一种双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪的制作方法

1.本技术涉及水文技术领域，尤其是一种双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪。


背景技术：

2.非接触式的多普勒雷达流速仪通过计算接收回波信号与发射电磁波信号的频率差值，基于多普勒原理可以得到液面流速，从而实现流速测量。多普勒雷达流速仪的操作简单，可在远端进行控制及通信，同时不受泥沙及污水腐蚀影响，使用寿命长，维护成本低，近年来已被广泛应用于水文水利等领域。
3.目前在使用多普勒雷达流速仪时，一般要求多普勒雷达流速仪要安装在水渠、河道、水库、湖泊等水域的中心线位置处，且要顺着水流方向发射脉冲并采集回波信号，才能实现流速测量的效果。但是实际应用环境比较复杂，受风向等其它因素影响，多普勒雷达流速仪安装好以后的工作过程中，水域中的水流方向并不固定，当水流方向发生变化时，多普勒雷达流速仪发射的脉冲不再顺着水流方向，就会导致测得的流速不准确。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪，本技术的技术方案如下：
5.一种双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪，该侧扫多普勒雷达流速仪悬挂安装在水域岸边的支架上，侧扫多普勒雷达流速仪执行的流速测量方法包括：
6.按照俯角α向水域的表面不同位置发射两个电磁波波束，并分别接收两个电磁波波束经水面反射后返回的回波信号；
7.基于多普勒原理根据两个回波信号分别计算得到的两个流速分量，并将两个流速分量按照俯角α投影到水面得到两个水面投影流速；
8.基于卡尔曼跟踪算法对两个水面投影流速进行滤波处理；
9.对滤波处理后的两个水面投影流速v
1p
和v
2p
进行矢量合成得到水域的流速测量结果。
10.其进一步的技术方案为，侧扫多普勒雷达流速仪在基于卡尔曼跟踪算法对两个流速分量进行滤波处理时：
11.对于每个流速分量，基于流速分量的当前时刻的测量值、前一时刻的预测值和前一时刻的测量值更新卡尔曼跟踪算法的系统噪声的协方差和测量噪声的协方差，并利用更新后的卡尔曼跟踪算法对流速分量的当前时刻的测量值进行滤波处理。
12.其进一步的技术方案为，更新系统噪声的协方差和测量噪声的协方差的方法包括按照下列公式更新：
[0013][0014]
其中，r(k)是更新后的测量噪声的协方差，q(k)是更新后的系统噪声的协方差，r
(k-1)是更新前的测量噪声的协方差，q(k-1)是更新前的系统噪声的协方差；λ是补偿量权值；x(k)是流速分量的当前时刻的测量值，x(k-1)是流速分量的前一时刻的测量值，x
′
(k-1)是流速分量的前一时刻的预测值。
[0015]
其进一步的技术方案为，对滤波处理后的两个水面投影流速v
1p
和v
2p
进行矢量合成得到水域的流速测量结果的方法包括：
[0016]
根据滤波处理后的两个水面投影流速v
1p
和v
2p
的流动速率以及方向，通过矢量合成得到水域中水流的流动速率vr和流动方向，得到流速测量结果；其中，水域中水流的流动速率为β是根据滤波处理后的两个水面投影流速v
1p
和v
2p
的方向确定的两个水面投影流速之间的夹角。
[0017]
其进一步的技术方案为，两个水面投影流速之间的夹角β为：
[0018]
当两个水面投影流速均沿着水流正方向或者均沿着水流负方向时，确定β＝|γ
1-γ2|；
[0019]
当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且两个水面投影流速与零度角方向的夹角之和超过180
°
时，确定β＝360
°‑
γ
1-γ2；
[0020]
当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且两个水面投影流速与零度角方向的夹角之和未超过180
°
时，确定β＝γ1+γ2；
[0021]
其中，γ1是水面投影流速v
1p
与零度角方向的夹角，γ2是水面投影流速v
2p
与零度角方向的夹角，水流正方向从侧扫多普勒雷达流速仪所在一侧的岸边指向对向的另一侧岸边，水流负方向从对向的另一侧岸边指向侧扫多普勒雷达流速仪所在一侧的岸边；零度角方向平行于侧扫多普勒雷达流速仪所在位置的岸边。
[0022]
其进一步的技术方案为，得到水域中水流的流动方向的方法包括：
[0023]
当两个水面投影流速的方向均沿着水流正方向时，确定水域中水流的流动方向沿着水流正方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
min
+φ；当两个水面投影流速的方向均沿着水流负方向时，确定水域中水流的流动方向沿着水流负方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
min
+φ；其中，+φ；其中，表示两个水面投影流速中与零度角方向的夹角较小的一个水面投影流速，γ
min
表示与零度角方向的夹角；表示两个水面投影流速中与零度角方向的夹角较大的一个水面投影流速，γ
max
表示与零度角方向的夹角；
[0024]
当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且两个水面投影流速与零度角方向的夹角之和超过180
°
时：当γ
p
+ψ≤180
°
时确定水域中水流沿着水流正方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
p
+ψ；当γ
p
+ψ》180
°
时确定水域中水流沿着水流负方向且与零度角方向的夹角为θ＝360
°‑
(γ
p
+ψ)；
[0025]
当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且两个水面投影流速与零度角方向的夹角之和未超过180
°
时：当γ
p-ψ≥0
°
时确定水域中水流沿着
水流正方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
p-ζ；当γ
p-ψ《0
°
时确定水域中水流沿着水流负方向且与零度角方向的夹角为θ＝ζ-γ
p
；
[0026]
其中，其中，是两个水面投影流速中沿着水流正方向的水面投影流速，γ
p
是与零度角方向的夹角；是两个水面投影流速中沿着水流负方向的水面投影流速，γn是与零度角方向的夹角；
[0027]
其中，水流正方向从侧扫多普勒雷达流速仪所在一侧的岸边指向对向的另一侧岸边，水流负方向从对向的另一侧岸边指向侧扫多普勒雷达流速仪所在一侧的岸边；零度角方向平行于侧扫多普勒雷达流速仪所在位置的岸边。
[0028]
其进一步的技术方案为，侧扫多普勒雷达流速仪执行的流速测量方法还包括：
[0029]
对矢量合成得到的水域的流速测量结果进行矢量分解，得到各个水面方向的流速分量，构建得到水域的二维水面流速剖面图，二维水面流速剖面图包含水域的水面任意方向上的流速分量。
[0030]
其进一步的技术方案为，侧扫多普勒雷达流速仪包括主控芯片及其相连的两个射频收发芯片，侧扫多普勒雷达流速仪悬挂安装在水域岸边的支架上时，两个射频收发芯片的射频收发通道按照俯角α分别朝向水域的表面不同位置；主控芯片分别通过两个射频收发芯片发射两个电磁波波束并分别接收对应的回波信号。
[0031]
其进一步的技术方案为，俯角α与支架的高度和水域的宽度相关，侧扫多普勒雷达流速仪发射的电磁波波束覆盖水域的有效区域。
[0032]
其进一步的技术方案为，侧扫多普勒雷达流速仪执行流速测量方法得到水域的流速测量结果后进入休眠状态，直至下一个工作周期再执行流速测量方法。
[0033]
本技术的有益技术效果是：
[0034]
本技术公开了一种双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪，该侧扫多普勒雷达流速仪通过获取水域的水面上两个不同方向的水面投影流速，合成得到流速测量结果，即便水域中的水流方向发生变化也能准确快速的得到流速测量结果，而且本技术结合自适应更新噪声的协方差的卡尔曼跟踪算法进行滤波处理，可以降低天气等外界因素带来的误差，提高测量精度。
[0035]
相较于传统多普勒雷达流速仪只能获取固定方向上的流速的限制，本技术在得到流速测量结果后，可以计算得到各个水平水面方向上的流速分量，形成二维水面流速剖面图，实现全方向的流速测量。
[0036]
该侧扫多普勒雷达流速仪只需悬挂安装在水域的岸边，而无需悬挂安装在水流中线上，因此降低了使用安装难度。
附图说明
[0037]
图1是一个实施例中的双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪的工作场景示意图。
[0038]
图2是一个实施例中的侧扫多普勒雷达流速仪执行的流速测量方法的方法流程图。
[0039]
图3中的(a)是一个实例中两个水面投影流速均沿着水流正方向的角度关系示意图，图3中的(b)是一个实例中两个水面投影流速均沿着水流负方向的角度关系示意图。
[0040]
图4中的(a)和(b)是水面投影流速v
1p
沿着水流负方向、水面投影流速v
2p
沿着水流正方向，且γ1+γ2》180
°
的两个实例中的角度关系示意图。
[0041]
图5中的(a)和(b)是水面投影流速v
1p
沿着水流正方向、水面投影流速v
2p
沿着水流负方向，且γ1+γ2≤180
°
的两个实例中的角度关系示意图。
[0042]
图6是一个实例中根据流速测量结果构建得到的水域的二维水面流速剖面图的示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本技术的具体实施方式做进一步说明。
[0044]
本技术公开了一种双向测流的侧扫多普勒雷达流速仪，请参考图1，该侧扫多普勒雷达流速仪1悬挂安装在水域3岸边的支架2上。侧扫多普勒雷达流速仪1内部包括主控芯片及其相连的两个射频收发芯片，当该侧扫多普勒雷达流速仪1悬挂安装在水域3岸边的支架2上时，两个射频收发芯片的射频收发通道按照俯角α分别朝向水域3的表面不同位置，主控芯片分别通过两个射频收发芯片发射两个电磁波波束并分别接收对应的回波信号。如图1所示，侧扫多普勒雷达流速仪1通过两个射频收发芯片发射电磁波波束4和电磁波波束5。
[0045]
安装侧扫多普勒雷达流速仪1时，保证两个射频收发芯片的射频收发通道按照俯角α朝下照射水域3的水面，与水平面之间的俯角α与支架2的高度h和水域3的宽度w相关。使得侧扫多普勒雷达流速仪1发射的电磁波波束覆盖水域3的有效区域，有效区域可以预先设定，通过调整俯角α可以使得波束照射到对岸的位置处，覆盖面积较广。常规方法将多普勒雷达流速仪安装在水域3中心线位置时，若水域3较宽，则需要增加悬挂雷达的杆臂的长度，而本技术不会有这个问题，只需将侧扫多普勒雷达流速仪安装在岸边，可以适应不同宽度的水域3。
[0046]
该侧扫多普勒雷达流速仪1执行的流速测量方法包括如下步骤，该方法由该侧扫多普勒雷达流速仪1内部的主控芯片完成，请参考图2所示的流程图：
[0047]
步骤210，按照俯角α向水域3的表面不同位置发射两个电磁波波束4和5，并分别接收两个电磁波波束经水面反射后返回的回波信号。
[0048]
步骤220，基于多普勒原理根据两个回波信号分别计算得到的两个流速分量。对于接收到的每个回波信号，将回波信号与本振信号进行混频，混频后经过低通滤波放大电路滤除频率为2ωc+ωd的高频信号，得到频率为ωd的频偏信号写为其中，ωd为多普勒频移角频率，ωc为本振信号角频率，a和为参数。对频偏信号进行采样，将频偏信号转换成离散数字形式的离散信号，去除离散信号的直流分量，经过傅里叶变换计算得到多普勒频率，然后根据已知的频率-速度转换公式即可确定多普勒频率对应的流速分量。
[0049]
步骤230，将两个流速分量按照俯角α投影到水面得到两个水面投影流速，得到的水面投影流速包括流动速率和方向。
[0050]
两个水面投影流速的流动速率为v
1p
＝v1·
cosβ，v
2p
＝v2·
cosβ，其中，v1和v2是计算得到的两个电磁波波束对应的流速分量。
[0051]
水面投影流速的方向有两种情况：一种是从射频收发芯片在水面的垂直投影位置指向电磁波波束在水面的照射位置，比如图1中水面投影流速v
1p
的方向可以从a指向b，水面投影流速v
2p
的方向可以从c指向d。另一种是从电磁波波束在水面的照射位置指向射频收发芯片在水面的垂直投影位置，比如图1中水面投影流速v
1p
的方向可以从b指向a，水面投影流速v
2p
的方向可以从d指向c。
[0052]
本技术定义从侧扫多普勒雷达流速仪1所在侧的岸边指向另一侧岸边的方向为零度角方向，从另一侧岸边指向侧扫多普勒雷达流速仪1所在侧的岸边的方向为水流负方向，并将侧扫多普勒雷达流速仪1安装位置处的河岸区域看作是一条直线，预先定义一个平行于岸边的零度角方向，比如图1和图3所示的零度角方向。在本技术中，由于对接收到的回波信号进行了正交混频处理，对每个波束的两路iq信号都进行采样，因此在得到两个水面投影流速可以得到其矢量角，该矢量角指示水面投影流速的方向，实际水面投影流速的矢量角指示了水面投影流速与零度角方向之间的夹角，并指示了水面投影流速沿着水流零度角方向还是水流负方向。
[0053]
比如对于图3中的(a)，水面投影流速v
1p
的矢量角指示其与零度角方向的夹角为γ1且沿着水流零度角方向，比如实际应用时，水面投影流速v
1p
的矢量角为+30
°
度，表示其与零度角方向的夹角为30
°
且沿着水流零度角方向。而对于图3中的(b)，水面投影流速v
1p
的矢量角指示其与零度角方向的夹角为γ1且沿着水流负方向，比如实际应用时，水面投影流速v
1p
的矢量角为-150
°
，表示其与零度角方向的夹角为150
°
且沿着水流负方向。
[0054]
步骤240，基于卡尔曼跟踪算法对两个水面投影流速进行滤波处理。
[0055]
由于侧扫多普勒雷达流速仪测量的是水域3表面的流速，因此容易受风、雨等外界天气影响，导致测量结果出现异常跳动，每一个水面投影流速的异常都会导致最终得到的流速测量结果的大小及方向不准确。因此为了减小外界因素造成的测量误差，本技术通过卡尔曼跟踪算法对得到的两个水面投影流速进行滤波处理。
[0056]
常规的卡尔曼跟踪算法中的系统噪声的协方差和测量噪声的协方差通常为固定的预设值，这并不适合本技术这种存在较多异常数据的场景，因此在一个实施例中，侧扫多普勒雷达流速仪在基于卡尔曼跟踪算法对两个流速分量进行滤波处理时：对于每个流速分量，基于流速分量的当前时刻的测量值x(k)、前一时刻的预测值x
′
(k-1)和前一时刻的测量值x(k-1)更新卡尔曼跟踪算法的系统噪声的协方差和测量噪声的协方差。包括按照下列公式更新：
[0057][0058]
其中，r(k)是更新后的测量噪声的协方差，q(k)是更新后的系统噪声的协方差，r(k-1)是更新前的测量噪声的协方差，q(k-1)是更新前的系统噪声的协方差。λ是补偿量权值，可以根据实际使用过程中对异常值的容忍度来进行调整。
[0059]
然后利用更新后的卡尔曼跟踪算法对流速分量的当前时刻的测量值进行滤波处理。如此卡尔曼跟踪算法的系统噪声的协方差和测量噪声的协方差不断动态更新，既保证平稳过程数据预测值对测量值的依赖占比，保证数据真实性，又可以有效的抑制异常的测量值。
[0060]
步骤250，对滤波处理后的两个水面投影流速v
1p
和v
2p
进行矢量合成得到水域3的流速测量结果。根据两个水面投影流速v
1p
和v
2p
的流动速率以及方向，通过矢量合成得到水域中水流的流动速率vr和流动方向，也即得到的流速测量结果包括水流的流动速率vr和流动方向。
[0061]
根据水面投影流速v
1p
和水面投影流速v
2p
的矢量角可以得到水面投影流速v
1p
和水面投影流速v
2p
之间的夹角β，假设水面投影流速v
1p
与零度角方向的夹角为γ1，水面投影流速v
2p
与零度角方向的夹角为γ2，0
°
≤γ1≤180
°
，0
°
≤γ2≤180
°
，计算得到的0
°
≤β≤180
°
：
[0062]
(1)当两个水面投影流速均沿着水流正方向或者均沿着水流负方向时，确定β＝|γ
1-γ2|，如图3中(a)表示两个水面投影流速均沿着水流正方向，图3中的(b)表示两个水面投影流速均沿着水流负方向。
[0063]
(2)当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且γ1+γ2》180
°
时，确定β＝360
°‑
γ
1-γ2。如图4中的(a)和(b)均以水面投影流速v
1p
沿着水流负方向、水面投影流速v
2p
沿着水流正方向为例。
[0064]
(3)当两个水面投影流速的方向中一个为水流正方向、另一个为水流负方向，且γ1+γ2≤180
°
时，确定β＝γ1+γ2。如图5中的(a)和(b)均以水面投影流速v
1p
沿着水流正方向、水面投影流速v
2p
沿着水流负方向为例。
[0065]
得到两个水面投影流速的夹角β后，即可确定水域中水流的流动速率为
[0066]
确定水域中水流的流动方向的方法为：
[0067]
(1)当两个水面投影流速的方向均沿着水流正方向时，确定水域中水流的流动方向也沿着水流正方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
min
+φ，
[0068]
当两个水面投影流速的方向均沿着水流负方向时，确定水域中水流的流动方向也沿着水流负方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
min
+φ，
[0069]
其中，表示两个水面投影流速中与零度角方向的夹角较小的一个水面投影流速，γ
min
表示与零度角方向的夹角。表示两个水面投影流速中与零度角方向的夹角较大的一个水面投影流速，γ
max
表示与零度角方向的夹角。也即当为v
1p
时γ
min
为γ1，当为v
2p
时γ
min
为γ2。当为v
1p
时γ
max
为γ1，当为v
2p
时γ
max
为γ2。
[0070]
如图3中的(a)以两个水面投影流速的方向均沿着水流正方向，且为v
1p
、γ
min
为γ1，以及为v
2p
、γ
max
为γ2为例。图3中的(b)以两个水面投影流速的方向均沿着水流负方向，且为v
2p
、γ
min
为γ2，以及为v
1p
、γ
max
为γ1为例。。
[0071]
(2)当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且γ1+γ2》180
°
时：
[0072]
当γ
p
+ψ≤180
°
时确定水域中水流沿着水流正方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
p
+ψ。
[0073]
当γ
p
+ψ》180
°
时确定水域中水流沿着水流负方向且与零度角方向的夹角为θ＝360
°‑
(γ
p
+ψ)。
[0074]
其中，其中，是两个水面投影流速中沿着水流正方向的水面投影流速，γ
p
是与零度角方向的夹角。是两个水面投影流速中沿着水流负方向的水面投影流速，γn是与零度角方向的夹角。也即当为v
1p
时γ
p
为γ1，当为v
2p
时γ
p
为γ2。当为v
1p
时γn为γ1，当为v
2p
时γn为γ2。
[0075]
如图4中的(a)以为v
2p
、γ
p
为γ2，且为v
1p
、γn为γ1，且γ
p
+ψ≤180
°
的情况为例。如图4中的(b)以为v
2p
、γ
p
为γ2，且为v
1p
、γn为γ1，且γ
p
+ψ》180
°
的情况为例。
[0076]
(3)当两个水面投影流速中一个沿着水流正方向、另一个沿着水流负方向，且γ1+γ2≤180
°
时：
[0077]
当γ
p-ψ≥0
°
时确定水域中水流沿着水流正方向且与零度角方向的夹角为θ＝γ
p-ζ。
[0078]
当γ
p-ψ《0
°
时确定水域中水流沿着水流负方向且与零度角方向的夹角为θ＝ζ-γ
p
。
[0079]
其中，其余定义如上述情况(2)。
[0080]
如图5中的(a)以为v
1p
、γ
p
为γ1，且为v
2p
、γn为γ2，且γ
p-ψ≥0
°
的情况为例。如图5中的(b)以为v
1p
、γ
p
为γ1，且为v
2p
、γn为γ2，且γ
p-ψ《0
°
的情况为例。
[0081]
由此可以得到水域的流速测量结果，该侧扫多普勒雷达流速仪在实际应用时一般按照周期性执行流速测量，则该侧扫多普勒雷达流速仪执行流速测量方法得到水域的流速测量结果后进入休眠状态以降低功耗，直至执行下一个工作周期中唤醒并按上述流程再次执行流速测量方法。
[0082]
在得到水域的流速测量结果后，还可以对矢量合成得到的水域的流速测量结果进行矢量分解，由此得到各个水面方向的流速分量，构建得到水域的二维水面流速剖面图，二维水面流速剖面图包含水域的水面任意方向上的流速分量如图6示出了其中三个不同的水面方向上由流速测量结果vr矢量分解得到的流速分量v
′r以及其构成的圆形的二维水面流速剖面图。
[0083]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本技术不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本技术的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本技术的保护范围之内。