一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法，該方法采用Chirp?Z+FFT方法結(jié)合自動增益控制方法實(shí)現(xiàn)大量程、大變率情況下水位的測量，具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低、強(qiáng)抗干擾能力及可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本發(fā)明專利技術(shù)可獨(dú)立作為高精度水位測量使用，傳感器使用，也可和采集終端組成智能一體化監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)水位預(yù)警及無人值守自動化水位監(jiān)測。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法
：本專利技術(shù)屬液體液位觀測
，涉及一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法。
技術(shù)介紹
：目前國內(nèi)大量程大變率水位測量的雷達(dá)水位計(jì)主要依賴進(jìn)口，以德國品牌為主，且價(jià)格昂貴。國產(chǎn)雷達(dá)水位計(jì)多從工業(yè)物位計(jì)改裝而來，其采用的主要方法是脈沖雷達(dá)體制，利用時(shí)差法實(shí)現(xiàn)水位測量。根據(jù)現(xiàn)代雷達(dá)理論，雷達(dá)測距的分辨率正比于發(fā)送信號的帶寬或時(shí)寬。由于發(fā)射功率限制，不可能同時(shí)獲得較大的時(shí)寬和帶寬,在大量程和水位變率較大的水位測量時(shí)，由于反射信號變得很弱，相位信息會淹沒在噪聲中，影響了大量程水位的測量精度和穩(wěn)定性,其測量精度大多為1.0cm或2.0cm,不能滿足大量程大變幅水位測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性要求。為克服上述問題，需要進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使國產(chǎn)雷達(dá)水位計(jì)的測量精度和穩(wěn)定性達(dá)到或超過進(jìn)口雷達(dá)水位計(jì)水平。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
：本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)狀況，設(shè)計(jì)一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法，該方法基于連續(xù)調(diào)頻制雷達(dá)調(diào)制方式，采用Chirp-Z+FFT算法結(jié)合自動增益控制方法實(shí)現(xiàn)大量程、大變率情況下水位的測量，具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用具體技術(shù)方案如下：一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法，該水位計(jì)主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、兩路雷達(dá)信號接收模塊、自動增益控制模塊和平面微帶天線，兩路雷達(dá)信號接收模塊設(shè)置形成兩個(gè)接收通道，該方法的主要步驟如下：(1)系統(tǒng)進(jìn)行水位測量前，首先設(shè)定自動增益控制模塊的設(shè)定兩個(gè)接收通道的一級和二級放大器的增益比例因子；(2)雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)出一段雷達(dá)調(diào)制波信號A1，通過平面微帶天線產(chǎn)生檢測水位的連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號S1，該連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號S1經(jīng)待測水面反射后形成微波回波信號R1，回波信號R1被接收后分別輸入到兩路雷達(dá)信號接收模塊；(3)經(jīng)雷達(dá)信號接收單處理后輸出兩組(幅度相同、頻率相等、相位相差90°)正交離散數(shù)字信號x1(nTs)和x2(nTs)給主控模塊；(4)主控模塊按下式將上述二組離散數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)x(nTs)形式，然后對x(nTs)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，求出每個(gè)信號極大頻譜點(diǎn)對應(yīng)的頻率值，再經(jīng)求模，剔除無用的頻譜點(diǎn)，得到對應(yīng)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)，并得到最大頻譜點(diǎn)；x(nTs)＝x1(nTs)+jx2(nTs)其中Ts表示采樣周期，n表示采樣點(diǎn)數(shù)，j表示復(fù)數(shù)的虛部；(5)上述水位距離頻譜數(shù)據(jù)經(jīng)相干累積算法多次累積處理，求出每個(gè)信號極大頻譜點(diǎn)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)平均值；并與門限比較，剔除小于門限的壞值，再進(jìn)一步求得最大頻譜點(diǎn)的頻率值；(6)再通過Chirp-Z擬合算法圍繞相干累積算法求得的最大頻譜點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換并擬合處理求出對應(yīng)真實(shí)水位的頻率值；(7)將上述對應(yīng)真實(shí)的水位值的頻譜值經(jīng)頻譜轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成水位值，該值可作為實(shí)測值輸出。本專利技術(shù)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于：步驟(5)中，以求得的每個(gè)信號極大頻譜點(diǎn)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)平均值的4倍值作為門限值。步驟(5)中，相干累積算法累積次數(shù)設(shè)為100次。步驟(6)中對應(yīng)真實(shí)水位的頻譜值通過以下方式確定：以相干累積算法計(jì)算出的最大頻譜點(diǎn)作為主瓣位置，圍繞主瓣鄰近位置取M個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換，得到對應(yīng)各極值點(diǎn)Zr(r＝0,1，…，M-1)的頻譜X(zr)；|X(zr)|的最大值對應(yīng)的頻率值即對應(yīng)真實(shí)的水位值。上述M取9，水位的測量的絕對誤差小于0.1％。步驟(7)中，實(shí)測值輸出設(shè)置累積N次，取平均值作為真正水位值。上述N取100，耗時(shí)大約20s。本專利技術(shù)相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、本專利技術(shù)的方法連續(xù)調(diào)頻制雷達(dá)調(diào)制方式，采用Chirp-Z+FFT方法結(jié)合自動增益控制方法實(shí)現(xiàn)大量程、大變率情況下水位的測量，具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低、強(qiáng)抗干擾能力及可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。2、本專利技術(shù)可獨(dú)立作為高精度水位測量使用，傳感器使用，也可和采集終端組成智能一體化監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)水位預(yù)警及無人值守自動化水位監(jiān)測。附圖說明:圖1為本專利技術(shù)的電路原理圖。圖2為水位計(jì)測量原理圖。圖3為本專利技術(shù)的主控流程圖。圖4為本專利技術(shù)中相干累積算法流程圖。圖5為本專利技術(shù)中水位轉(zhuǎn)換計(jì)算流程圖。圖6自動增益控制模塊流程圖。具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的控制過程及硬件結(jié)構(gòu)原理圖進(jìn)行詳細(xì)描述。實(shí)施例一：如圖1所示，本專利技術(shù)連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量的硬件設(shè)計(jì)如下：主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、兩路雷達(dá)信號接收模塊及其自動增益控制模塊、平面微帶天線。雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊包括依次連接的(DDS)三角波發(fā)生器、(MOD)調(diào)制器、(VCO)壓控震蕩器和(DISP)環(huán)形器；雷達(dá)信號接收模塊包括依次連接的(MIX)高頻混頻器、(AMP)一級放大器、(LPF)低通濾波器、(AMP)二級放大器和A/D轉(zhuǎn)換器；主控模塊采用TMS320F28M35雙核處理器，包括DSP處理器、CPU處理器、FPU浮點(diǎn)運(yùn)算器、程序存儲器FLASH和RAM存儲器。主控模塊分別與雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊和雷達(dá)信號接收模塊連接；平面微帶天線的發(fā)射端與雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊的環(huán)形器相連，接收端與雷達(dá)信號接收模塊的高頻混頻器相連，所述環(huán)形器的輸出端還分別與兩路雷達(dá)信號接收模塊的高頻混頻器的輸入端相連，每個(gè)雷達(dá)信號接收模塊配有自動增益控制模塊，自動增益控制模塊分別一級、二級放大器連接。本專利技術(shù)中，雷達(dá)信號接收模塊并行布置兩組，形成兩個(gè)通道。兩組雷達(dá)信號接收模塊的輸入端分別與平面微帶天線的接收端連接，輸出端分別與主控模塊連接，環(huán)形器的輸出端分別與兩組高頻混頻器連接。兩路輸出幅度相同、頻率相等、相位相差90°的正交信號。本專利技術(shù)的控制流程大體如下：如圖3所示，主控模塊調(diào)用控制線性三角調(diào)制波產(chǎn)生，啟動A/D采集完成差頻信號的采集，采集的周期和頻率可編程；主控模塊CPU調(diào)用FFT模塊對采集的正交的雙通道差頻信號作變換處理，求出各個(gè)極大頻譜點(diǎn)對應(yīng)的頻率值，調(diào)用求頻譜模塊，剔除無用目標(biāo)的頻譜點(diǎn)，求得對應(yīng)的水位距離譜；實(shí)踐中考慮FFT變換固有的頻譜泄漏效應(yīng)和頻譜疊加效應(yīng)影響以及信號傳輸過程中的白噪聲影響，對應(yīng)最大頻譜的距離譜可能偏離真實(shí)距離值；為減小測量誤差，提高檢測精度，本專利技術(shù)設(shè)計(jì)和采用了水位檢測相干累積算法和Chirp-Z擬合算法；相干累積算法經(jīng)過N次累積，提高了信噪比，基本消除了白噪聲的影響；Chirp-Z擬合算法圍繞相干累積算法求得的最大頻譜點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換并擬合處理求出對應(yīng)真實(shí)水位的頻率值；該經(jīng)頻譜轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成水位值，可作為實(shí)測值輸出。實(shí)施例二：雷達(dá)測位原理如圖2所示，F(xiàn)坐標(biāo)深色線表示三角波發(fā)射信號，淺色線表示接收器檢波后中頻接收信號；Fb坐標(biāo)表示的是收發(fā)差頻信號，可見由于射頻傳播延遲的存在，導(dǎo)致收發(fā)頻率有一個(gè)頻率差Fb，這個(gè)頻率值和目標(biāo)距離正比變化；如果使用fbup表示在圖2中三角波掃頻的上升段收發(fā)雷達(dá)信號的頻率差值(簡稱上掃頻頻差)，fbdown表示圖2中三角波掃頻的下降段收發(fā)射頻的頻率差值(簡稱下掃頻頻差)；根據(jù)現(xiàn)代雷達(dá)理論可以證明上掃頻頻差fbup和下掃頻頻差fbdown有如下關(guān)系:Fb＝fbup-fbdown＝(4μR)/C+(2vμT)/C(1)式中：T是調(diào)頻周期、μ為調(diào)頻斜率為常數(shù)、C為光速因子也是常量、R是目標(biāo)到雷達(dá)天線平面的距離；式中第一項(xiàng)(4μR)/C表示距離本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法，該水位計(jì)主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、兩路雷達(dá)信號接收模塊、自動增益控制模塊和平面微帶天線，兩路雷達(dá)信號接收模塊設(shè)置形成兩個(gè)接收通道，該方法的主要步驟如下：（1）系統(tǒng)進(jìn)行水位測量前，首先設(shè)定自動增益控制模塊的設(shè)定兩個(gè)接收通道的一級和二級放大器的增益比例因子；（2）雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)出一段雷達(dá)調(diào)制波信號A1，通過平面微帶天線產(chǎn)生檢測水位的連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號S1，該連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號S1經(jīng)待測水面反射后形成微波回波信號R1，回波信號R1被接收后分別輸入到兩路雷達(dá)信號接收模塊；成號?（3）經(jīng)雷達(dá)信號接收單處理后輸出兩組正交離散數(shù)字信號x

【技術(shù)特征摘要】
1.一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測量方法，該水位計(jì)主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、兩路雷達(dá)信號接收模塊、自動增益控制模塊和平面微帶天線，兩路雷達(dá)信號接收模塊設(shè)置形成兩個(gè)接收通道，該方法的主要步驟如下：（1）系統(tǒng)進(jìn)行水位測量前，首先設(shè)定自動增益控制模塊的設(shè)定兩個(gè)接收通道的一級和二級放大器的增益比例因子；（2）雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)出一段雷達(dá)調(diào)制波信號A1，通過平面微帶天線產(chǎn)生檢測水位的連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號S1，該連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號S1經(jīng)待測水面反射后形成微波回波信號R1，回波信號R1被接收后分別輸入到兩路雷達(dá)信號接收模塊；成號（3）經(jīng)雷達(dá)信號接收單處理后輸出兩組正交離散數(shù)字信號x1(nTs)和x2(nTs)給主控模塊；（4）主控模塊按下式將上述二組離散數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)x(nTs)形式，然后對x(nTs)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，求出每個(gè)信號極大頻譜點(diǎn)對應(yīng)的頻率值，再經(jīng)求模，剔除無用的頻譜點(diǎn)，得到對應(yīng)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)，并得到最大頻譜點(diǎn)；x（nTs）=x1(nTs)+jx2(nTs)其中Ts表示采樣周期，n表示采樣點(diǎn)數(shù)，j表示復(fù)數(shù)的虛部；（5）上述水位距離頻譜數(shù)據(jù)經(jīng)相干累積算法多次累積處理，求出每個(gè)信號極大頻譜點(diǎn)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)平均值；并與門限比較，剔除小于門限的壞值，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周冬生，宗軍，張恒，周密，姚剛，裘勁松，蔣東進(jìn)，曹子聰，
申請(專利權(quán))人：水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南水水務(wù)科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32