一种无人机载雷达水文信息实时监测方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置，涉及水文监测技术领域，其技术方案要点是：包括以下步骤：S1、雷达计算水位流速；S2、1/f噪声消除；S3、卡尔曼滤波倾角估计，通过引入增稳平台，增强测流的稳定；S4、实行多点测流。本发明专利技术还提供一种无人机载雷达水文信息实时监测装置，包括水位测量雷达、流速测量雷达、增稳云台、无人机、无线数传装置和地面接收装置。本发明专利技术的方法能够提高弱信号条件下的测流能力，克服1/f噪声对测流精度的影响；采用卡尔曼滤波倾角估计技术，增强测流稳定性，克服水面漂浮物对测流精度影响；提出时空滤波的多点测流技术，减少漂浮物干扰，克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机载雷达水文信息实时监测方法
本专利技术涉及水文监测
，更具体地说，它涉及一种无人机载雷达水文信息实时监测方法。
技术介绍
我国河流流域众多、降雨量分布不均，造成某些地区洪涝灾害频发。为减少洪灾给人民生命财产带来损失，需实时监测河流水位、流速等水文信息。目前常见的水位计有压差式、连通式等，流速仪包括旋杯式、旋桨式等，适用于漂浮物较少、泥沙少、流速不大的河道。由于工具长时间浸泡在水中，受水流腐蚀、冲刷影响，使得刻度不清、位置倾斜偏移，导致读数困难；同时，这些工具需要人工完成，存在工作量大、时效性差、人力资源严重浪费等问题。尤其是在洪灾来临时，测量人员的人身安全难以保证。随着电子信息技术发展，非接触监测手段在不断增多。超声波测量根据发射与接收波的时间延迟获得距离信息，具有精度高、反应快的优点，但超声波在介质中传播速度易受温度影响；激光测量原理与超声波相似，具有方向性强的优势，精度可达到毫米级，但极易受浓雾、下雨等影响；多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfilers，ADCP)由超声波换能器发射脉冲波，通过多普勒频移计算得出流速的大小。但结果易受河流水质、漂浮物等影响。雷达测流原理与ADCP类似，利用水流多普勒效应计算流速，但电磁波能穿透雾、烟、灰尘，且不受河流水质、漂浮物等影响，测速范围和精度都有大幅提升。因此，成为当下和未来主流的测流手段。目前，雷达测水文主要采用固定模式，架在岸边或桥下。但在暴雨或融雪导致洪水情况下，水流并不一定沿着安装好雷达测流仪的河道行进，需临时应急测量。因此，本专利技术旨在设计一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无人机载雷达水文信息实时监测方法及装置，该方法将中频信号频偏到1/f噪声外，能够提高弱信号条件下的测流能力，克服1/f噪声对测流精度的影响；同时，采用卡尔曼滤波倾角估计技术，能够增强测流稳定性，克服水面漂浮物对测流精度影响，且通过时空滤波的多点测流，减少漂浮物干扰，克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题。本专利技术的装置兼顾无人机的机动灵活、部署方便、响应快速等优点，以及电磁波穿透性强且不受河流水质、漂浮物影响的优点，且本装置能够提升测流精度、流速范围及部署灵活性；同时，本装置重量小、功耗低，适合普通无人机灵活部署，可广泛应用于防汛应急抢险等场合。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种无人机载雷达水文信息实时监测方法，具体包括以下步骤：S1、雷达计算水位流速，采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去，发射信号遇到前方水面后发生漫反射，沿轴向返回的信号被接收到，在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时，测得的流速为：v＝vd/cosα，其中，v为流速，vd为雷达测量到的多普勒速度，α为夹角；S2、1/f噪声消除，在雷达24GHz本振频率旁偏移一个中频，要求该中频大于1/f噪声转角频率，可降低1/f噪声干扰影响；S3、卡尔曼滤波倾角估计，通过引入增稳平台，增强测流的稳定，并对增稳平台配置9轴姿态检测传感器，然后利用卡尔曼滤波算法进行倾角估算，抑制加速度计噪声影响，修正陀螺仪漂移累加误差，其中，陀螺仪测得的角度为：其中，θk是当前时刻角度，θk-1是上一时刻角度，是当前时刻角速度，是当前时刻角速度偏移；S4、实行多点测流，在河道横截面设置N个测量点，且每个点测量M次，每次时间间隔Δt，测量值为并在数据组中去掉10％的最大值和最小值，然后计算剩余数据的算术平均值作为流速值。进一步地，步骤S1中所述的vd的测量采用调频连续波雷达。进一步地，步骤S3中的卡尔曼滤波以观测量作为滤波器输入量，以状态量估计值作为滤波器输出量，通过系统噪声和观测噪声的统计特性进行最优估计的数据处理，且系统的状态方程为：其中，为对现状态真实值Xk的估计，为k-1次对k次的预估计，T为采样周期。进一步地，采用调频连续波雷达测量vd时，选用三角波调频信号，则发射信号频率ft为：其中，B为调制带宽，T为调制周期，f0为中心频率；然后假设动目标距离雷达为R，则回波信号频率fr为：其中，fd为动目标多普勒频率，C为光速，±为调制波前后半周期正、负斜率情况；前半周期回波信号与发射信号差频为：后半周期回波信号与发射信号差频为：则fd与差频关系为：根据多普勒公式，可算得速度：其中，λ为雷达波长；将和相加，可得距离：进一步地，步骤S2中，采用32.768KHz晶振用于产生中频。本专利技术提供的一种无人机载雷达水文信息实时监测装置，包括水位测量雷达、流速测量雷达、增稳云台、无人机、无线数传装置和地面接收装置，所述水位测量雷达安装于无人机上，所述增稳云台安装于无人机上，所述流速测量雷达安装于增稳云台上，用于形成固定的倾斜角；所述无线数传装置安装于无人机上，所述无线数传装置与地面接收装置通讯连接。进一步地，所述增稳云台内含陀螺仪、加速度计和电子罗盘。综上所述，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的方法将中频信号频偏到1/f噪声外，能够提高弱信号条件下的测流能力，克服1/f噪声对测流精度的影响；同时，采用卡尔曼滤波倾角估计技术，能够增强测流稳定性，克服水面漂浮物对测流精度影响，且通过时空滤波的多点测流，减少漂浮物干扰，克服无人机身抖动和风力导致雷达测流倾斜角不固定问题；2、本专利技术的装置兼顾无人机的机动灵活、部署方便、响应快速等优点，以及电磁波穿透性强且不受河流水质、漂浮物影响的优点，且本装置能够提升测流精度、流速范围及部署灵活性；3、本装置重量小、功耗低，适合普通无人机灵活部署，可广泛应用于防汛应急抢险等场合。附图说明图1是本专利技术实施例1中的流程图；图2是本专利技术实施例1中的雷达测量示意图；图3是本专利技术实施例1中的FMCW雷达信号频率-时间变化图；图4是本专利技术实施例1中的1/f噪声幅频特性曲线图；图5是本专利技术实施例1中的1/f噪声消除电路图；图6是本专利技术实施例1中的多点测流示意图；图7是本专利技术实施例2中的系统框图；图8是本专利技术实施例1中的系统实物图。图中：1、水位测量雷达；2、流速测量雷达；3、增稳云台；4、无人机；5、无线数传装置；6、地面接收装置。具体实施方式以下结合附图1-8对本专利技术作进一步详细说明。实施例1：一种无人机载雷达水文信息实时监测方法，如图1所示，具体包括以下步骤：S1、雷达计算水位流速，采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去，发射信号遇到前方水面后发生漫反射，沿轴向返回的信号被接收到，在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时，测得的流速为：v＝vd/cosα，其中，v为流速，vd为雷达测量到的多普勒速度，α为夹角；S2、1/f噪声消除，在雷达24GHz本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机载雷达水文信息实时监测方法，其特征是：具体包括以下步骤：/nS1、雷达计算水位流速，采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去，发射信号遇到前方水面后发生漫反射，沿轴向返回的信号被接收到，在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时，测得的流速为：v＝v

【技术特征摘要】
1.一种无人机载雷达水文信息实时监测方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1、雷达计算水位流速，采用雷达将电磁信号沿轴向前方发射出去，发射信号遇到前方水面后发生漫反射，沿轴向返回的信号被接收到，在流速仪轴线和水流方向在一个铅垂面内时，测得的流速为：v＝vd/cosα，其中，v为流速，vd为雷达测量到的多普勒速度，α为夹角；
S2、1/f噪声消除，在雷达24GHz本振频率旁偏移一个中频，要求该中频大于1/f噪声转角频率，可降低1/f噪声干扰影响；
S3、卡尔曼滤波倾角估计，通过引入增稳平台，增强测流的稳定，并对增稳平台配置9轴姿态检测传感器，然后利用卡尔曼滤波算法进行倾角估算，抑制加速度计噪声影响，修正陀螺仪漂移累加误差，其中，陀螺仪测得的角度为：其中，θk是当前时刻角度，θk-1是上一时刻角度，是当前时刻角速度，是当前时刻角速度偏移；
S4、实行多点测流，在河道横截面设置N个测量点，且每个点测量M次，每次时间间隔Δt，测量值为并在数据组中去掉10％的最大值和最小值，然后计算剩余数据的算术平均值作为流速值。


2.根据权利要求1所述的一种无人机载雷达水文信息实时监测方法，其特征是：步骤S1中所述的vd的测量采用调频连续波雷达。


3.根据权利要求1所述的一种无人机载雷达水文信息实时监测方法，其特征是：步骤S3中的卡尔曼滤波以观测量作为滤波器输入量，以状态量估计值作为滤波器输出量，通过系统噪声和观测噪声的统计特性进行最优估计的数据处理，且系统的状态方程为：



其中，为对现状态真...

【专利技术属性】
技术研发人员：王陶然，郝书贤，马欣怡，
申请(专利权)人：王陶然，
类型：发明
国别省市：北京;11