一种双天线雷达流速仪的制作方法

1.本发明属于水流测速设备技术领域，具体涉及一种双天线雷达流速仪。


背景技术：

2.雷达流速仪是一种专为水文监测、江河流量监测、农业灌溉、市政给排水、工业污水等行业对水体表面流速进行非接触式测量的专业仪表。随着近些年国内厂家在微波电子领域逐渐突破受国外垄断的技术壁垒，该类仪表因其非接触、易于安装、便于维护、测量快捷等优点，已经逐渐在国内上述行业推广应用；国内厂家也陆续研发推出了用于水体表面流速测量的雷达流速仪。
3.现有技术中的雷达流速仪主要利用水浪对雷达电磁波的后向布拉格散射及多普勒效应获得径向流速信息。通常使用一个毫米波雷达天线，以一定的倾斜角度照射到被测流速对应的水面，雷达天线通过发收，通过流速的回波信号在沿着雷达波波束方向的矢量分量特征来识别流速的大小，如附图1所示，即识别出沿雷达流速仪的雷达1’发射接收波束方向的流速vs大小，通过已知的倾斜角度，换算出水流沿径向的速度值vx。不过，这种雷达流速仪容易受到垂直方向水波波动尤其是刮风引起的波纹影响，导致的虚假流速值。其原因是这个流速通常会受到水面上下波动的纵向速度vy在雷达发射方向的分量的影响，尤其是当vx较小的时候，因为刮风引起的纵向上下波动速度vy会导致vs方向出现虚假速度信号。最典型的情况就是当水面静止时，刮风引起水面波纹，水面上下波动的vy在雷达发射方向上的分量，引起雷达流速仪测量误报。虽然这一缺陷可以通过一定的硬件设计和软件算法进行弥补，但因实际工况和现场环境复杂，在实际应用中测量准确度大为降低。现有技术中还有采用相控阵雷达(par)进行流速测量的技术方案，但是这样的技术方案只是为了更方便地改变扫描波束方向，以提升对复杂目标环境的适应能力，还是无法解决波浪干扰的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种双天线雷达流速仪，采用两个照射角度不同的平面雷达阵列天线，通过测量两个雷达发射方向上目标的综合流速并计算径向流速，实现对复杂流体流速的准确测量，尤其是因为风速引起水面波动情况下的流速测量。
5.本发明的具体技术方案是一种双天线雷达流速仪，包括平面收发雷达一和平面收发雷达二，其特征在于，所述的平面收发雷达一和平面收发雷达二发射的雷达波指向需测量的流体表面并位于与水平面垂直的竖直平面内，所述的竖直平面与需测量的流体的水平流速方向平行，设需测量的流体的水平流速为vx，平面收发雷达一发射的雷达波与水平面的夹角为α，平面收发雷达二发射的雷达波与水平面的夹角为β，平面收发雷达一测到的多普勒速度为v1，平面收发雷达二测到的多普勒速度为v2，则可得需量的流体的水平流速vx，见下式(iii)，
[0006][0007]
更进一步地，所述的平面收发雷达一和平面收发雷达二分别采用不同频段的雷达频率，两个雷达的频段相差100m以上。
[0008]
更进一步地，还包括鉴频器，通过所述的鉴频器筛选出平面收发雷达一和平面收发雷达二各自的雷达中频信号。
[0009]
更进一步地，所述的平面收发雷达一和平面收发雷达二的发射天线在安装固定时，会精确控制二个发射天线发射的雷达信号和水平流速之间的夹角α和β，以精确得到二个发射天线之间的夹角
[0010]
更进一步地，所述的所述的平面收发雷达一和平面收发雷达二的发射天线并排呈夹角或首尾相接呈夹角
[0011]
本发明的有益效果是1)本发明的双天线雷达流速仪采用两个平面雷达阵列天线，以不同俯仰角角度照射待测流速的水体目标，分别获取各自雷达发射方向上目标的综合流速，该综合流速分别为纵向波动速度和径向流速在各自雷达发射方向上的分量的矢量和，就可以准确计算出纵向波动速度和径向水流流速；2)两个平面雷达阵列天线的工作频率相差100m以上，在在雷达流速仪的整个测量频段内，不会产生波长干扰。
附图说明
[0012]
图1为现有技术中的雷达流速仪测量原理图；
[0013]
图2为本发明的双天线雷达流速仪测量原理图；
[0014]
图3为本发明的双天线雷达流速仪的天线并排设置示意图；
[0015]
图4为本发明的双天线雷达流速仪的天线首尾相接设置示意图；
[0016]
图5为本发明的双天线雷达流速仪的系统示意图；
[0017]
其中，
[0018]
现有技术的雷达1’，流体0，平面收发雷达一11，平面收发雷达二21，信号处理单元一12，信号处理单元二22，数据采集分析单元3，算法拟合单元4，结果显示单元5。
具体实施方式
[0019]
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步地描述。
[0020]
如附图2所示，本发明的一种双天线雷达流速仪，包括平面收发雷达一11和平面收发雷达二21，其特征在于，所述的平面收发雷达一11和平面收发雷达二21发射的雷达波指向需测量的流体0表面并位于与水平面垂直的竖直平面内，所述的竖直平面与需测量的流体0的水平流速方向平行，设需测量的流体0的水平流速为vx，需测量的流体0的垂直流速为vy，平面收发雷达一11发射的雷达波与水平面的夹角为α，平面收发雷达二21发射的雷达波与水平面的夹角为β，平面收发雷达一11测到的多普勒速度为v1，平面收发雷达二21测到的多普勒速度为v2，则可知vx、vy与v1、v2的关系为下式(i)、(ii)。
[0021]
v1＝vx*cosα+vy*sinα
……
(i)，
[0022]
v2＝vx*cosβ+vy*sinβ
……
(ii)，
[0023]
联立(i)、(ii)二个二元一次方程，可以解得需量的流体0的水平流速vx，见下式(iii)，
[0024][0025][0026]
所述的平面收发雷达一11和平面收发雷达二21分别采用不同频段的雷达频率，两个雷达的频段相差100m以上。
[0027]
雷达流速仪基于多普勒效应的原理，当雷达波发射源与目标相对静止时，则接收频率和发射频率相等，平面收发雷达一11和平面收发雷达二21采用不同频段的雷达频率f
01
和f
02
，两个雷达的频段相差100m以上，这样，在雷达流速仪的整个测量频段内，不会产生波长干扰，具体过程如下：
[0028][0029][0030]
其中c0为空气中的光速，λ
01
和λ
02
为平面收发雷达一11和平面收发雷达二21采用不同频段的雷达的雷达波波长。当发射波源位置固定，移动目标相对发射波源以速度v向波源方向运动时，雷达波对于移动目标来说，速度增大为c0+v，单位时间内到达移动目标的雷达波的波长个数即接收频率为：
[0031][0032][0033]
多普勒频移为:
[0034]fd01
＝f
′
接收01-f
01
……
(ix)
[0035]fd02
＝f’接收02-f
02
……
(x)
[0036]
移动目标的运动速度为：
[0037][0038][0039]
值为正值时表示速度与发射波同向，负号则反向；移动目标的速度与频移成正比，则有：
[0040][0041][0042]
雷达流速仪的测量中，需要接回波信号，回波信号也是计算流速的核心信号，在本发明的双天线雷达流速仪的设计中，平面收发雷达一11和平面收发雷达二21采用不同频段的雷达频率f
01
和f
02
，这样两个雷达的回波信号和就和发射频率不会形成混频干扰。就确保了两个雷达天线的接收系统可以并行同时工作。
[0043]
如图3-4所示，所述的平面收发雷达一11和平面收发雷达二21的发射天线在安装固定时，会精确控制二个发射天线发射的雷达信号和水平流速之间的夹角α和β，以精确得到二个发射天线之间的夹角所述的所述的平面收发雷达一11和平面收发雷达二21的发射天线并排呈夹角或首尾相接呈夹角
[0044]
如图5所示，本发明的双天线雷达流速仪一个实施例，主要包括平面收发雷达一11，平面收发雷达二21，信号处理单元一12，信号处理单元二22，数据采集分析单元3，算法拟合单元4，结果显示单元5，平面收发雷达一11和平面收发雷达二21，分别独立发射不同固定频率的雷达波，并各自接收水面波纹反射回来的雷达波；发射波和反射波在分别进行混频、滤波、放大，获取各自的中频信号，该中频信号反应了实际的流速大小。平面收发雷达一11和平面收发雷达二21输出的中频信号，各自进入信号处理单元一12、信号处理单元二22，进行中频信号的隔直放大、滤波处理；处理后的信号进入数据采集分析单元2，进行信号采集、傅里叶信号分析等处理，处理后得到各自的对应信号的频率；对应信号的频率进入算法拟合单元4，算法拟合单元4根据平面收发雷达一11和平面收发雷达二21各自的安装角度和各自获取的中频信号频率值，按照本发明所述计算方法，就可以计算出径向流速的准确值。本发明的双天线雷达流速仪上电后，同时启动平面收发雷达一11和平面收发雷达二21，两个雷达同时发射雷达波，两个雷达波遇到流体形成各自的雷达回波，雷达回波被雷达天线采集后，得到两个雷达回波信号的频率差，也就是中频信号。基平面收发雷达一11和平面收发雷达二21的中心频率相差100m以上。
[0045]
虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，包括并不限于：1.两个平面收发雷达正反方向逆向放置，分别测量顺流和逆流两个方向；2.两个或者两个以上的平面收发雷达，以不同角度测量被测目标，以获取更高测量精度；3.不限于平面收发雷达的同类用法。同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本技术的权利要求所界定的内容为标准。