一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达制造技术

本发明专利技术公开了一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，具体涉及流量测量技术领域，包括软件结构和硬件结构。雷达系统在信号波形上采用编码技术实现抗干扰，采用模糊聚类智能算法确保观测数据稳定可靠性，采用折线阵列加权优化实现大视角条件下的高精度河面矢量场合成，采用方差加权智能算法降低数据抖动提高观测矢量数据的稳定性，采用基于大数据与人工智能技术的远程数据分析。本发明专利技术集抗干扰手段、智能化处理技术、高分辨折线阵列角度分辨技术、模糊聚类技术和滤波降抖动技术等智能算法于一体，并针对相关智能技术，设计对应的硬件结构，有效解决了传统设备存在的问题。有效解决了传统设备存在的问题。有效解决了传统设备存在的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达


[0001]本专利技术涉及流量测量
，具体涉及一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达。

技术介绍

[0002]河流的实时流量是水文、水资源管理及水利工程中最重要的资料，是智慧水文建设中的一个重要内容。传统水文，受气候、测量手段和安全性、响应时间等限制，流量测验一直是当今水文测量的难点。传统的接触式测流方案往往具有以下缺点而无法布置或不能正常施测：高洪期的河道水流流速快，含沙量高，漂浮杂物多，易造成仪器损坏并威胁人身安全；枯水期水流量小，部分河道的水深很小；水运航道上常有舰船航行，传统测验测报需要封锁航道，互相产生影响；界河一般无法架设缆道，流量测验测报难度更大。传统的接触式测流方案往往无法开展布置或者不能正常施测。基于水位
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流量曲线的流量测验方法过去发挥了重要作用，但由于水位
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流量曲线大都缺乏高水位时的流量资料，因此这种方式很难得到满意的流量精度，而高水位流量资料往往是最受关注的。
[0003]天然河道与人工渠道的流量测验通常在已知断面地形情况下（如不同位置水深分布）根据流速乘以面积计算获得流量，因此，流量测量的核心是流速的测量。目前我国流速测量以缆道测流为主，该方法利用横跨河岸的缆道搭载转子式流速仪和铅鱼沿河断面不同位置测量水流流速和水深，然后使用分段流速面积法估算累积流量，适用于恶劣天气和高水位作业，缺点是建站维护成本高，位置固定，且测量比较费时。近几年发展引进的水平声学多普勒流速剖面仪（H
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ADCP）利用声学多普勒效应测量水流流速，解决了实时测量问题，但H
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ADCP需要安装在水下，不适合浑浊、杂物较多的水体，同时由于仪器长期置于水中，维护成本高、且易丢失。
[0004]目前我国在河流监测方面主要有三种方法：人工测流方法、定点接触式测量以及超声波多普勒流量计。这些测流方法是接触式测流，需要利用测船、缆道测流设备等完成对河流测量。虽然现在也有无人机测流等新技术，但还不能进行常规业务使用。在环境恶劣的条件下，特别是在江河截流、汛期（大洪水）、堤防决口和地震自然灾害来临时，用传统的测船、缆道测流设备和船用测流设备等接触式方法测量流速和流量都无法实现，常规水文测验无法完成高流速下的洪水流量水位自动测量。另外，接触式方法很难实现对高浑浊度水域、极浅水域的测流。
[0005]雷达测量作为一种远程遥感技术，近几年在河流流速测量方面进行了大量应用，可解决恶劣天气、高水位、复杂水体、应急测量等特殊情况下的流量监测。采用点流速测量方式的电波流速仪对安装位置要求很高，需要借助桥梁或者悬臂支架安装在水面上方，由于电波流速仪器只能获得单点流速数据，如果河面较宽，则需要多个电波流速仪器同时工作，代价很大。
[0006]
技术实现思路

[0007]为解决上述技术难题，本专利技术研制一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，主要解决采用非接触式技术实现对河流水面流场、流速及流量的监测问题，可实现全天候、连续、自动作业，特别对传统技术难以完成的高浑浊度水域、极浅水域的流速流量实现准确测量。雷达安装在河岸上，天线主轴垂直于河流，与河流无接触，根据接收到的指令或者预设的工作方法工作，获取河流表面流场，存储并传输到指定地点。
[0008]另外，针对目前智慧水文的新需求，本专利技术对传统的雷达河流测量装置进行了多方面的改进，在雷达信号分析方面，采用折线阵列信号处理技术，通过三通道折线阵列信号融合技术，形成河面流速矢量场信息；在雷达抗干扰方面，采用信号编码调制技术，对河流测量雷达发射信号进行编码调制，并在接收端进行脉冲编码匹配处理，对于从接收天线进入雷达的干扰信号，由于信号特征与调制码元不匹配，在回波信号进行脉冲编码匹配处理时，可以有效抑制干扰信号，并对雷达回波信号进行增强。在数据稳定度方面，本系统采用方差加权降低流速抖动，实现数据的短时相关性，与实际情况高度相符。在数据服务平台构建方面，采用基于大数据与人工智能技术的水文分析技术，根据产品类型加载模板，调用基础服务数据，提供交互订正功能，完成最终服务梯级产品的制作；在远端数据服务平台构建方面，通过互联网将河流监测数据实时上传到数据处理云，数据处理云上运行水文数据处理模块，对各地河流监测雷达数据进行数据质控和水文专业计算，形成水文数据，再通过门户网站和手机APP方式向终端用户提供服务。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，包括设备安装支撑结构，所述设备安装支撑结构的上方设有天线阵，所述设备安装支撑结构的下方设有综合处理机箱，所述天线阵通过馈线电缆接入综合处理机箱，所述综合处理机箱下部设置有供电系统，所述综合处理机箱连接有远端数据服务平台，所述远端数据服务平台通过工业互联网络与设备通信。
[0010]优选地，所述天线阵包括接收天线阵和发射天线阵，所述发射天线阵由一个八木天线构成，所述接收天线阵由三个八木天线构成，所述接收天线阵位于发射天线阵的上部，所述接收天线阵通过馈线电缆接入综合处理机箱对应信号接收端口，所述接收天线阵的三个八木天线按照左中右排列，该左、右两个八木天线与中间的八木天线夹角为30
°
，该三个八木天线底部之间的水平距离均为0.4m。
[0011]优选地，所述综合处理机箱用于完成河流测量雷达的发射信号参数控制、接收信号的信号处理和数据处理、测量雷达与远端控制系统的通信；综合处理机箱包括发射模块、接收系统、信号处理模块、电源模块和通讯接口模块。
[0012]优选地，所述接收系统用于对接收的雷达信号进行滤波、混频、发射控制处理操作，所述接收系统包括带通滤波器和接收模块，所述接收模块一方面与信号处理模块相连通，另一方面通过激励源与发射模块相连通，所述发射模块用于系统的发射信号参数进行控制，包括混频和功率放大模块，生成对应的发射信号，并将信号放大到发射天线阵需要的输入电平。
[0013]优选地，所述设备安装支撑结构用于支撑不同组件的装配，所述设备安装支撑结构的高度需要根据设备收发天线和河流水平面的高度、河流的宽度最终计算得到，所述设备安装支撑结构采用不锈钢材料制作，各组件之间的接口采用卡口结构设计。
[0014]优选地，所述供电系统用于给综合处理机箱供电，所述供电系统包括市电接收转换模块和太阳能供电模块，所述市电接收转换模块接入220V市电转换为综合处理机箱工作所需电压为测量雷达供电。
[0015]本专利技术同时提供一种用于权利要求1所述的一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达的测量方法，包括如下步骤：S1、测量雷达完成安装后，在本地采用一台计算机与测量雷达连接，通过远程桌面完成系统工作参数的初始化配置；S2、综合处理机箱中激励源接收系统初始化下发的信号控制参数，生成对应频率的连续波信号，脉冲调制器根据对应的脉冲宽度、脉冲重复周期，对激励源生成的雷达信号进行幅度调制，生成对应的脉冲调制信号；S3、调制编码计算模块根据发射信号的抗干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，其特征在于：包括设备安装支撑结构（4），所述设备安装支撑结构（4）的上方设有天线阵，所述设备安装支撑结构（4）的下方设有综合处理机箱（3），所述天线阵通过馈线电缆接入综合处理机箱（3），所述综合处理机箱（3）下部设置有供电系统（5），所述综合处理机箱（3）连接有远端数据服务平台（6），所述远端数据服务平台（6）通过工业互联网络与设备通信。2.根据权利要求1所述一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，其特征在于：所述天线阵包括接收天线阵（1）和发射天线阵（2），所述发射天线阵（2）由一个八木天线构成，所述接收天线阵（1）由三个八木天线构成，所述接收天线阵（1）位于发射天线阵（2）的上部，所述接收天线阵（1）通过馈线电缆接入综合处理机箱（3）对应信号接收端口，所述接收天线阵（1）的三个八木天线按照左中右排列，且左、右两个八木天线与中间的八木天线夹角为30
°
，所述接收天线阵（1）的三个八木天线底部之间的水平距离均为0.4m。3.根据权利要求2所述一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，其特征在于：所述综合处理机箱（3）用于完成河流测量雷达的发射信号参数控制、接收信号的信号处理和数据处理、测量雷达与远端控制系统的通信；综合处理机箱（3）包括发射模块、接收系统、信号处理模块、电源模块和通讯接口模块。4.根据权利要求3所述一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，其特征在于：所述接收系统用于对接收的雷达信号进行滤波、混频、发射控制处理操作，所述接收系统包括带通滤波器和接收模块，所述接收模块一方面与信号处理模块相连通，另一方面通过激励源与发射模块相连通，所述发射模块用于系统的发射信号参数进行控制，包括混频和功率放大模块，生成对应的发射信号，并将信号放大到发射天线阵（2）需要的输入电平。5.根据权利要求1所述一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，其特征在于：所述设备安装支撑结构（4）用于支撑不同组件的装配，所述设备安装支撑结构（4）的高度根据设备收发天线和河流水平面的高度、河流的宽度最终计算得到，所述设备安装支撑结构（4）采用不锈钢材料制作，各组件之间的接口采用卡口结构设计。6.根据权利要求1所述一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，其特征在于：所述供电系统（5）用于给综合处理机箱（3）供电，所述供电系统（5）包括市电接收转换模块和太阳能供电模块，所述市电接收转换模块接入220V市电转换为综合处理机箱（3）工作所需电压为测量雷达供电。7.一种用于权利要求1所述的一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、测量雷达完成安装后，在本地采用一台计算机与测量雷达连接，通过远程桌面完成系统工作参数的初始化配置；S2、综合处理机箱中激励源接收系统初始化下发的信号控制参数，生成对应频率的连续波信号，脉冲调制器根据对应的脉冲宽度、脉冲重复周期，对激励源生成的雷达信号进行幅度调制，生成对应的脉冲调制信号；S3、调制编码计算模块根据发射信号的抗干扰要求，信号主副瓣比，计算对应的相位调制编码序列；S4、脉冲编码调制模块根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张越，李忱，林思夏，曾仲毅，尹光，
申请(专利权)人：南京微麦科斯电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：