一种高灵敏雷达流速仪

技术领域

本发明涉及雷达流速仪技术领域，具体为一种高灵敏的雷达流速仪。

背景技术

雷达流速仪是一种采用微波技术的测流仪器，专用于天然河流、渠/涵/ 管道等水流波动场所的表面流速监测，产品采用24GHz平面微带雷达技术，并通过后端处理技术精确提取水流速度，可实现水文、水利、农灌、给排水等领域的非接触式、无人自动监测，随着微波集成电路技术的发展，单芯片微波集成电路在雷达领域开始广泛使用，单芯片微波集成电路中的接收通道通常采用零中频结构。

中国专利号CN201910816178.6公开了一种基于雷达的水位流速的测量方法、装置、设备和存储介质，方法包括：每隔预定的时间进行水位信号采集周期和流速信号采集周期的切换；获取与当前的采集周期对应的发射信号及接收通道的波束指向；根据当前采集周期的发射信号发射信号波，并接收信号波经探测物反射后形成的回波信号；将回波信号经信号放大、变频、检波及模数转换后生成的数字回波信号，送到波形形成器；将每个雷达天线阵元接收的数字回波信号乘以其对应与采集周期对应的波束指向生成的加权系数，再求和后得到接收信号；根据接收信号，以获得与采集周期对应的信息。通过改变接收通道的波束指向在不同角度接收回波信号，实现一个雷达即完成水位流速信息的测量。而该技术方案在进行对信号的接收过程中，采用的信号放大、变频后获得的还是零中频的信号，所以零中频接收机的缺点之一为低频段1/f噪声电平相对较高，而如果信号的接收频率也在低频段，由于零中频信号在低频接收信号过程中，存在噪声电平相对较高，信号接收在低流速的状态下，对检测的数据准确性难以得到保证。

中国专利公开号CN202020019166.9公开了“一种环境适应性强的雷达流速仪”，包括第一支撑板，所述第一支撑板的一侧设有U形支撑板，所述U 形支撑板的底部设有U形电动滑轨，所述U形电动滑轨的底部设有传动机构，所述U形支撑板的上方设有第二支撑板，通过设置第一支撑板，一方面能够通过U形固定杆实现对雷达流速仪的安装固定，通过U形固定杆进行固定具有结构简单，安装便捷的特点，同时通过U形固定杆能够与各种支持杆进行装配固定，使得雷达流速仪的安装能够更有效的适应在不同环境中的使用，另一方面通过采用U形电动滑轨，能够实现对雷达流速仪的滑动调节，以便于能够更好的对使用雷达流速仪进行不同位置上的检测使用，而该技术方案在的设置场景是在农田的灌溉当中，而一些水渠河道的流速并不会太大，也就是流速有时候相对较低，导致流速仪在进行测流的过程中，数据不准，所以造成设备环境的适应性还是相对较低，当接收到的水面反射波，其信号幅度小，多普勒频移小，信噪比低，而如果采用非单芯片式的雷达流速仪在信号处理过程中，利用超外差的结构方式，受混频器噪声影响小，而该方案则必须产生两个信号源分别用于发射和接收本振，在结构和电路的设计上，相对较为复杂，成本较高，明显不适用，目前传统的零中频接收机在低频段噪声电平较高，特别是1/f噪声，对低频段的影响很大，从而限制了雷达接收仪接收的灵敏度，故而提出一种高灵敏的雷达流速仪来解决上述所提出的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高灵敏的雷达流速仪，解决了现有的雷达流速仪在低流速检测过程中，因为受到低频段1/f噪声电平较高，系统的灵敏度影响很大，监测数据不准确的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高灵敏的雷达流速仪，包括上壳体，所述上壳体的底部设置有下壳体，所述下壳体的内部设置有空腔，所述下壳体的内壁固定连接有安装座，所述下壳体的内部固定连接有固定板，所述下壳体的表面卡接有密封圈，所述下壳体上固定安装有安装板，其特征在于：所述安装板的表面固定安装有信息处理单元，所述信息处理单元用于对水面反射的信号波进行提取多普勒频移的处理；所述信息处理单元包括发射接收模块、第一信号放大模块、第一混频模块、信号处理模块、输出信号模块、第一滤波模块、第二滤波模块、第二混频模块、第三混频模块、第二放大模块、第三放大模块、第三滤波模块和第四滤波模块；

信号源产生本振信号S

中频信号源产生中频信号S

本振信号和中频信号在第一混频模块混频，再经过发射接收模块向水面发射信号并产生多普勒频移频率F

初始信号S

所述第一混频模块用于改变初始发射信号S

所述第一信号放大模块用于对混频后的信号幅度放大；

所述信号处理模块用于对获取的初始接收信号S

所述第一滤波模块用于对信号处理模块处理过的第一信号进行S

所述第二滤波模块用于对信号处理模块处理过的第二信号S

所述第二放大模块用于对滤波后的第一信号进行幅度放大；

所述第三放大模块用于对滤波后的第二信号进行幅度放大；

所述第二混频模块用于对幅度放大后的第一信号S

所述第三混频模块用于对幅度放大后的第二信号S

所述第三滤波模块用于对第二混频模块输出信号进行低通滤波，允许截止频率的信号通过，输出多普勒信号一S

所述第四滤波模块用于对第三混频模块输出信号进行低通滤波，允许截止频率的信号通过，输出多普勒信号二S

所述信息处理单元通过如下方法来获取多普勒信号：

步骤一：信号处理模块本身将产生一个本振信号S

步骤二：第一混频模块接收到初始发射信号S

步骤三：发射接收模块将步骤二中S

步骤四：信号处理模块对步骤三中接收到的信号，进行放大，变频处理，最后输出第一信号S

步骤五：第一信号S

第二信号S

步骤六：将滤波后的第一信号S

将滤波后的第二信号S

步骤七：将步骤六中幅度放大后的第一信号S

将步骤六中幅度放大后的第二信号S

步骤八：将混频后的第一信号S

将混频后的第二信号S

优选的，所述发射接收模块包括有发射单元和接收单元，所述发射单元用于对信号的发射，所述接收单元用于对水面反射的微波信号进行接收。

优选的，所述信号处理模块包括有放大单元和变频单元，所述放大单元用于对进入到信号处理模块中的信号进行幅度的提升，所述变频单元用于对进入到信号处理模块中的信号进行变频处理。

优选的，所述信号处理模块还包括有初始发射信号与本振信号，初始发射信号S

优选的，所述信号处理模块为单芯片微波集成电路芯片。

优选的，所述第二混频模块和第三混频模块的主要结构均为混频器，且两个混频器型号相同。

优选的，所述发射单元包括有发射天线，所述接收单元包括有和接收天线，所述接收天线与信号接收端口电性连接，所述发射天线与信号发射端口电性连接。

优选的，所述第一滤波模块和第二滤波模块的为带通滤波器，中心频率取中频信号频率，所述第三滤波模块和第四滤波模块主要结构为低通滤波器，截止频率取大于最大多普勒频移。

优选的，所述步骤一中初始发射信号S

S

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种高灵敏的雷达流速仪，具备以下有益效果：

该高灵敏的雷达流速仪通过在现有的单芯片微波集成电路的基础上，在发射输出和接收输出增加混频器，来产生类似超外差接收机的中频信号源，使得单芯片的微波集成电路上，分离出两个多普勒信号，从而提高单芯片微波集成电路的接收输出信号的频率，大幅度降低1/f噪声对接收灵敏度的影响，提高了雷达整体对流速的灵敏度，使得不管高流速或者是低流速的状态下，都能使检测的信号更加准确稳定。

附图说明

图1为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的整体装置示意图；

图2为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的整体测量方法示意图；

图3为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的设计电路图；

图4为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的雷达接收发射信号的示意图；

图5为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪1/f的噪声示意图；

图6为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪1/f噪声计算公式；

图7为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的1/f噪声换算公式；

图8为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的1/f噪声换算公式；

图9为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的1/f噪声换算公式；

图10为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的信噪比计算公式；

图11为本发明提出的一种高灵敏的雷达流速仪的信噪比换算公式。

图中：1、上壳体；2、下壳体；3、安装座；4、密封圈；5、空腔；6、固定板；7、信息处理单元；8、安装板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-11，一种高灵敏的雷达流速仪，包括上壳体1，所述上壳体1 的底部设置有下壳体2，所述下壳体2的内部设置有空腔5，所述下壳体2的 内壁固定连接有安装座3，所述下壳体2的内部固定连接有固定板6，所述下 壳体2的表面卡接有密封圈4，所述下壳体2上固定安装有安装板8，其特征 在于：所述安装板8的表面固定安装有信息处理单元7，所述信息处理单元7 用于对水面反射的信号波进行提取多普勒频移的处理；所述信息处理单元7 包括发射接收模块、第一信号放大模块、第一混频模块、信号处理模块、输 出信号模块、第一滤波模块、第二滤波模块、第二混频模块、第三混频模块、 第二放大模块、第三放大模块、第三滤波模块和第四滤波模块；

信号源产生本振信号S

中频信号源产生中频信号S

本振信号和中频信号在第一混频模块混频，再经过发射接收模块向水面发射信号并产生多普勒频移频率F

初始信号S

所述第一混频模块用于改变初始发射信号S

所述第一信号放大模块用于对混频后的信号幅度放大；

所述信号处理模块用于对获取的初始接收信号S

所述第一滤波模块用于对信号处理模块处理过的第一信号进行S

所述第二滤波模块用于对信号处理模块处理过的第二信号S

所述第二放大模块用于对滤波后的第一信号进行幅度放大；

所述第三放大模块用于对滤波后的第二信号进行幅度放大；

所述第二混频模块用于对幅度放大后的第一信号S

所述第三混频模块用于对幅度放大后的第二信号S

所述第三滤波模块用于对第二混频模块输出信号进行低通滤波，允许截止频率的信号通过，输出多普勒信号一S

所述第四滤波模块用于对第三混频模块输出信号进行低通滤波，允许截止频率的信号通过，输出多普勒信号S

所述信息处理单元通过如下方法来获取多普勒信号：

步骤一：信号处理模块本身将产生一个本振信号S

步骤二：第一混频模块接收到初始发射信号S

步骤三：发射接收模块将步骤二中S

步骤四：信号处理模块对步骤三中接收到的信号，进行放大，变频处理，最后输出第一信号S

步骤五：第一信号S

第二信号S

步骤六：将滤波后的第一信号S

将滤波后的第二信号S

步骤七：将步骤六中幅度放大后的第一信号S

将步骤六中幅度放大后的第二信号S

步骤八：将混频后的第一信号S

将混频后的第二信号S

发射接收模块包括有发射单元和接收单元，发射单元用于对信号的发射，接收单元用于对水面反射的微波信号进行接收，通过发射接收模块的发射单元和接收单元，使得信号可以进行进行发射，并且进行接收。

信号处理模块包括有放大单元和变频单元，放大单元用于对进入到信号处理模块中的信号进行幅度的提升，变频单元用于对进入到信号处理模块中的信号进行变频处理。

所述信号处理模块还包括有初始发射信号与本振信号，初始发射信号S

信号处理模块为单芯片微波集成电路芯片，单芯片微波集成电路24GHz ISM频段雷达芯片为例，包含收发电路，接收部分为典型的零中频结构，而接收通道1/f噪声的转角频率典型值为10kHz，而雷达流水仪的多普勒频率范围在30Hz～2kHz。

多普勒信号一和多普勒信号二用于确定水流的流向，因为考虑到水流的流向，所以采用两个输出频道，而实际输出是普勒信号一和多普勒信号二，通过两个信号的相对关系来很好的来区别水流的流向和速度。

第二混频模块和第三混频模块的主要结构均为混频器，且两个混频器型号相同，利用第二混频模块和第三混频模块来对信号处理模块输出的信号进行混频，以此来对产生的新的中频信号进行位置的频谱的搬移。

发射单元包括有发射天线，接收单元包括有和接收天线，接收天线与信号接收端口电性连接，发射天线与信号发射端口电性连接。

第一滤波模块和第二滤波模块的为带通滤波器，中心频率取中频信号频率，第三滤波模块和第四滤波模块主要结构为低通滤波器，截止频率取大于最大多普勒频率。

步骤一中初始发射信号S

S

信噪比计算

请参阅图5-11，1/f噪声的转角频率Fc为10KHz时，而雷达流速仪的最低多普勒频率F

工作原理，单芯片微波集成电路以BGT24MTR11为24GHz ISM频段雷达芯片为例，BGT24MTR11是英飞凌公司24GHZ雷达收发产品BGT24系列的主导产品，包含收发电路，接收部分为典型的零中频结构，在BGT24MTR11的手册中给出接收通道1/f噪声的转角频率典型值为10kHz，而雷达流水仪的多普勒频率范围在30Hz～2kHz，而1/f噪声的计算公式如图6和图7所示，当频率处于30Hz时，1/f噪声的电压幅度是热噪声的18倍，导致系统的检测灵敏度相对较低，而在BGT24MTR11的外围增加了三个混频器和带通滤波器，对输入信号和两个输出信号进行混频介入，而BFP1和BFP2的中心频率F

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。