一種用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)雷達(dá)終端以及一河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)。每個(gè)雷達(dá)終端將所采集到的表面流速數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送至河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并且河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)將參數(shù)設(shè)置命令通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至多個(gè)雷達(dá)終端中的每個(gè)雷達(dá)終端。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的河道表面流速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可僅根據(jù)雷達(dá)終端所發(fā)射的雷達(dá)波以及所接收的波浪反射回的雷達(dá)波即可計(jì)算出表面流速數(shù)據(jù)，鑒于該系統(tǒng)以非接觸方式測(cè)量水流表面流速，不受液面條件的影響，因而可在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥漿的情況下均能進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水、泥漿等液體表面流速測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的河道流速測(cè)量裝置主要包括旋槳式、旋杯式機(jī)械流速儀或聲學(xué)多普勒流速剖面儀(包括走航式和旁測(cè)式)進(jìn)行測(cè)量。例如，將測(cè)量裝置裝載在小船上，通過(guò)小船在河道上的航行來(lái)測(cè)量河道中的河水流速。又如，通過(guò)人造示蹤物在河道上的漂流狀態(tài)來(lái)測(cè)量河水流速，上述兩種測(cè)量方式對(duì)于平靜的水面或具有平坦岸邊的水面來(lái)說(shuō)，測(cè)量效果較好。而對(duì)于水流湍急或在懸崖峭壁中穿行的水面來(lái)說(shuō)，均無(wú)法使用上述兩種測(cè)量方式來(lái)測(cè)量河道表面的流速。
[0003]此外，上述測(cè)量方式均為接觸式測(cè)量。對(duì)于污水、泥漿等含有腐蝕性成分或者雜質(zhì)的液體表面流速測(cè)量，以及洪水、特大洪水尤其是洪峰的測(cè)量，接觸式測(cè)量會(huì)受到諸多限制。再者，接觸式測(cè)量方式需要的人員多、測(cè)量周期長(zhǎng)、測(cè)量精度低，尤其是山洪測(cè)量中的人身安全也將遭受威脅，于水文測(cè)量現(xiàn)代化的發(fā)展十分不協(xié)調(diào)。有鑒于此，如何設(shè)計(jì)一種河道表面流速的自動(dòng)化測(cè)量方案，以有效改善或消除上述缺陷，是當(dāng)前亟待解決的一項(xiàng)課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的河道表面流速測(cè)量所存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種新穎的非接觸測(cè)量方式的用于 河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0005]依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)雷達(dá)終端以及一河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，
[0006]其中，每個(gè)雷達(dá)終端將所采集到的表面流速通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)(Internet)傳送至所述河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并且所述河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)將參數(shù)設(shè)置命令通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至所述多個(gè)雷達(dá)終端中的每個(gè)雷達(dá)終端，所述表面流速V滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式:
c X fd
[0007]V =-:~
2fx cos0
[0008]其中，c為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度，fd為河道液面的波浪所接收的第一雷達(dá)波f與所反射的第二雷達(dá)波f,之間的多普勒頻差(fd= |f-f' I)，Θ為所述雷達(dá)終端向河道液面發(fā)射的第一雷達(dá)波f入射水面的角度。
[0009]在其中的一實(shí)施例,所述雷達(dá)終端包括一雷達(dá)模塊、一通訊模塊和一電源模塊，其中所述雷達(dá)模塊用于向河道液面發(fā)送所述第一雷達(dá)波，并接收來(lái)自所述河道液面反射的第二雷達(dá)波，并根據(jù)所述第一雷達(dá)波、第二雷達(dá)波以及第一雷達(dá)波入射水面的角度計(jì)算所述表面流速。所述通訊模塊連接至所述雷達(dá)模塊，用于將所述表面流速通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送至所述河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)。所述電源模塊用于向所述雷達(dá)模塊和所述通訊模塊提供工作電壓。[0010]在其中的一實(shí)施例，所述雷達(dá)模塊包括天線、收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理模塊，所述天線和所述收發(fā)機(jī)用于發(fā)送所述第一雷達(dá)波并接收所述第二雷達(dá)波，并產(chǎn)生一差拍中頻信號(hào)，所述信號(hào)處理模塊接收所述差拍中頻信號(hào)并進(jìn)行放大采樣，計(jì)算得出所述表面流速。
[0011]在其中的一實(shí)施例，所述通訊模塊為GPRS無(wú)線模塊、W1-Fi無(wú)線模塊或Zigbee無(wú)線模塊。
[0012]在其中的一實(shí)施例，所述電源模塊為鋰電池組、太陽(yáng)能蓄電池或交流/直流變換器。
[0013]在其中的一實(shí)施例，所述雷達(dá)模塊還包括具有防水功能的天線罩，所述天線、收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理模塊依次安設(shè)于所述天線罩的后方，所述天線罩與所述殼體采用卡口式連接。
[0014]在其中的一實(shí)施例，所述天線、收發(fā)機(jī)設(shè)置于一電路板，所述信號(hào)處理模塊設(shè)置于另一電路板，這兩塊電路板通過(guò)鋁合金板與雷達(dá)模塊的殼體相連接。
[0015]在其中的一實(shí)施例，所述天線設(shè)置為平面微帶天線形式，包括9X12陣列的發(fā)射天線以及9 X 12陣列的接收天線。
[0016]在其中的一實(shí)施例，所述信號(hào)處理模塊包括加速度傳感器芯片，用于采集所述雷達(dá)終端向河道液面發(fā)射的第一雷達(dá)波入射水面的傾斜角度。
[0017]在其中的一實(shí)施例，所述信號(hào)處理模塊通過(guò)下列操作判斷河道表面的流速及流動(dòng)方向:對(duì)I路信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT);計(jì)算FFT頻譜的最大值；計(jì)算信噪比SNR(Signal Noise Ratio)，當(dāng)所述信噪比高于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，對(duì)Q路信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換；根據(jù)I路信號(hào)的FFT頻譜最大值和Q路信號(hào)的FFT頻譜最大值，計(jì)算相位差，以判斷河道液面的流動(dòng)方向；讀取第一雷達(dá)波入射水面的傾斜角度，根據(jù)最大頻率值計(jì)算所述表面流速。
[0018]采用本發(fā)明的用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括多個(gè)雷達(dá)終端以及一河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，由雷達(dá)終端將所采集到的表面流速通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送至河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并且監(jiān)測(cè)平臺(tái)將參數(shù)設(shè)置命令通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至多個(gè)雷達(dá)終端中的每個(gè)雷達(dá)終端。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的河道表面流速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可僅根據(jù)雷達(dá)終端所發(fā)射的雷達(dá)波以及所接收的波浪反射回的雷達(dá)波即可計(jì)算出表面流速，鑒于該系統(tǒng)以非接觸方式測(cè)量水流表面流速，不受液面條件的影響，因而可在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥漿的情況下均能進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]讀者在參照附圖閱讀了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】以后，將會(huì)更清楚地了解本發(fā)明的各個(gè)方面。其中，
[0020]圖1示出依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0021]圖2示出圖1的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷達(dá)終端的一具體實(shí)施例；
[0022]圖3為圖2的雷達(dá)終端利用雷達(dá)波計(jì)算表面流速的原理圖；
[0023]圖4示出圖2的雷達(dá)終端的示意性硬件電路組成框圖；以及
[0024]圖5示出圖2的雷達(dá)模塊的信號(hào)處理模塊的處理流程框圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]為了使本申請(qǐng)所揭示的技術(shù)內(nèi)容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發(fā)明的下述各種具體實(shí)施例，附圖中相同的標(biāo)記代表相同或相似的組件。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下文中所提供的實(shí)施例并非用來(lái)限制本發(fā)明所涵蓋的范圍。此外，附圖僅僅用于示意性地加以說(shuō)明，并未依照其原尺寸進(jìn)行繪制。
[0026]下面參照附圖，對(duì)本發(fā)明各個(gè)方面的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0027]圖1示出依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0028]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的河道表面流速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)雷達(dá)終端12以及一河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)10。其中，每個(gè)雷達(dá)終端12將所采集到的表面流速通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)(Internet)傳送至河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)10。并且，河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)10將參數(shù)設(shè)置命令12通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至多個(gè)雷達(dá)終端中的每個(gè)雷達(dá)終端12。例如，河道因地理?xiàng)l件或其它因素可劃分為不同的河段，每個(gè)河段對(duì)應(yīng)單個(gè)的雷達(dá)終端，如此一來(lái)，不同的雷達(dá)終端所采集的表面流速也是不同的。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可僅根據(jù)雷達(dá)終端所發(fā)射的雷達(dá)波以及所接收的波浪反射回的雷達(dá)波即可計(jì)算出表面流速，鑒于該系統(tǒng)以非接觸方式測(cè)量水流表面流速，不受液面條件的影響，因而可在高速水流、渾水、漂浮物甚至泥石流、泥漿的情況下均能進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。
[0029]圖2示出圖1的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷達(dá)終端的一具體實(shí)施例。圖3為圖2的雷達(dá)終端利用雷達(dá)波計(jì)算表面流速的原理示意圖。圖4示出圖2的雷達(dá)終端的示意性硬件電路組成框圖。圖5示出圖2的雷達(dá)模塊的信號(hào)處理模塊的處理流程框圖。
[0030]參照?qǐng)D3，c為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度，fd為河道液面的波浪所接收的第一雷達(dá)波(圖3以f標(biāo)識(shí))與所反射的第二雷達(dá)波(圖3以f ’標(biāo)識(shí))之間的多普勒頻差fd =
f-f" I，f為雷達(dá)終端向河道液面發(fā)射的第一雷達(dá)波(例如24GHz)，Θ為雷達(dá)終端向河道液面發(fā)射的第一雷達(dá)波f入射水面的角度。則表面流速V滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式:
【權(quán)利要求】
1.一種用于河道表面流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)雷達(dá)終端以及一河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)， 其中，每個(gè)雷達(dá)終端將所采集到的表面流速通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)(Internet)傳送至所述河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并且所述河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)將參數(shù)設(shè)置命令通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至所述多個(gè)雷達(dá)終端中的每個(gè)雷達(dá)終端，所述表面流速V滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式:V=cxfd/2fxcosθ 其中，C為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度，fd為河道液面的波浪所接收的第一雷達(dá)波f與所反射的第二雷達(dá)波f,之間的多普勒頻差(fd= |f-f' I)，Θ為所述雷達(dá)終端向河道液面發(fā)射的所述第一雷達(dá)波f入射水面的角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)終端包括一雷達(dá)模塊、一通訊模塊和一電源模塊， 其中，所述雷達(dá)模塊用于向河道液面發(fā)送所述第一雷達(dá)波，并接收來(lái)自所述河道液面反射的第二雷達(dá)波，并根據(jù)所述第一雷達(dá)波、第二雷達(dá)波以及第一雷達(dá)波入射水面的角度計(jì)算所述表面流速； 其中，所述通訊模塊連接至所述雷達(dá)模塊，用于將所述表面流速通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送至所述河道表面流速監(jiān)測(cè)平臺(tái)，所述電源模塊用于向所述雷達(dá)模塊和所述通訊模塊提供工作電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)模塊包括天線、收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理模塊， 所述天線和所述收發(fā)機(jī)用于發(fā)送所述第一雷達(dá)波并接收所述第二雷達(dá)波，并產(chǎn)生一差拍中頻信號(hào)，所述信號(hào)處理模塊接收所述差拍中頻信號(hào)并進(jìn)行放大采樣，計(jì)算得出所述表面流速。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述通訊模塊為GPRS無(wú)線模塊、W1-Fi無(wú)線模塊或Zigbee無(wú)線模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊為鋰電池組、太陽(yáng)能蓄電池或交流/直流變換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)模塊還包括具有防水功能的天線罩，所述天線、收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理模塊依次安設(shè)于所述天線罩的后方，所述天線罩與所述殼體采用卡口式連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述天線、收發(fā)機(jī)設(shè)置于一電路板，所述信號(hào)處理模塊設(shè)置于另一電路板，這兩塊電路板通過(guò)鋁合金板與雷達(dá)模塊的殼體相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述天線設(shè)置為平面微帶天線形式，包括9 X 12陣列的發(fā)射天線以及9 X 12陣列的接收天線。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊包括加速度傳感器芯片，用于采集所述雷達(dá)終端向河道液面發(fā)射的第一雷達(dá)波入射水面的傾斜角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊通過(guò)下列操作判斷河道表面的流速及流動(dòng)方向: 對(duì)I路信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)； 計(jì)算FFT頻譜的最大值； 計(jì)算信噪比SNR(Signal Noise Ratio),當(dāng)所述信噪比高于預(yù)設(shè)閾值時(shí),對(duì)Q路信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換； 根據(jù)I路信號(hào)的FFT頻譜最大值和Q路信號(hào)的FFT頻譜最大值，計(jì)算相位差，以判斷河道液面的流動(dòng)方向； 讀取第一雷達(dá)波 入射水面的傾斜角度，根據(jù)最大頻率值計(jì)算所述表面流速。
【文檔編號(hào)】G01P5/00GK104007286SQ201410255440
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】陳德莉 申請(qǐng)人:上海航征測(cè)控系統(tǒng)有限公司