專利名稱：一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器。
背景技術：
土壤侵蝕對人類生產(chǎn)、生活會造成很大的危害，主要表現(xiàn)在如破壞土壤肥力、加劇溝壑發(fā)展、水土流失、水庫淤積、河道阻塞、河床抬高。而在土壤侵蝕過程中，水流是產(chǎn)生土壤侵蝕和泥沙運動的主導者，因此水流速度的研究是定量分析土壤侵蝕和徑流挾沙能力的基礎因素之一。對于薄層水流流速測量，當超低水頭的徑流流速緩慢且微小時，傳統(tǒng)的傳感器就會因所產(chǎn)生的受水作用力相應較小，甚至無受水作用力，而無法進行測量?，F(xiàn)有技術提供了一種依靠電解質脈沖進行測量的方法，原理為應用電解質溶液在待測徑流中電導率的變化，測定出含有該電解質的水流流經(jīng)測量儀表設置點的時間，通過將該電解質溶液投放點到測量儀表設置點之間長度除以上述記錄的兩個時間之差，從而求得該段地表薄層徑流的流速。具體實現(xiàn)則是由電解質控制系統(tǒng)定時釋放一定量的電解質溶液，然后監(jiān)測測試點的電導率的變化，如果電導率變化很大，那么系統(tǒng)就可以監(jiān)測出變化的時間，通過運算，從而求得水流的速度。但該方法還處于實驗室研究階段，并未能在實際應用領域中得到推廣。而且，經(jīng)過驗證，采用上述電解質脈沖法進行測量，在實際應用中存在一定弊端其一是由于地面是不是規(guī)則的，水流的流向并不是固定不變的，而且長時間地面會容易發(fā)生變化，這就造成傳感器的布置非常困然；其二是該測量方法受到外界的干擾也會非常大，比如水中如果含有微量的電解質，就會造成測量結果錯誤；其三是該方法由于需要不斷釋放電解質，這樣就需要定期給設備添加原材料，從而帶來人力浪費，增加成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是根據(jù)微波多普勒效應，提供一種可對無壓超薄水頭、非均勻慢速流動的地表徑流水流速度進行快速而精確測量的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器。為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，包括信號發(fā)射端、信號接收端和微處理MCU，信號發(fā)射端的發(fā)射信號經(jīng)目標水面反射后，產(chǎn)生的回波信號被信號接收端接收，信號接收端對接收的回波信號和發(fā)射信號進行混頻處理，得到頻率為回波信號和發(fā)射信號頻率之差的差頻信號，微處理MCU對差頻信號的頻率進行采樣；
微處理MCU將采好樣的差頻信號頻率送入一數(shù)據(jù)終端，根據(jù)差頻信號頻率與目標水面水速的對應關系測定流速。進一步，數(shù)據(jù)終端是PC，PC在接收到差頻信號頻率后，根據(jù)差頻信號頻率與目標水面水速的對應數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)調用，得出所測目標水面的流速。進一步，經(jīng)過混頻處理得到的差頻信號，經(jīng)過一頻率跟蹤器進行去噪處理。進一步，所述差頻信號在經(jīng)過一運算放大器進行放大后再送入微處理MCU進行頻率采樣。進一步，發(fā)射端通過鎖相環(huán)回路產(chǎn)生一個10. 2Hz固定頻率的發(fā)射信號。
進一步，信號發(fā)射端和信號接收端均通過采用微帶天線做成的發(fā)射天線和接收天線進行信號的發(fā)收。進一步，微處理MCU與PC通過RS-232協(xié)議進行串口通信。進一步，微處理MCU中使用11. 0592M晶振。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器包括信號發(fā)射端、信號接收端和微處理MCU，信號接收端對接收的回波信號和發(fā)射端的發(fā)射信號進行混頻處理，得到頻率為回波信號和發(fā)射信號頻率之差的差頻信號，微處理MCU對差頻信號的頻率進行采樣后，根據(jù)微波多普勒效應測定流速。應用本發(fā)明不僅可對無壓超薄水頭、非均勻慢速流動的地表徑流水流速度進行快速而精確測量，而且操作便捷，受外界干擾小，無需添加任何原材料，節(jié)約成本。


下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明圖1是水流速度與差頻信號頻率的實驗關系圖2是實施例一提供的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器的結構示意圖；圖3是頻率跟蹤器進行信號處理的結構示意圖；圖4是實施例二提供的信號發(fā)射端電路原理圖；圖5是實施例二提供的信號接收端電路原理圖；圖6是實施例二提供的微處理器MCU圖。
具體實施例方式微波多普勒效應，是指波源與接收機之間相對運動時，接收器接收到波源頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。波源頻率與接收到的波源頻率之差稱為多普勒頻率。以連續(xù)波作為波源，發(fā)射微波信號，接收由活動目標反射回來的回波信號，如已知波源頻率，測量出多普勒頻率就可以計算出目標的運動速度。參照圖1，水流速度與差頻信號頻率的實驗關系圖。由圖中可看出，除了存在極個別的偏差較大的現(xiàn)象外，水流速度與差頻信號頻率基本是成線性關系。而這也正是本發(fā)明一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器的作用原理基礎。參照圖2，實施例一提供的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器的結構示意圖，該傳感器包括信號發(fā)射端、信號接收端和微處理MCU，信號發(fā)射端的發(fā)射信號經(jīng)目標水面反射后，產(chǎn)生的回波信號被信號接收端接收，信號接收端對接收的回波信號和發(fā)射信號進行混頻處理，得到頻率為回波信號和發(fā)射信號頻率之差的差頻信號，微處理器MCU對差頻信號的頻率進行采樣，采好樣的差頻信號頻率送入一數(shù)據(jù)終端。該數(shù)據(jù)終端可以是集成在該傳感器上的功能模塊、外設的PC機等，用于根據(jù)存儲的差頻信號頻率與對應水速的數(shù)據(jù)信息，在接收到差頻信號頻率后，通過數(shù)據(jù)調用，得出所測目標水面的流速。在實際使用測量時，由于接收端接收到的回波信號會包含有多種噪聲，如暗電流散粒噪聲、背景光噪聲和熱噪聲等，同時，還由于受到各方面的影響，如散粒受布朗運動的影響，散粒通過檢測區(qū)域所需要的過渡時間，多粒子進入探測區(qū)域的相位不同等原因使得接收到的回波信號帶寬會變寬。因此，為了減少回波信號的噪聲和帶寬，并能夠從帶有噪聲的信號中取出有用的信號，從而保證差頻信號的可靠性，可對信號采用頻率跟蹤器進行處理
參照圖3，RX端的回波信號在經(jīng)過前級放大器放大后和TX端的發(fā)射信號經(jīng)過混頻器混頻后得到差頻信號，然后經(jīng)過一個帶通濾波器，消除噪聲。為了控制差頻信號幅度的脈動，通過一個限幅器對信號幅度進行限制，然后再經(jīng)過鑒頻器產(chǎn)生一個正比于差頻信號頻率的直流信號，通過積分器轉換為電壓信號。在對該電壓信號經(jīng)過放大器進行電壓放大后，再來控制壓控振蕩器，從而形成一個信號處理回路，保證了處理后輸出的差頻信號的可靠性。參照圖4，實施例二提供的信號發(fā)射端電路原理圖。實施例中的N2是一個射頻壓控振蕩器，作用是通過一個固定的電壓差產(chǎn)生10. 2Hz的信號頻率。考慮到傳感器作用的測量距離很短，以及避免信號發(fā)射端對臨近設備的干擾，因此發(fā)射信號不需要太大的功率。發(fā)射信號在經(jīng)過放大器D6后，信號的強度大概為14dbm。放大后的信號在經(jīng)過一個四階的低通濾波器進行輸出功率的匹配調節(jié)后，經(jīng)由發(fā)射天線El向目標水面發(fā)出。參照圖5，實施例二提供的信號接收端電路原理圖?；夭ㄐ盘柋惶炀€Al接收后，經(jīng)過射頻濾波器FLl過濾掉外界信號后，通過一個分壓式偏置電路進行射頻放大。放大完成后再經(jīng)過濾波器FL2濾除掉放大后的噪聲。濾噪后的回波信號與從TX端進入的發(fā)射信號進行混頻處理，將混頻后得到的頻率為回波信號和發(fā)射信號頻率之差的差頻信號送入中頻放大電路進行放大處理，處理完后的差頻信號由FRE端送入微處理器MCU。參照圖6，實施例二提供的微處理器MCU圖。微處理MCU通過管腳Pl. 3對輸入的差頻信號進行頻率采樣。由于在本實施例中，差頻信號頻率最大值一般為IMHz。因此，差頻微處理器MCU使用11.0592M晶振，保證采樣的最高頻率為IMHz。在本實施例中，微處理MCU通過RS-232協(xié)議與PC進行串口通信，將采樣頻率傳輸給PC。PC通過調用差值信號頻率與水流對應關系數(shù)據(jù)表，得出水速值，從而實現(xiàn)對當前水速的測量。信號發(fā)射端和信號接收端均通過采用微帶天線做成的發(fā)射天線和接收天線進行信號的發(fā)收，不僅安裝方便，而且節(jié)約成本。以上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
權利要求
1.一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，包括信號發(fā)射端、信號接收端和微處理 MCU，所述信號發(fā)射端的發(fā)射信號經(jīng)目標水面反射后，產(chǎn)生的回波信號被信號接收端接收， 其特征在于所述信號接收端對接收的回波信號和發(fā)射信號進行混頻處理，得到頻率為回波信號和發(fā)射信號頻率之差的差頻信號，所述微處理MCU對差頻信號的頻率進行采樣；所述微處理MCU將采好樣的差頻信號頻率送入一數(shù)據(jù)終端，根據(jù)差頻信號頻率與目標水面水速的對應關系測定流速。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)終端是PC，PC在接收到差頻信號頻率后，根據(jù)差頻信號頻率與目標水面水速的對應數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)調用，得出所測目標水面的流速。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述經(jīng)過混頻處理得到的差頻信號，經(jīng)過一頻率跟蹤器進行去噪處理。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述差頻信號在經(jīng)過一運算放大器進行放大后再送入微處理MCU進行頻率采樣。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述發(fā)射端通過鎖相環(huán)回路產(chǎn)生一個10. 2Hz固定頻率的發(fā)射信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述信號發(fā)射端和信號接收端均通過采用微帶天線做成的發(fā)射天線和接收天線進行信號的發(fā)收。
7.根據(jù)權利要求2所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述微處理MCU與PC通過RS-232協(xié)議進行串口通信。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，其特征在于所述微處理MCU中使用11. 0592M晶振。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型微波雷達超薄水流測定傳感器，包括信號發(fā)射端、信號接收端和微處理MCU，信號發(fā)射端的發(fā)射信號經(jīng)目標水面反射后，產(chǎn)生的回波信號被信號接收端接收，信號接收端對接收的回波信號和發(fā)射信號進行混頻處理，得到頻率為回波信號和發(fā)射信號頻率之差的差頻信號，微處理MCU對差頻信號的頻率進行采樣，根據(jù)差頻信號頻率與目標水面水速的對應關系測定流速。根據(jù)微波多普勒效應，本發(fā)明的微波傳感器信號接收端對回波信號和發(fā)射信號進行混頻處理得到差頻信號，通過頻率采樣，測得當前水速。本發(fā)明不僅實用，而且測量精確，適用于無壓超薄水頭和非均勻慢速流動的地表徑流水速測定領域。
文檔編號G01P5/00GK102565452SQ20121002521
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權日2012年2月6日
發(fā)明者任秀文, 劉愛萍, 張國清, 李開明, 郁獻軍, 鐘滿妮 申請人:環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所