專利名稱：用雷達電波探測江河湖泊表面流速的方法及其雷達系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用雷達電波探測江河湖泊表面流速的方法及其采用該方法的雷達，本雷達系統(tǒng)可以廣泛應用于江河湖泊的水流測試，探測河水表面流的徑向速度，并可對江河湖泊表面的移動目標進行檢測。
背景技術：
目前，江河湖泊表面流檢測技術有了長足的發(fā)展，產(chǎn)生了許多新的自動化檢測技術。除了常規(guī)的浮標法水面流速測試外，圖像法、光電傳感法、聲學Doppler流速測試均已成為新的測試手段。但是，以上幾種方法均存在一定的缺陷。如常規(guī)浮標法不僅需要較多的人力，且只能逐次進行單個浮標檢測；圖像法檢測受攝像頭本身工作指標的影響，且于基準控制點的選擇有關(圖像法水面流速測驗方法簡介，《水文》2003.12)。普通光電傳感測試方法在流場情況復雜、需測試多點流速時，需使用大量硬件，測試可靠性下降，成本提高(河流模型流速測量軟件數(shù)據(jù)處理算法研究，《華中科技大學學報》2001.7)。
武漢大學于1997年開始研制用于海洋環(huán)境監(jiān)測的高頻地波雷達OSMAR系統(tǒng)，并于2000年經(jīng)過科技部驗收。因為只有波長為雷達工作波長一半的河流波列才會對雷達電波產(chǎn)生最強烈的后向散射，所以OSMAR系統(tǒng)的工作頻率為高頻段6～12MHz，利用高頻電磁波在海洋表面超視距傳播的特點，來探測和分析海態(tài)目標(高頻地波雷達研究專輯，《武大學報》2001.5)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用雷達電波探測江河湖泊表面流速的方法及其雷達，它不同于已有檢測江河湖泊表面流速方法，具有結構簡單，安裝方便，對場地要求小，節(jié)省人力資源，成本低，距離分辨率高的特點，根據(jù)我國多湖泊的特點，具有一定的推廣應用價值。
本發(fā)明的技術方案是用雷達電波探測江河湖泊表面流速的方法，其特征在于利用水流對雷達電波布拉格Bragg散射的多普勒Doppler頻移探測河水表面流的徑向速度，雷達電波調(diào)頻信號所用工作頻段為超高頻段UHF的300-350MHz；雷達電波的發(fā)射信號經(jīng)過發(fā)射通道送至發(fā)射天線，天線面向待測河流目標，待發(fā)射信號和河流表面流相互作用產(chǎn)生后向散射；接收天線接收此信號后經(jīng)過接收通道和本振信號發(fā)生混頻，混頻后的中頻為21.4MHz；相干解調(diào)，相干解調(diào)后的中頻信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，采樣處理后的數(shù)據(jù)傳送至微機系統(tǒng)進行后續(xù)的信號處理，即可得到河水表面流的徑向速度。
如上所述的方法，其特征在于雷達采用一次混頻結構，中頻采樣率為160KHz。
如上所述的方法，其特征在于信號發(fā)生部分由專用的DDS芯片實現(xiàn)，而不是通過常用的混頻方式實現(xiàn)。
如上所述的方法，其特征在于雷達的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ADC+FPGA+USB實現(xiàn)。
如上所述的方法，其特征在于雷達的同步控制器由FPGA實現(xiàn)。
江河湖泊表面流探測雷達系統(tǒng)UHF-SVR，它包括收發(fā)天線系統(tǒng)、發(fā)射通道、接收通道、時鐘源、鎖相環(huán)倍頻、頻率合成、同步控制器、數(shù)據(jù)采集處理和微機系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射天線、發(fā)射通道、頻率合成、時鐘源和鎖相環(huán)倍頻依次電連接，接收天線、接收通道、數(shù)據(jù)采集處理和微機系統(tǒng)依次電連接；同步控制器分別與發(fā)射通道、頻率合成、鎖相環(huán)倍頻、接收通道、數(shù)據(jù)采集處理電連接，雷達電波調(diào)頻信號所用工作頻段為超高頻段UHF的300-350MHz，掃頻帶寬為5-30MHz。
如上所述的雷達系統(tǒng)，其特征在于雷達采用一次混頻結構，中頻采樣率為160KHz。
如上所述的雷達系統(tǒng)，其特征在于時鐘源和頻率合成中信號發(fā)生部分采用專用DDS芯片，時鐘源采用ADF4360-7或者AD4106產(chǎn)生1G的系統(tǒng)時鐘，頻率合成采用AD9858產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。
如上所述的雷達系統(tǒng)，其特征在于雷達的同步控制器由FPGA實現(xiàn)。
UHF-SVR是在OSMAR系統(tǒng)基礎上研制的河流目標探測雷達系統(tǒng)。因為淡水的波長約為0.5m，所以UHF SVR系統(tǒng)的工作頻率約為300-350MHz，工作于UHF頻段。
UHF-SVR系統(tǒng)的發(fā)射信號采用線性調(diào)頻體制，根據(jù)江河湖泊探測目標的要求決定掃頻帶寬，掃頻帶寬一般為5-30MHz，由此確定相應的距離分辨率為(5-30m)。
UHF-SVR系統(tǒng)的發(fā)射功率約為1-5w，在此基礎上，SVR系統(tǒng)的探測目標可大于1km。
UHF-SVR系統(tǒng)可廣泛應用于江河湖泊的表面流探測，也可用于江河湖泊表面的移動目標檢測，并且可以作為OSMAR系統(tǒng)的軟件驗證平臺，具有廣泛的應用價值。
UHF-SVR系統(tǒng)具有結構簡單，成本低，人力需求少等特點，根據(jù)我國多湖泊的特點，具有一定的推廣應用價值。
本發(fā)明的超高頻表面流雷達系統(tǒng)，系統(tǒng)工作頻率為300-350MHz，接收機采用一次混頻，中頻為21.4MHz，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率為160KHz，發(fā)射機功率為1～5w，天線系統(tǒng)為三元八木天線。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明利用水流對電磁波Bragg散射的Doppler頻移進行水流目標測速。具有結構簡單，安裝方便，對場地要求小，節(jié)省人力資源，成本低的特點。UHF-SVR系統(tǒng)的測試精度高，距離分辨率高，對應的頻率分辨率可達10-3Hz，速度分辨率可達10-1cm/s。具有其他江河湖泊表面流檢測技術無法具有的超高精度。


圖1是本發(fā)明UHF-SVR實施例的系統(tǒng)框圖。
圖2是本發(fā)明UHF-SVR實施例的時鐘源和頻率合成框圖。
圖3是本發(fā)明UHF-SVR實施例的接收通道框圖。
圖4是本發(fā)明UHF-SVR實施例的同步控制信號圖。
圖5是本發(fā)明UHF-SVR實施例的數(shù)據(jù)采集框圖。
圖6是本發(fā)明UHF-SVR實施例的試驗結果1。
圖7是本發(fā)明UHF-SVR實施例的試驗結果2。
具體實施例方式
UHF-SVR系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
UHF-SVR的發(fā)射信號由頻率合成產(chǎn)生，此信號經(jīng)過發(fā)射通道送至發(fā)射天線，發(fā)射功率為1～5w，天線面向待測河流目標，待發(fā)射信號和河流表面流相互作用產(chǎn)生后向散射。接收天線接收此信號后經(jīng)過接收通道和本振信號發(fā)生混頻，本振信號同樣為頻率合成產(chǎn)生，混頻后的中頻為21.4MHz。我們稱此為去斜波，相干解調(diào)。相干解調(diào)后的中頻信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，采樣率為160KHz，采樣處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳送至微機系統(tǒng)進行后續(xù)的信號處理。
因為頻率合成的頻率利用率最高為40％，所以要產(chǎn)生高達300MHz以上的調(diào)頻信號必須有1GHz左右的系統(tǒng)時鐘。所以，我們的雷達系統(tǒng)還需通過PLL鎖相電路產(chǎn)生1GHz的時鐘源。
因為我們的UHF-SVR為相干系統(tǒng)，為了保證雷達系統(tǒng)的正常工作，同步控制部分為雷達系統(tǒng)的各個部分提供穩(wěn)定、可靠的同步信號。所有信號之間必須有嚴格的時序關系，才能保證雷達正常工作。同步控制器由FPGA實現(xiàn)。利用FPGA實現(xiàn)的同步控制器具有實時可編程的特性。
具體的說，本發(fā)明是設計一種新型的江河湖泊表面流雷達探測系統(tǒng)UHF-SVR，利用水流對雷達電磁波的Bragg散射的Doppler頻移進行測速。此雷達系統(tǒng)的發(fā)射信號和本振信號均由頻率合成器產(chǎn)生，頻率合成器的系統(tǒng)時鐘由鎖相環(huán)電路產(chǎn)生1GHz的系統(tǒng)時鐘。相干混頻后的中頻信號為21.4MHz，解調(diào)后的中頻信號由160KHz的采樣信號進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)直接經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送至PC進行后續(xù)的信號處理。為了保證雷達系統(tǒng)的正常工作，由FPGA設計同步控制器以協(xié)調(diào)雷達系統(tǒng)的各部分工作。
如圖2，是本發(fā)明UHF-SVR的時鐘源和頻率合成框圖在我們的UHF-SVR雷達系統(tǒng)中，我們采用ADI公司的專用(Directly Digital Synthesize)DDS芯片AD9858來產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。在AD9858的設計中，必須要有高達1GHz的時鐘源。為了產(chǎn)生1G的系統(tǒng)時鐘，我們用ADI公司的ADF4360-7或者AD4106來產(chǎn)生，可以達到我們對時鐘系統(tǒng)的要求。所有的系統(tǒng)參數(shù)都可以通過控制寄存器設置。所有的模塊通過統(tǒng)一時鐘源來保證系統(tǒng)同步。實際工作中，我們采用ADF4106頻率合成器來實現(xiàn)我們UHF-SVR系統(tǒng)的時鐘源。它包含一個低噪聲的數(shù)字鑒頻器、高精度的電荷泵、可編程的參考分頻，可編程的計數(shù)器和雙端前置分頻器。我們可以通過外圍的環(huán)路濾波器和外加的VCO組成的鎖相環(huán)實現(xiàn)固定頻率的輸出。在我們的系統(tǒng)設計中，應該選用溫度補償振蕩器作為PLL的參考頻率源，而且不需要50Ω的終端。ADF4106的電荷泵輸出作為外部環(huán)路濾波器的驅(qū)動。在環(huán)路濾波器的設計中，環(huán)路固有角頻率為45度。環(huán)路濾波器的輸出作為VCO的驅(qū)動電壓，VCO的輸出反饋到鎖相環(huán)的射頻信號輸入端，同時作為系統(tǒng)的時鐘源輸出。ADF4106的射頻輸入端口阻抗為50Ω，設計中要考慮的是射頻輸出端和頻率合成器的參考輸入端之間，需要加T型網(wǎng)絡進行阻抗匹配。在我們的UHF-SVR系統(tǒng)中，根據(jù)河水的波長，所以系統(tǒng)工作頻率也相應的調(diào)整為超高頻。我們的發(fā)射信號為帶寬5-30MHz的線性調(diào)頻信號。
如圖3，是本發(fā)明UHF-SVR的接收通道框圖根據(jù)微波接收機的一般原則，是在低噪聲指標上提供高的選擇性。在UHF雷達接收機中，降低機內(nèi)噪聲為主要目標，要兼顧雷達接收機的靈敏度和好的選頻特性。所以，我們的接收機設計，首先要考慮的是接收機的形式。由于發(fā)射頻率和本振頻率很高而不好產(chǎn)生，所以為了降低我們的設計難度，我們選用一次混頻，中頻采樣的方案。實際中的中頻信號為21.4MHz。在微波接收機中，混頻前面需要加低噪聲放大器，因為混頻器的噪聲系數(shù)一般都比較大，而前端的濾波器一般為無源濾波器，有一定的損耗，如無此LNA，則整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)將很大。而在變頻前引入具有一定增益的LNA可以減弱混頻器和后面基帶放大器的噪聲對整機的影響，從而對提高靈敏度有利。但是LNA的增益不宜太高，因為混頻器是非線性器件，進入它的信號太大，會產(chǎn)生很多的非線性失真。所以，LNA的增益一般不超過15dB。帶通濾波器用來選擇工作頻帶，可以放在LNA之前或之后。放在后面對降低系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)有利，放在前面可以對進入LNA的信號進行預選，濾除了很多帶外信號，也就減少了由于LNA的非線性引起的各種互調(diào)失真干擾。
如圖4，是本發(fā)明UHF-SVR的同步控制信號圖所有的系統(tǒng)所需時鐘信號如圖所示，它們之間必須保證嚴格的時間關系，只有這樣才能使雷達正常工作。在實際設計中，我們采用Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片。因為Spartan3中含有時鐘管理單元，可以方便的進行時鐘的同步、移相、分頻、去抖動等。但是由于DCM的系統(tǒng)時鐘和分頻倍數(shù)的限制，我們不能完全用DCM來實現(xiàn)我們的同步控制器。設計中，我們使用了1個DCM模塊，對FPGA的時鐘進行整形和同步，在此基礎上，我們對時鐘進行設計。為了保證所有時鐘信號的相位一致性，在所有的信號輸出端采用寄存器輸出的方式實現(xiàn)，所有的寄存器都由系統(tǒng)復位信號驅(qū)動。
如圖5，是本發(fā)明UHF-SVR的數(shù)據(jù)采集框圖UHF-SVR系統(tǒng)采用的是FMCW體制，利用回波信號的頻率和相位信息來提取河流參數(shù)，當回波信號和接收機本振信號混頻產(chǎn)生高中頻信號，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集此信號并進行兩次傅立葉變換，就可得到各個距離元上回波信號的頻率和相位信息。在UHF-SVR系統(tǒng)設計中，我們的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用ADC+FPGA+USB來實現(xiàn)的。高中頻采樣之后的數(shù)據(jù)存儲在由FPGA實現(xiàn)的FIFO中，然后通過USB傳輸至微機系統(tǒng)進行后續(xù)的處理。在試驗中，我們可以采用兩種方式實現(xiàn)傳輸，一種是直接傳送采集到的波形數(shù)據(jù)至PC機，在PC內(nèi)完成兩次FFT運算；另一種是在FPGA內(nèi)完成第一次FFT，通過USB傳輸?shù)谝淮蜦FT以后的數(shù)據(jù)至PC，由PC完成第二次FFT。兩種方式各有優(yōu)劣。對于第一種方式而言，我們可以得到最原始的數(shù)據(jù)，簡化FPGA內(nèi)部設計，同時對后續(xù)的去干擾等有更為實際的意義。但是，直接傳送波形文件數(shù)據(jù)量較大，在傳輸過程中要保證傳輸?shù)乃俣?。對于第二種方式而言，第一次FFT后的數(shù)據(jù)量相比原始波形文件而言數(shù)據(jù)量很小，可以方便的進行傳輸。但是增加了FPGA內(nèi)部的設計，加大了FPGA的資源開銷。實際中，因為我們的采樣率為160KHz，每個掃頻周期為0.1s，數(shù)據(jù)位數(shù)為8位，對應的數(shù)據(jù)量為160KByte/s。用USB可以滿足原始波形的實時傳輸。所以，我們采用了第一種的傳數(shù)據(jù)采集方案。
如圖6和圖7，是本發(fā)明UHF-SVR的試驗結果1，2試驗中，我們通過對發(fā)射信號的延時，模擬了一個固定距離元的河流回波信號。此信號和本振信號混頻后，會在21.4MHz中頻的基礎上發(fā)生一個固定的頻率偏移。通過對此信號的兩次FFT可以得到我們需要的Doppler譜。因為我們是通過發(fā)射信號的延時來模擬回波信號，所以此模擬目標的速度為0。因為第一次FFT是對單個掃頻周期做FFT變換，而第二次FFT是對多個掃頻周期的第一次FFT結果做第二次FFT變換，所以對應目標速度為0的信號，每個掃頻周期的第一次FFT結果都應該是完全一致的，對應的多個掃頻周期的第二次FFT信號應該在零頻處出現(xiàn)譜峰。如圖所示，為單周期第一次FFT和多周期第二次FFT的結果。
根據(jù)我們的設計，我們設計的UHF-SVR系統(tǒng)的距離分辨率為5-30m，流速分辨率為0.5cm/s。具有其他測試方式無法比擬的超高精度。
如表1，是本發(fā)明UHF-SVR的發(fā)射和天線指標相比于探海雷達的大功率發(fā)射機，我們的UHF-SVR系統(tǒng)無需很大的發(fā)射功率，發(fā)射功率僅需1～5W左右。在這里我們可以用場效應管來實現(xiàn)我們的功放模塊，構成我們的發(fā)射通道。結合我們的信號發(fā)生器的實際情況，并且根據(jù)我們的實際需要，我們的功放和天線指標如表1所示。
表1

權利要求
1.用雷達電波探測江河湖泊表面流速的方法，其特征在于利用水流對雷達電波布拉格Bragg散射的多普勒Doppler頻移探測河水表面流的徑向速度，雷達電波調(diào)頻信號所用工作頻段為超高頻段UHF的300-350MHz；雷達電波的發(fā)射信號經(jīng)過發(fā)射通道送至發(fā)射天線，天線面向待測河流目標，待發(fā)射信號和河流表面流相互作用產(chǎn)生后向散射；接收天線接收此信號后經(jīng)過接收通道和本振信號發(fā)生混頻，混頻后的中頻為21.4MHz；相干解調(diào)，相干解調(diào)后的中頻信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，采樣處理后的數(shù)據(jù)傳送至微機系統(tǒng)進行后續(xù)的信號處理，即可得到河水表面流的徑向速度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于雷達采用一次混頻結構，中頻采樣率為160KHz。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于信號發(fā)生部分由專用的DDS芯片實現(xiàn)。
4.如權利要求1或2或3所述的方法，其特征在于雷達的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ADC+FPGA+USB實現(xiàn)。
5.如權利要求1或2或3所述的方法，其特征在于雷達的同步控制器由FPGA實現(xiàn)。
6.江河湖泊表面流探測雷達系統(tǒng)，它包括收發(fā)天線系統(tǒng)、發(fā)射通道、接收通道、時鐘源、鎖相環(huán)倍頻、頻率合成、同步控制器、數(shù)據(jù)采集處理和微機系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射天線、發(fā)射通道、頻率合成、時鐘源和鎖相環(huán)倍頻依次電連接，接收天線、接收通道、數(shù)據(jù)采集處理和微機系統(tǒng)依次電連接；同步控制器分別與發(fā)射通道、頻率合成、鎖相環(huán)倍頻、接收通道、數(shù)據(jù)采集處理電連接，雷達電波調(diào)頻信號所用工作頻段為超高頻段UHF的300-350MHz，掃頻帶寬為5-30MHz。
7.如權利要求6所述的雷達系統(tǒng)，其特征在于雷達采用一次混頻結構，中頻采樣率為160KHz。
8.如權利要求6所述的雷達系統(tǒng)，其特征在于時鐘源和頻率合成中信號發(fā)生部分采用專用DDS芯片，時鐘源采用ADF4360-7或者AD4106產(chǎn)生1G的系統(tǒng)時鐘，頻率合成采用AD9858產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。
9.如權利要求6或7或8所述的雷達系統(tǒng)，其特征在于雷達的同步控制器由FPGA實現(xiàn)。
全文摘要
用雷達電波探測江河湖泊表面流速的方法及其雷達系統(tǒng)，采用水流對雷達電磁波的Bragg散射的Doppler頻移探測河流表面流的徑向速度。UHF－SVR系統(tǒng)工作頻率為300－350MHz，接收機采用一次混頻，中頻為21.4MHz，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率為160KHz，發(fā)射機功率為1～5w，天線系統(tǒng)為三元八木天線。UHF－SVR系統(tǒng)具有構簡單，安裝方便，對場地要求小，節(jié)省人力資源，成本低的特點。UHF－SVR系統(tǒng)的測試精度高，距離分辨率高，對應的頻率分辨率可達10
文檔編號G01S13/00GK1719279SQ20051001921
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月3日 優(yōu)先權日2005年8月3日
發(fā)明者文必洋, 馬志剛, 周浩, 王才軍, 嚴衛(wèi)東 申請人:武漢大學