基于雷达信号的河道流量测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于雷达信号的河道流量测量方法，该河道流量测量方法包括以下步骤：A)通过河道水位测量装置朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号，并通过反射信号计算河道的水位值；B)通过河道流速测量装置朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号，并通过反射信号计算河道的流速；C)根据河道水位值、河道流速以及河道类型，计算出河道流量。该河道流速水位测量方法能够基于雷达信号对河道流量进行实时测量，测量精度高，还可以减少工作强度和提高安全性。强度和提高安全性。强度和提高安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于雷达信号的河道流量测量方法


[0001]本专利技术涉及河道监测
，具体地涉及一种基于雷达信号的河道流量测量方法。

技术介绍

[0002]现有的河道流速测量装置中，流速装置主要有旋浆式、旋杯式机械流速仪或声学多普勒流速剖面仪。通常河道流速测量装置装载在小船上，通过小船在河道上的航行来测量河道中河水的流速或者人造示踪物在河道上的漂流状态来测量河水流速，上述两种测量方式对于平静的水面或具有平坦岸边的水面来说，测量效果较好，而对于水流湍急或在悬崖峭壁中穿行的水面来说，均无法使用上述两种测量方法来测量河道表面的流速。上述的测量方式为接触式。对于污水、泥浆等含有腐蚀性成分或杂质的液体表面流速测量，洪水、特大洪水等的测量，接触式测量会受到很多的限制。采用接触式流速测量方法需要大量的操作人员、并且测量周期长、测量精度低，还会对危险河道中测量的人员存在安全隐患。
[0003]传统的水位测量方法是在测验断面设立水尺，人工定时观测水位。
[0004]目前常用的观测仪器主要包括浮子式水位计、气泡式、振弦式水位计、超声波水位计和雷达水位计等。这些观测仪器都存在一定的缺点，浮子式水位计需要建设竖井，连通管道淤积、需要进行倒虹吸处理，倒虹吸需要抽真空处理，成本高、难处理，水位观测每天都需要人工在河道中用水尺读一个基准数值，再到水位计上标注为基准值，人工读数本身受水波影响，误差大。气泡式和振弦式水位计需要埋在水下，受水波影响干扰大，同时造价昂贵，很难广泛推广，土建工程造价大，难以适应野外工作环境和大规模推广。水位观测受仪器安装、附属配套设施和天气的影响大，观测工作量大；大多数设备没有解决仪器观测受水波的影响。观测资料记录及整理自动化能力差，受人为因素影响多，测量精度较差，实际测量误差很难满足精度要求，在实际野外环境天然河道水位测量中，由于人工因素多，水位难以与流量等其他水文要素测量同步，所以现有的观测仪器没有从根本上解决波浪对水位观测影响问题。
[0005]因此，现阶段急需一种河道流量测量方法，通过无接触测量河道水位和河道流速来对天然河道流量实时测量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于雷达信号的河道流量测量方法，该河道流速水位测量方法能够基于雷达信号对河道流量进行实时测量，测量精度高，还可以减少工作强度和提高安全性。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于雷达信号的河道流量测量方法，该河道流量测量方法包括以下步骤：
[0008]A)通过河道水位测量装置朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号，并通过反射信号计算河道的水位值；
[0009]B)通过河道流速测量装置朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号，并通过反射信号计算河道的流速；
[0010]C)根据河道水位值、河道流速以及河道类型，计算出河道流量。
[0011]优选地，所述河道水位测量装置包括：第一射频前端电路和第一信号处理模块，所述第一射频前端电路用于垂直朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号；其中，
[0012]河道水位值的测量方法包括以下步骤：
[0013]A1)第一信号处理模块将雷达反射信号进行去直流处理后截取其中一段信号进行2048点的FFT，并根据配置的测量量程的起始范围进行频谱分析；
[0014]A2)查找有效段内的频谱最大值及频谱最大值左右两边的次最大值，根据抛物线拟合的方法确定出所需查找的频率点，最后经过Chirp
‑
z进行频谱的细化，得到准确的频谱值，并计算实时水位高度值。
[0015]优选地，水位值的测量方法还包括：
[0016]将实时水位高度值存放在定长的数组内，进行滑动存储，并求其定长位置的水位高度值数据的平均值disAvg。
[0017]优选地，水位值的测量方法还包括：
[0018]求disAvg与先前存放的平均值的数组平均值disMean作差取绝对值disDiff，将该绝对值disDiff与跳变阈值hopValue进行比较，当disDiff≥hopValue时，跳变计数值hopcnt累计加1，反之，跳变计数值hopcnt清零；
[0019]当跳变计数值hopcnt等于0的情况下，将disAvg放入存放的定长数组内，并求取其平均值作为最终输出的水位高度；
[0020]当hopcnt大于0并且小于跳变个数阈值的情况下，将disAvg放入存放的定长数组内，采用先前计算的距离作为最终输出的水位高度；
[0021]当hopcnt大于跳变个数阈值的情况下，将跳变计数值hopcnt清零，并求取其平均值作为最终输出的水位高度。
[0022]优选地，所述河道流速测量装置包括：第二射频前端电路和第二信号处理模块，所述第二射频前端电路用于从河道的侧上方朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号；其中，
[0023]河道流速的测量方法包括以下步骤：
[0024]B1)第二信号处理模块将雷达反射信号进行信号预处理后截取一段信号计算信号过零率情况，判断采集信号是否为有用信号；
[0025]B2)当信号为有用信号，进行1024点的FFT运算，查找频域最大幅值与频域幅值的平均值的比值是否超过阈值，再次判断采集信号是否有用；
[0026]B3)当信号再次判断为有用信号，将连续多次有用信号频率信号进行先入先出保存，将保存的多帧数据进行累加，然后求取最大频率位置，再根据查找的频率值采用Chirp
‑
Z进行频率细化，得到最终频率，并根据流速计算公式计算出当前流速值。
[0027]优选地，河道流速的测量方法还包括：
[0028]将实时测量的流速值放入相应的数组内，对测量结果进行排序，截取有效段内的数据进行平均得到一段时间内的平均流速V
now
。
[0029]优选地，河道流速的测量方法还包括：
[0030]将存储的平均流速值进行排序，求取定长数组内数据的平均流速值V
his
，求取当前平均流速V
now
与数组内计算的平均流速值V
his
差值的绝对值diff_value，与系统设置的跳变值hop_value进行比较，当diff_value≥hop_value时，跳变计数值hop_cnt累计加1；反之，跳变值计算跳变计数值hop_cnt清零；
[0031]当hop_cnt累计大于跳变个数阈值的情况下，将hop_cnt初始化为0，并且将当前平均流速V
now
存放到存储平均流速数组内，再经过排序，取定长数组平均值作为最终显示的平均流速值；
[0032]当hop_cnt小于跳变个数阈值的情况下，直接使用先前的平均流速值数组的定长数据平均值作为最终显示的平均流速值。
[0033]优选地，在步骤B2)中，进行流速计算前，在频域内将影响频域范围进行处理。
[0034]优选地，在步骤B1)中，所述第二信号处理模块将雷达反射信号进行信号预处理的方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于雷达信号的河道流量测量方法，其特征在于，所述河道流量测量方法包括以下步骤：A)通过河道水位测量装置朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号，并通过反射信号计算河道的水位值；B)通过河道流速测量装置朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号，并通过反射信号计算河道的流速；C)根据河道水位值、河道流速以及河道类型，计算出河道流量。2.根据权利要求1所述的基于雷达信号的河道流量测量方法，其特征在于，所述河道水位测量装置包括：第一射频前端电路和第一信号处理模块，所述第一射频前端电路用于垂直朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号；其中，河道水位值的测量方法包括以下步骤：A1)第一信号处理模块将雷达反射信号进行去直流处理后截取其中一段信号进行2048点的FFT，并根据配置的测量量程的起始范围进行频谱分析；A2)查找有效段内的频谱最大值及频谱最大值左右两边的次最大值，根据抛物线拟合的方法确定出所需查找的频率点，最后经过Chirp
‑
z进行频谱的细化，得到准确的频谱值，并计算实时水位高度值。3.根据权利要求2所述的基于雷达信号的河道流量测量方法，其特征在于，水位值的测量方法还包括：将实时水位高度值存放在定长的数组内，进行滑动存储，并求其定长位置的水位高度值数据的平均值disAvg。4.根据权利要求3所述的基于雷达信号的河道流量测量方法，其特征在于，水位值的测量方法还包括：求disAvg与先前存放的平均值的数组平均值disMean作差取绝对值disDiff，将该绝对值disDiff与跳变阈值hopValue进行比较，当disDiff≥hopValue时，跳变计数值hopcnt累计加1，反之，跳变计数值hopcnt清零；当跳变计数值hopcnt等于0的情况下，将disAvg放入存放的定长数组内，并求取其平均值作为最终输出的水位高度；当hopcnt大于0并且小于跳变个数阈值的情况下，将disAvg放入存放的定长数组内，采用先前计算的距离作为最终输出的水位高度；当hopcnt大于跳变个数阈值的情况下，将跳变计数值hopcnt清零，并求取其平均值作为最终输出的水位高度。5.根据权利要求1所述的基于雷达信号的河道流量测量方法，其特征在于，所述河道流速测量装置包括：第二射频前端电路和第二信号处理模块，所述第二射频前端电路用于从河道的侧上方朝向水面发送雷达信号和接收雷达反射信号；其中，河道流速的测量方法包括以下步骤：B1)第二信号处理模块将雷达反射信号进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建龙，
申请(专利权)人：北京中科蓝电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：