大采样频率：105msps；
(3)无伪峰动态范围(sfdr)：82db；
(4)噪声基底(noisefloor)：77.3dbfs；
(5)有效位：12.9位。
反混叠滤波设计
反混叠滤波器主要用于防止adc带通采样时的噪声混叠现象。反混叠带通滤波器参数如下：中心频率f0＝70mhz；bw-1db＝3～5mhz；bw-40db<40mhz；bw-80db<70mhz
带外噪声的混叠示意图如图20所示，混叠到带内噪声强度小于-77db，低于adc的12.5位的有效位。
fpga实现
fpga采用xilinx公司的k7系列的xc7k325t-1ffg900i，信号处理流程如图21所示。
adc采样数据经过数字下变频后进入抽取滤波器，一共有三级抽取滤波器(2倍抽取、5倍抽取和5倍抽取)，相当于2mhz的采样率，然后经过一个高通滤波器后将数据打包成固定格式送到传输模块。
以太网传输模块将数据通过网口传输至计算机。计算机通过解包软件，将数据解算出来，按照1s的数据长度写入硬盘，并标注时间和信号格式信息。同时，该数据也可放入指定内存，供后端数据处理使用。
数据处理和终端显示系统
数据处理和终端显示系统由数据处理软件和终端显示软件构成。完成水浮植物各信息的在线实时测算和显示。终端系统将雷达探测到的数据经过处理、变换、计算等步骤，产生出所需的数据和图象产品，系统的硬件选择主要考虑了硬件平台的通用性和可靠性，使用pc机。雷达回波的数据通过以太网传输至pc机。
软件工作平台的选择应考虑到通用性、兼容性和可维护性。它包括计算机的操作系统和应用程序的编程语言两大方面。软件工作平台选择的好坏，直接影响着软件开发的效率、可移植性以及整个系统的良好运行。正是基于这种考虑，我们选用windows作为操作系统，visualc++为编程语言。
数据处理软件系统的总体结构
本系统所有的软件都建立在windowsxp/7下，采用visualc++开发，具有统一的操作界面。所有的设置都是以菜单驱动方式设计的，由系统设置程序完成，它能提供给用户交互式的选取或输入参数，同时也允许用户将结果保存到磁盘上使得设置的各种雷达参数可被系统重新调用和修改。
实时参数设置和定时参数设置生成实时参数表和定时参数表，这两个表由雷达实时处理程序调用。雷达实时处理控制雷达工作状态、数据采集及显示水生植物分布实况，它包括前台实时处理软件和后台实时处理软件。雷达实时处理程序将采集到的原始极坐标雷达数据保存到磁盘上。
产品参数表由产品参数设置程序设置生成。
产品生成表由产品生成设置程序设置生成。
原始数据为雷达输出产品生成处理的起点。所有的雷达输出产品都是由相应的产品生成处理程序，调用此原始数据，在产品参数表和产品生成表共同作用下生成的。
在全自动产品生成方式下，用户在系统每次作产品处理时，设置所需的产品列表，系统通过批作业的处理方式调用此表，生成相应的图象产品文件和数据产品文件并存档，以便系统在产品分发表的控制下分发给相应的用户或由其他用户通过网络或其他通信设备来调用。
采用统一的用户界面。基本画面大小为640x480(单位为象素点)，画面大小如果改变，长宽将按同一比例调整。以16种彩色作为产品的分层，为雷达拼图及雷达组网提供了方便。图中产品信息区包括：彩色对照表、时间、日期、显示距离、天线方位、天线仰角、显示高度、重复频率、雷达站名等。附加信息显示区主要是显示一些用户特殊要求的信息，如强回波的强度以及位置信息、二次产品显示所用文件，也可显示图形，如实时强度观测时，可以同步显示实时观测到的速度回波。
图形显示工作区是显示雷达实时扫描回波图和二次产品图。基本大小为480x480象素。横坐标显示时间轴，单位为秒。纵坐标显示河面宽度，分辨率为1米。绘制每1秒的数据，显示实时的河面雷达回波分布情况和强度，随着时间的推移，图形进行滚动更新，显示一段时间的雷达回波分布和情况。后期建立雷达数据和水植物分布的对应关系，即演示水植物分布和强度情况。
系统设置包括实时参数设置、定时参数设置、产品参数设置、产品生成设置、产品分发表设置等。所有这些功能都由系统设置程序完成。本程序充分利用windowsxp/7的界面功能，采用下拉菜单驱动方式提供给用户选择、修改、查看各种雷达参数。用户设置的参数由系统设置程序相应地生成实时参数表、定时参数表、产品参数表、产品生成表、产品分发表。这些参数表被不同的应用程序所调用，控制系统来完成不同的功能或生成不同的雷达输出产品。这样不仅极大地方便了用户增加不同的功能，同时也使系统的可伸缩性得到了完善。文件管理是管理本系统所产生的所有数据资料和产品资料，其中包括自动和人机交互两种方式。
原始文件是雷达实时处理程序在每次运行过程中从信号处理采集的数据，它不同于雷达输出产品文件，而且不同的工作方式所形成的原始文件是不同的。文件管理就是提供管理在磁盘上的各种不同的雷达产品所形成的文件的程序。
为了提高输出产品的传输速度，系统还提供处理文件的压缩和恢复功能。当用户设定传输方式为压缩方式时，在产品传输之前自动将文件压缩，然后再传输。同时当接收到的文件是压缩文件时，自动将其恢复成原始格式。
系统使用一个看门狗软件，通过用户的参数设置，看门狗软件采用自动或人机交互方式运行。自动方式运行时，自动删除用户设定为过时的数据和图象文件。人机交互方式运行时，看门狗软件并不自动删除过时文件，而是当磁盘空间低于用户设定值时，给出报警提示，以便用户利用文件管理去保存文件，删除不必要的文件。文件管理程序提供对看门狗软件及数据压缩的设置，具体设置有、保留数据的时间、压缩、剩余空间大小，保留数据的时间的设置告诉看门狗，在自动方式时此时间以前的文件可以被删除。压缩设置可选压缩和不压缩两种方式在人机交互方式时，如果剩余磁盘空间小于剩余空间设定值，看门狗便给出报警信息。设定看门狗的工作方式为自动方式和人机交互方式。
数据处理模块
利用河流和水生植物反射能力的差异，探测水面漂浮的水生植物。通过测量流经测量断面的水生植物分布情况，以及在该断面下的移动速度来综合计算水生植物的面积。
(2)1s的线性调频连续波信号处理方法
线性调频连续波信号实现水面漂浮物的面积测量。通过宽带信号测量截面维每个距离点的回波强度，在频域进行检测，通过有无水生植物的回波强度变化来确定水生植物的面积。
连续发1000个1ms的线性调频连续波信号，处理第1ms的数据和第1000ms的数据。
①在正常条件下，找一块没有水浮植物的水面，测出方位波束宽度内每个分辨单元水的反射强度，作为检测基准门限值。
②对1ms的回波信号进行检测，以①中得到的值作为基准门限，根据实际情况在进行调整，判断每个分辨单元有无水浮植物。
③保存每个距离点的强度值，对有水浮植物的距离点作出标记。
(3)1s的点频连续波信号处理方法
点频信号仅用于水面漂浮物的速度测量。
1)对采集数据求功率谱密度；
2)在中频500khz左右各取1khz的数据进行门限检测，超过门限即认为有目标(正常情况下，一般水速小于0.1m/s，fd＝2v/λ，因此最大多普勒频率约为16hz，考虑有风等异常情况下留有余量两边各取1khz)。门限值以1.2中①作为基准进行微调。
3)根据检测频率求出目标速度。
(4)求目标面积
河宽按50米计算，按距离分辨单元0.6米划分，方位波速宽度1°，则方位波束内最远处距离约0.8米。
1)目标面积较小
当目标的面积小于等于一个距离分辨单元的面积(<＝0.6*0.6)时，如图22中的目标1，此时测出的回波强度是变化较陡的钟型曲线，此时测出的水流同向的时间维目标长度l2为：
其中：2代表测量时间间隔2秒，vi代表每个测量时间间隔求出的水流速度(＝水浮植物测量速度/sinθ)，n代表连续出现目标的时间间隔个数，d是一个固定值，指截面维不同距离单元点所对应的方位波束宽度内的横向距离，如图22所示。
根据目标出现的距离单元，即可求出目标截面维的长度l1＝测量截面维长度*cosθ。
则面积：s＝l1×l2
2)目标面积较大
将时间和距离单元都连续出现的目标作为一个大目标，如图22所示的目标2、目标3和目标4。此时测出的回波强度变化类似带通滤波器，两边变化较陡，中间是较平缓的，则与水流同向的时间维目标长度l2为：
l2＝2×vi
其中：2代表测量时间间隔2秒，vi代表每个测量时间间隔求出的水流速度。
根据目标出现的距离单元，即可求出目标距离维的长度l1(＝测量截面维长度*cosθ)，如果测的目标截面维距离单元不连续，则
则每个时间间隔测出的水浮植物面积为：si＝l1×l2
则目标面积为：
n代表连续出现目标的时间间隔个数，d'指目标截面维不同距离单元点所对应的方位波束宽度内的横向距离的最大值，v′指当前目标最后一次检测速度，m指面积重复计算的时间间隔个数，s'指通过波束宽度内的水浮植物的重复计算面积。
每半个小时给出流经测量截面的一个总面积并保存结果。
(5)数据存储
1)原始数据存储
存储数据为16bit浮点数，每秒2m的数据率，则1秒钟4mb，1小时14gb，一天24小时不间断存储需要约340gb的存储空间。连续存三天的数据则需要1020gb。样机试验电脑的硬盘1.2t，因此只能保存在最近三天的数据。后续上硬件后，如果想要存储更多数据，可考虑无线数据传输，将数据传到数据中心进行存储，具体实施方法待进一步考虑。
2)检测结果存储
包括检测时间(年月日时分秒)、距离、强度信息，每秒的检测结果都存储，半个小时为时间间隔(暂定，具体以后续试验结果为准)，每半个小时存储成一个文件，每半个小时给出流经测量截面的水浮植物的面积值。
(6)数据传输、处理、存储及显示时间计算
为了保证数据处理的实时性，要求数据传输处理显示存储时间能够适应数据采集时间。整个数据传输流程如图21所示。原理样机数据处理的计算机性能暂定于信号处理部现有的服务器同等性能，其处理器为英特尔e5，2.4g，8核，内存64g。
a/d后数据通过网线传入数据缓存区的时间。输入信号为16bit浮点数，1s共2m个采样点，因此所需传输的数据量为32mbi。
数据传输拟采用万兆网，万兆网的传输速率为10000mb/s，设网络传输效率为50％(各层网络协议解析占用带宽)，传输32mb的数据需耗时6.4ms，将数据写入硬盘，电脑硬盘存储速率20mb/s，存2m点16bit数据需要200ms。从硬盘读取数据到内存，电脑硬盘读取速率30mb/s，读2m点16bit数据需要140ms。从内存到cpu，pci-e总线的传输速率为8gb/s，32mb的数据从内存到cpu的时间为4ms，cpu对数据进行fft处理及门限检测需要600ms。显示采用1s数据同时显，所需时间约为50ms。因此1s的线性调频信号处理时间约为1秒。
接着是1s的点频信号，我们只取其中一小段数据处理，求速度，时间约为200ms。
因此1s的线性调频信号+1s的点频连续波处理时间约为1200ms，所以2s的重复时间间隔可以完成处理，不会丢失数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。