一種水位探測系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種水位探測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括探測機構和記錄機構，所述探測機構固定在水面上方，包括采集與水面距離的調(diào)頻雷達，所述調(diào)頻雷達輸出距離信號至信號處理單元，所述信號處理單元將處理信號輸送至無線通信模塊，所述無線通信模塊輸出探測信號至遠端的記錄機構。系統(tǒng)具有可靠性高、壽命長、不受周圍環(huán)境影響和便于維護等優(yōu)點。
【專利說明】
一種水位探測系統(tǒng)及其控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及水文探測技術領域，具體涉及一種基于雷達的河流水位探測系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術】
[0002]水紋信息探測工作對于防洪防汛有著重要的影響，目前，用于河流水位探測的技術普遍采用接觸式的水位計進行探測，這類探測裝置存在很多問題，如傳感器容易損壞，壽命短，同時還需要定期檢測傳感器周圍環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是實現(xiàn)一種使用可靠、壽命長、不受周圍環(huán)境影響和便于維護河流水位探測系統(tǒng)。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:一種水位探測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括探測機構和記錄機構，所述探測機構固定在水面上方，包括采集與水面距離的調(diào)頻雷達，所述調(diào)頻雷達輸出距離信號至信號處理單元，所述信號處理單元將處理信號輸送至無線通信模塊，所述無線通信模塊輸出探測信號至遠端的記錄機構。
[0005]所述記錄機構包括存儲水紋數(shù)據(jù)的服務器和/或顯示水紋數(shù)據(jù)的顯示器。
[0006]所述的探測機構包括報警裝置，所述信號處理單元輸出報警信號至報警裝置。
[0007]所述的探測機構至少設有兩個，并將信號輸送至同一個記錄機構。
[0008]所述的探測機構上設有固定在探測機構上的空氣溫度傳感器、風力傳感器、濕度傳感器，以及通過導線懸置于水面下的水溫傳感器，所述的空氣溫度傳感器、風力傳感器、濕度傳感器和水溫傳感器均輸出探測信號至信號處理單元，所述信號處理單元經(jīng)無線通信模塊輸出探測信號至遠端的記錄機構。
[0009]所述探測單元的雷達天線發(fā)射方向沿水流方向傾斜固定。
[0010]所述信號處理單元包括DSP信號處理器、連接DSP信號處理器與調(diào)頻雷達的中頻信號處理電路和DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路，連接DSP信號處理器的數(shù)據(jù)緩沖器、連接DSP信號處理器與報警裝置的報警裝置控制電路，以及連接DSP信號處理器與無線通信模塊的UART串行通信接口。
[0011]所述調(diào)頻雷達由信號處理單元的DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路通過SPI接口進行配置，所述DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路輸出信號至PLL鎖相環(huán)和OSC壓控振蕩器，所述PLL鎖相環(huán)接收回波信號進行混頻產(chǎn)生I或者Q中頻信號，所述OSC壓控振蕩器產(chǎn)生高頻信號并經(jīng)過PA功率放大器放大后通過發(fā)射天線發(fā)出，接收天線接收回波信號通過LNA低噪放濾波放大后進入混頻器與發(fā)射端高頻信號進行混頻得到中頻信號I，Q。
[0012]—種基于所述水位探測系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:
[0013]步驟1、系統(tǒng)上電，初始化；
[0014]步驟2、是否有中斷服務程序，若有則中斷程序，若無則系統(tǒng)故障自檢，若有問題則報警，若無問題則執(zhí)行下一步；
[0015]步驟3、調(diào)頻雷達實時采集水位信息，對采集的雷達中頻信號進行濾波處理得到濾波后的中頻信號，然后執(zhí)行雷達算法含F(xiàn)FT變換，恒虛警檢測算法、測距算法等得到水平面和雷達之間的垂直距離，多次累加取平均值，得到水位高度；
[0016]步驟4、通過無線通信模塊發(fā)出距離信息，返回步驟2.
[0017]記錄機構將設定時間段內(nèi)每個探測機構所采集的水溫、風速、空氣溫度、空氣濕度、水溫、河水流速數(shù)據(jù)求平均值、并存儲。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0019]I)本發(fā)明采用非接觸式的雷達對水位進行探測，不受溫度、濕度、大氣壓力、風向和光線環(huán)境因素影響，使用壽命長，可靠性高；
[0020]2)低精度的DAC加上濾波放大電路取代高精度的DAC和PLL鎖相環(huán)等方案實現(xiàn)高線性度的調(diào)頻信號。DAC的控制由DSP以及內(nèi)置的多通道串行通信接口配合DMA進行控制，不需要額外增加DAC所需的MCU;
[0021]3)模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用DSP內(nèi)置的ADC，不需要額外增加ADC;
[0022]4)采用傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)SRAM配合DSP內(nèi)部的DMA控制模塊取代目前大部分系統(tǒng)采用的使用FPGA或者雙口 RAM實現(xiàn)的FIFO緩沖器。
【附圖說明】
[0023]下面對本發(fā)明說明書中每幅附圖表達的內(nèi)容作簡要說明:
[0024]圖1為水位探測系統(tǒng)總體結構框圖；
[0025]圖2為水位探測系統(tǒng)信號處理單元組成和工作原理框圖；
[0026]圖3為水位探測系統(tǒng)中調(diào)頻雷達結構和工作原理框圖；
[0027]圖4為水位探測系統(tǒng)的控制方法流程示意圖；
[0028]圖中標記為:1、信號處理單元;2、調(diào)頻雷達;3、報警裝置;4、無線通信模塊；11、信號處理器;12、中頻信號處理電路；13、DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路；14、數(shù)據(jù)緩沖器;15、報警裝置控制電路；16、UART串行通信接口； 21、內(nèi)置發(fā)射天線；22、接收天線；23、OSC壓控振蕩器;24、PA功率放大器;25、混頻器;26、PLL鎖相環(huán);27、LNA低噪放。
【具體實施方式】
[0029]隨著雷達技術的發(fā)展，越來越多的應用于各種探測領域，本申請而采用雷達技術則可以實現(xiàn)非接觸式水位測量，通過調(diào)頻雷達2的測距功能可以實現(xiàn)雷達和待測水面的相對距離，實時獲取河流水位信息，用于防汛、防災等，可以避免由于水患造成的生命財產(chǎn)損失。
[0030]系統(tǒng)采用調(diào)頻雷達2測量與河流水面的相對距離，雷達天線和水平面保持平行。通過對水平面反射回波進行分析計算，得到雷達平面與水平面之間的距離。調(diào)頻信號由DSP通過多通道高速串行通信接口控制DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并結合低噪放和可調(diào)電位器產(chǎn)生滿足一定幅值的三角波信號。返回的中頻信號經(jīng)過帶通交流濾波放大電路處理后，由DSP內(nèi)置的ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過DSP內(nèi)置的DMA將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號緩沖到數(shù)據(jù)緩沖器14中，由目標檢測算法進行處理。
[0031]具體來說，水位探測系統(tǒng)包括探測機構和記錄機構，探測機構固定在水面上方用于采集水紋信息，記錄機構用接收探測機構的水紋信息，方便在室內(nèi)上實時了解到水紋信息，探測機構可以設置多個，可以在不同區(qū)域分布采集水紋信息，并統(tǒng)一輸送到同一個記錄機構，從而能夠獲得更加精準可靠的數(shù)據(jù)。
[0032]如圖1所示，探測機構包括信號處理單元1、調(diào)頻雷達2、報警裝置3和無線通信模塊
4。信號處理單元I為用于信號處理，除了包括DSP信號處理器5及其最小系統(tǒng)外，還包括中頻信號處理電路12、DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路13、數(shù)據(jù)緩沖器14、報警裝置控制電路15和UART串行通信接口 16，其組成以及系統(tǒng)工作原理見圖2所示。
[0033]中頻信號處理電路12對雷達前端返回的1、Q兩路中頻信號，經(jīng)過低噪放運算放大器進行濾波放大處理，然后經(jīng)過RC濾波器處理，進入DSP內(nèi)部的ADC模塊，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過DMA傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩沖器14中。毫米波雷達算法對保存在數(shù)據(jù)緩沖器14中的數(shù)據(jù)進行處理，得到雷達平面和水平面之間的相對垂直距離信息。
[0034]DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路13用于周期產(chǎn)生三角調(diào)頻信號，DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路13由DSP通過內(nèi)置的MCBSI3B多通道緩沖串行通信接口進行配置，并控制DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路13產(chǎn)生三角波調(diào)制波形，并經(jīng)過濾波放大處理得到高線性度的調(diào)頻信號作用于雷達前端產(chǎn)生射頻調(diào)頻信號。
[0035]調(diào)頻雷達2用于探測與水平面的相對距離，調(diào)頻雷達2如圖3所示，內(nèi)置發(fā)射天線21、接收天線22、0SC壓控振蕩器23、PA功率放大器24、混頻器25、PLL鎖相環(huán)26和LNA低噪放271LL鎖相環(huán)26用于產(chǎn)生高頻信號。三角波調(diào)制信號，施加到OSC壓控振蕩器產(chǎn)生高頻信號并經(jīng)過功率放大器放大后通過發(fā)射天線發(fā)出。接收天線22接收回波信號通過LNA低噪放27濾波放大后進入混頻器25與發(fā)射端高頻信號進行混頻得到中頻信號I，Q，雷達前端模塊由DSP通過SPI接口進行配置，由DAC產(chǎn)生的Vtune3 fine信號，完成調(diào)諧曲線校準。
[0036]首先通過Enref使能信號屏蔽前端模塊內(nèi)部的LNA低噪放27，切斷接收天線22回路，而通過內(nèi)置的PLL鎖相環(huán)26產(chǎn)生的信號作為接收回波信號進行混頻產(chǎn)生I或者Q中頻信號。通過Vtune fine配合SPI接口可以確定調(diào)頻范圍和對應的調(diào)頻波形電壓范圍即確定調(diào)諧曲線。
[0037]調(diào)頻雷達2優(yōu)選采用窄角度天線，增大信號強度，增加系統(tǒng)的探測距離。此外，探測單元的雷達天線發(fā)射方向可沿水流方向傾斜固定，即將雷達平面和水平面呈一定夾角，則能夠?qū)λ髁魉贉y量，達到測量水流速度的目的。針對水平面水位探測，雷達前端天線角度小，探測距離遠。
[0038]報警裝置3用于當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，進行視覺和聲覺報警，方便工作人員找出水位超常或者設備異常的地點，無線通信模塊4用于和記錄機構進行通信，輸出水位高度信息以及報警信息。記錄機構包括存儲水紋數(shù)據(jù)的服務器和/或顯示水紋數(shù)據(jù)的顯示器，能夠?qū)崟r記錄和顯示水紋狀態(tài)，方便工作人員進行實時監(jiān)控。
[0039]此外，為了方便探測更加具體詳細的信息，探測機構上設有固定在探測機構上的空氣溫度傳感器、風力傳感器、濕度傳感器，以及通過導線懸置于水面下的水溫傳感器，這樣不能能夠探測水位、流速信息，還能夠同時探測到空氣溫度、空氣濕度、風速、水溫等信息，空氣溫度傳感器、風力傳感器、濕度傳感器和水溫傳感器均輸出探測信號至信號處理單元1，信號處理單元I經(jīng)無線通信模塊4輸出探測信號至遠端的記錄機構，方便工作人員進行實時監(jiān)控。
[0040]基于上述水位探測系統(tǒng)的控制方法如圖4所示，
[0041 ]步驟1、系統(tǒng)上電運行后系統(tǒng)初始化，包含ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換初始化、DMA使能以及中斷開啟，用于DAC配置的MCBSI3B多通道緩沖串行通信接口的初始化和DMA使能以及中斷開啟，使得在DMA機制下不占用CPU指令周期的情況下完成ADC數(shù)據(jù)信號由緩沖區(qū)到SRAM的周期傳輸以及SRAM中存儲的用于DAC配置數(shù)據(jù)到MCBSPB多通道緩沖區(qū)的周期傳輸以及3G/4G通信模塊的初始化；
[0042]步驟2、系統(tǒng)進行自檢，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則通過報警裝置3進行報警，同時通過無線通信模塊4將故障信息發(fā)送給記錄機構。重復步驟2;否則執(zhí)行步驟3;
[0043]步驟3、如果沒有故障，則對采集的雷達中頻信號進行濾波處理得到濾波后的中頻信號，然后執(zhí)行雷達算法含F(xiàn)FT變換，恒虛警檢測算法、測距算法等得到水平面和雷達之間的垂直距離，多次累加取平均值，得到水位高度，并通過3G/4G通信模塊實時發(fā)送到記錄機構，返回執(zhí)行步驟2。
[0044]在程序運行過程中隨時可能進入中斷服務程序，進行相關處理。記錄機構將設定時間段內(nèi)每個探測機構所采集的水溫、風速、空氣溫度、空氣濕度、水溫、河水流速數(shù)據(jù)求平均值、并存儲，設定時間可以是半小時，則一天可以得到48個數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)點又是多點均值，則能夠更加精準、全面的獲得采集區(qū)域的數(shù)據(jù)信息。
[0045]上述系統(tǒng)將探測數(shù)據(jù)通過無線通信模塊4發(fā)送給上記錄機構，探測機構和記錄機構均具有視覺和聲覺報警裝置3，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以通過BUZZER和LED進行報警，由于探測機構懸于水面上方，不受溫度、濕度、大氣壓力、風向和光線等環(huán)境因素影響，使用更加可靠。
[0046]上面結合附圖對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構思和技術方案進行的各種非實質(zhì)性的改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種水位探測系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)包括探測機構和記錄機構，所述探測機構固定在水面上方，包括采集與水面距離的調(diào)頻雷達，所述調(diào)頻雷達輸出距離信號至信號處理單元，所述信號處理單元將處理信號輸送至無線通信模塊，所述無線通信模塊輸出探測信號至遠端的記錄機構。2.根據(jù)權利要求1所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述記錄機構包括存儲水紋數(shù)據(jù)的服務器和/或顯示水紋數(shù)據(jù)的顯示器。3.根據(jù)權利要求1或2所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的探測機構包括報警裝置，所述信號處理單元輸出報警信號至報警裝置。4.根據(jù)權利要求3所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的探測機構至少設有兩個，并將信號輸送至同一個記錄機構。5.根據(jù)權利要求1或4所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的探測機構上設有固定在探測機構上的空氣溫度傳感器、風力傳感器、濕度傳感器，以及通過導線懸置于水面下的水溫傳感器，所述的空氣溫度傳感器、風力傳感器、濕度傳感器和水溫傳感器均輸出探測信號至信號處理單元，所述信號處理單元經(jīng)無線通信模塊輸出探測信號至遠端的記錄機構。6.根據(jù)權利要求5所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述探測單元的雷達天線發(fā)射方向沿水流方向傾斜固定。7.根據(jù)權利要求3所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述信號處理單元包括DSP信號處理器、連接DSP信號處理器與調(diào)頻雷達的中頻信號處理電路和DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路，連接DSP信號處理器的數(shù)據(jù)緩沖器、連接DSP信號處理器與報警裝置的報警裝置控制電路，以及連接DSP信號處理器與無線通信模塊的UART串行通信接口。8.根據(jù)權利要求7所述的水位探測系統(tǒng)，其特征在于:所述調(diào)頻雷達由信號處理單元的DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路通過SPI接口進行配置，所述DAC調(diào)頻信號產(chǎn)生電路輸出信號至PLL鎖相環(huán)和OSC壓控振蕩器，所述PLL鎖相環(huán)接收回波信號進行混頻產(chǎn)生I或者Q中頻信號，所述OSC壓控振蕩器產(chǎn)生高頻信號并經(jīng)過PA功率放大器放大后通過發(fā)射天線發(fā)出，接收天線接收回波信號通過LNA低噪放濾波放大后進入混頻器與發(fā)射端高頻信號進行混頻得到中頻信號I，Q。9.一種基于權利要求1-8中任一項所述水位探測系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: 步驟1、系統(tǒng)上電，初始化； 步驟2、是否有中斷服務程序，若有則中斷程序，若無則系統(tǒng)故障自檢，若有問題則報警，若無問題則執(zhí)行下一步； 步驟3、調(diào)頻雷達實時采集水位信息，對采集的雷達中頻信號進行濾波處理得到濾波后的中頻信號，然后執(zhí)行雷達算法含F(xiàn)FT變換，恒虛警檢測算法、測距算法等得到水平面和雷達之間的垂直距離，多次累加取平均值，得到水位高度； 步驟4、通過無線通信模塊發(fā)出距離信息，返回步驟2。10.根據(jù)權利要求9所述的水位探測系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:記錄機構將設定時間段內(nèi)每個探測機構所采集的水溫、風速、空氣溫度、空氣濕度、水溫、河水流速數(shù)據(jù)求平均值、并存儲。
【文檔編號】G01F23/284GK105865567SQ201610181772
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】劉貴如, 王陸林, 周鳴爭, 汪軍, 盧桂馥, 劉濤, 鄒姍
【申請人】安徽工程大學