本實(shí)用新型涉及一種雷達(dá)式水位測(cè)量裝置，特別涉及一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)水位遙測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

隨著水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，非接觸式的水位測(cè)量方式以其快捷、安全、精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。雷達(dá)水位測(cè)量設(shè)備采用非接觸式的水位測(cè)量方式，無需另立靜水井，不受水中雜物的影響，測(cè)量精度高，可應(yīng)用于漂浮物多、含沙量大、水質(zhì)條件不佳的平水測(cè)驗(yàn)、洪水監(jiān)測(cè)、高洪搶測(cè)、危險(xiǎn)水情測(cè)量等特殊工作，它在以防汛為主要目的測(cè)量中發(fā)揮了極大的作用，并且保證了測(cè)量人員的安全，因此，我國新建的水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大多采用雷達(dá)式水位測(cè)量設(shè)備進(jìn)行水位測(cè)量。

目前應(yīng)用較多的是基于線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)方式的雷達(dá)，該調(diào)制方式要求在時(shí)域上雷達(dá)發(fā)射頻率呈線性遞增或遞減，如圖1所示，其中實(shí)線為雷達(dá)收發(fā)器的發(fā)射信號(hào)，虛線為雷達(dá)收發(fā)器接收的回波信號(hào)。然而，雷達(dá)收發(fā)器中的核心部件壓控振蕩器(VCO)本身存在一定的非線性，并且會(huì)受到溫度變化影響，這兩個(gè)因素是造成雷達(dá)收發(fā)器非線性的關(guān)鍵，對(duì)雷達(dá)水位測(cè)量結(jié)果精度有著直接影響。目前常用的方式是通過實(shí)測(cè)雷達(dá)收發(fā)器在不同溫度下的VCO曲線并保存在表中，然后根據(jù)溫度傳感器測(cè)量的當(dāng)前溫度值，利用查表法調(diào)節(jié)雷達(dá)的VCO曲線，使之保持線性。但是這種方法存在兩個(gè)問題，一是溫度測(cè)量往往存在滯后性，尤其是在溫度變化較大的場(chǎng)合，造成VCO曲線不匹配，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。二是每個(gè)雷達(dá)收發(fā)器的固有VCO特性都有或多或少的差別，這樣的話，要對(duì)每個(gè)雷達(dá)收發(fā)器進(jìn)行VCO曲線測(cè)量，需要耗費(fèi)大量的工作量。

市面上普遍上的雷達(dá)水位計(jì)采用RS232或485接口輸出，不具備數(shù)據(jù)無線傳輸及遙測(cè)功能，要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，必須外接專門的遙測(cè)終端機(jī)。這樣存在的主要問題有三個(gè)：一是遙測(cè)終端與水位測(cè)量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與采集方式匹配問題，這增加了技術(shù)開發(fā)難度與設(shè)備調(diào)試時(shí)間，二是該方法不利于汛期與高洪搶測(cè)等需要頻繁改變測(cè)量方式的應(yīng)用場(chǎng)合。三是不能對(duì)雷達(dá)水位計(jì)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程更新升級(jí)，要想完成雷達(dá)水位計(jì)的功能升級(jí)，必須到站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)水位遙測(cè)裝置，該裝置能夠克服溫度漂移的影響，保證雷達(dá)收發(fā)器發(fā)射頻率的線性度，有效提高雷達(dá)水位計(jì)的測(cè)量精度。

本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)水位遙測(cè)裝置，包括雷達(dá)收發(fā)器、雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路和微控制器；所述雷達(dá)收發(fā)器包括鎖相環(huán)、發(fā)射天線、第一混頻器和接收天線；所述鎖相環(huán)輸出端連接發(fā)射天線，通過發(fā)射天線發(fā)射鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)；所述第一混頻器的兩個(gè)輸入端分別連接鎖相環(huán)輸出端和接收天線，通過接收天線接收回波信號(hào)；所述第一混頻器的輸出端連接雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸入端，雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸出端連接微控制器的ADC采樣端，通過微控制器針對(duì)雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸出端輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣處理。

優(yōu)選的，還包括數(shù)據(jù)傳輸單元和上位機(jī)，所述微控制器連接數(shù)據(jù)傳輸單元，通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；所述微控制器通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳水位信息至上位機(jī)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送控制信號(hào)至微控制器。

更進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)傳輸單元通過GPRS無線傳輸方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。

更進(jìn)一步的，所述雷達(dá)收發(fā)器的電源使能引腳端連接微控制器，上位機(jī)通過微控制器控制雷達(dá)收發(fā)器電源的通斷。

優(yōu)選的，所述鎖相環(huán)中包括參考頻率源、輸入分頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、第二混頻器、低通濾波器、程序分頻器和固定頻率源；參考頻率源通過輸入分頻器連接鑒相器的正相輸入端，程序分頻器的輸出端連接鑒相器的反相輸入端，鑒相器的輸出端通過環(huán)路濾波器連接壓控振蕩器，壓控振蕩器的輸出端和固定頻率源分別連接第二混頻器的兩個(gè)輸入端，第二混頻器的輸出端通過低通濾波器連接程序分頻器的輸入端；所述程序分頻器的分頻比控制端連接微控制器，通過微控制器定時(shí)調(diào)整程序分頻器的分頻比。

更進(jìn)一步的，參考頻率源為30MHz的有源晶振，固定頻率源提供頻率為24GHZ信號(hào)。

更進(jìn)一步的，所述輸入分頻器、鑒相器和程序分頻器集成在一個(gè)芯片中，所述芯片為ADF4110或ADF4002。

更進(jìn)一步的，所述雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路包括依次連接的第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路，其中第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路的輸出端分別對(duì)應(yīng)連接微控制器的ADC輸入端；通過微控制器分別采樣第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路輸出的信號(hào)；所述第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路為放大倍數(shù)固定不變的放大電路，所述第三級(jí)放大電路為包括PGA(可編程增益放大器)的放大電路，微控制器通過SPI接口連接PGA，通過SPI接口編程調(diào)節(jié)PGA的增益。

更進(jìn)一步的，所述第一級(jí)放大電路包括第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，第一運(yùn)算放大器的反相輸入端通過第一電阻連接第三電容的一端；第一電容和第二電容并聯(lián)后其中一端連接第一混頻器的輸出端，另一端連接第三電容的另一端；第三電容連接并聯(lián)后的第一電容和第二電容的一端通過第一二極管連接直流電源，通過第二二極管接地；第一運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)后的第四電容和第二電阻連接第一運(yùn)算放大器的輸出端，第一運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第三電阻和第五電容后接地，第三電阻和第二電容連接的一端接直流電源；第一運(yùn)算放大器的輸出端依次連接第六電容和第四電阻后連接第二運(yùn)算放大器的反相輸入端，第二運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)后的第七電容和第五電阻連接第二運(yùn)算放大器的輸出端，第二運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第六電阻和第八電容后接地，第六電阻和第八電容連接的一端接直流電源；第二運(yùn)算放大器的輸出端作為第一級(jí)放大電路的輸出端，連接微控制器的第一ADC輸入端；

所述第二級(jí)放大電路包括第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器，第一級(jí)放大電路的輸出端依次連接第九電容和第十電容后連接第三運(yùn)算放大器的反相輸入端，第九電容和第十電容連接的一端通過第十一電容連接第三運(yùn)算放大器的輸出端，第九電容和第十電容連接的一端還通過第七電阻接地；第三運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)的第十二電容和第八電阻連接第三運(yùn)算放大器的輸出端，第三運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第九電阻和第十三電容后接地，第九電阻和第十三電容連接的一端接直流電源；第叁運(yùn)算放大器的輸出端依次連接第十四電容和第十電阻后連接第四運(yùn)算放大器的反相輸入端，第四運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)的第十五電容和第十一電阻連接第四運(yùn)算放大器的輸出端；第四運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第十二電阻和第十六電容后接地，第十二電阻和第十六電容連接的一端接直流電源；第四運(yùn)算放大器的輸出端作為第二級(jí)放大電路的輸出端，連接微控制器的第二ADC輸入端；

所述第三級(jí)放大電路中PGA的CH端口通過電容連接第二級(jí)放大電路的輸出端，PGA的CH端口通過電阻連接PGA的VREF端，PGA的VREF端連接直流電源，微控制器通過SPI接口連接PGA，通過微控制器調(diào)節(jié)PGA的放大倍數(shù)；PGA的輸出端作為第三級(jí)放大電路的輸出端，連接微控制器的第三ADC輸入端。

更進(jìn)一步的，所述第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為1000，第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為100。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

(1)本實(shí)用新型裝置包括雷達(dá)收發(fā)器、雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路和微控制器，其中雷達(dá)收發(fā)器包括鎖相環(huán)、發(fā)射天線、第一混頻器和接收天線；鎖相環(huán)輸出端連接發(fā)射天線，通過發(fā)射天線發(fā)射鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)；第一混頻器對(duì)接收天線接收的回波信號(hào)以及鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行混頻處理，得到的差頻信號(hào)通過雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路放大處理后通過微控制器的ADC采樣端輸入至微控制器中，通過微控制器針對(duì)雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸出端輸出的差頻信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并且針對(duì)采樣處理后的差頻信號(hào)進(jìn)行分析處理后得到水位信息。本實(shí)用新型雷達(dá)收發(fā)器通過鎖相環(huán)輸出需要發(fā)射的信號(hào)，能夠有效克服溫度漂移的影響，保證雷達(dá)收發(fā)器發(fā)射頻率的線性度。本實(shí)用新型中通過硬件鎖相環(huán)鎖頻的這種方式，具有鎖頻速度快、鎖頻精度高以及實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。

(2)本實(shí)用新型中微控制器通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，其中微控制器獲取到的水位信息通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳至上位機(jī)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程水位監(jiān)測(cè)；上位機(jī)發(fā)送的微控制器軟件更新升級(jí)控制信號(hào)以及采樣頻率調(diào)節(jié)控制信號(hào)可以通過數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送給微控制器，因此微控制器可以通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制信號(hào)的響應(yīng)，無需工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)微控制器中軟件更新升級(jí)，大大方便了本實(shí)用新型裝置的運(yùn)行和維護(hù)。另外本實(shí)用新型的雷達(dá)收發(fā)器的電源使能引腳端連接微控制器，當(dāng)不需要檢測(cè)水位時(shí)，上位機(jī)可以發(fā)送雷達(dá)收發(fā)器關(guān)閉的控制指令至微控制器，通過微控制器切斷雷達(dá)收發(fā)器的電源。同時(shí)上位機(jī)可以發(fā)送休眠控制指令至微控制器，使微控制器進(jìn)入休眠模式，大大節(jié)省了用電量。其中數(shù)據(jù)傳輸單元可以以GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù))無線傳輸方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，使得本實(shí)用新型裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸及遙測(cè)功能，并且具有傳輸效率高，通信可靠，有效抗雨衰，傳輸速度較快，功耗低以及特別適用于野外遙測(cè)應(yīng)用場(chǎng)合的優(yōu)點(diǎn)。

(3)本實(shí)用新型裝置中鎖相環(huán)的壓控振蕩器輸出信號(hào)和固定頻率源輸出信號(hào)分別輸入至第二混頻器中，通過第二混頻器混頻后得到兩者的差頻信號(hào)、和頻信號(hào)以及高階項(xiàng)頻率分量；差頻信號(hào)、和頻信號(hào)以及高階項(xiàng)頻率分量經(jīng)過低通濾波器后，濾除和頻信號(hào)和高階項(xiàng)頻率分量，輸出的差頻信號(hào)作為待鎖頻的信號(hào)輸入至程序分頻器，參考頻率源經(jīng)過輸入分頻器輸出的信號(hào)和程序分頻器輸出的信號(hào)分別輸入至鑒相器，鑒相器的輸出端通過環(huán)路濾波器輸入至壓控振蕩器，控制壓控振蕩器輸出的信號(hào)。其中鎖相環(huán)中參考頻率源為一固定的頻率源，輸入分頻器的分頻比可根據(jù)想要鎖頻的頻率間隔進(jìn)行自主設(shè)定，并且通過微控制器定時(shí)改變程序分頻器中的分頻比能夠調(diào)整鎖頻頻段范圍，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)調(diào)制頻段的線性化以及鎖頻頻段的自主設(shè)定和修改。

(4)本實(shí)用新型中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路包括三級(jí)放大電路，其中第一級(jí)和第二級(jí)運(yùn)算放大電路為固定放大倍數(shù)的放大電路，第三級(jí)為增益可調(diào)節(jié)的放大電路。本實(shí)用新型中可以根據(jù)水位高低適當(dāng)選取第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)，以適用于與目標(biāo)水面距離不同的雷達(dá)收發(fā)器測(cè)量需求。對(duì)于第三級(jí)增益可調(diào)的放大電路，通過微控制器采樣得到的采樣值來反饋調(diào)節(jié)運(yùn)放的增益，以適應(yīng)更遠(yuǎn)的目標(biāo)水面距離。

(5)本實(shí)用新型中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的三級(jí)放大電路輸出的信號(hào)分別輸入至微控制器的多通道ADC輸入端進(jìn)行采樣，微控制器可以根據(jù)采樣閾值針對(duì)從第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路中采樣得到的信號(hào)進(jìn)行判定，以從第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路的輸出端選取出作為有效信號(hào)的一路信號(hào)；通過這種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換功能，使得本實(shí)用新型裝置同時(shí)滿足長距離與短距離的測(cè)量需求，改善雷達(dá)差頻信號(hào)的質(zhì)量，減少測(cè)量誤差。

附圖說明

圖1是LFMCW雷達(dá)調(diào)制原理圖。

圖2是本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本實(shí)用新型裝置中鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4是本實(shí)用新型裝置中鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器的電路原理圖。

圖5是本實(shí)用新型裝置中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的原理圖。

圖6是本實(shí)用新型裝置中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路第一級(jí)放大電路的電路原理圖。

圖7是本實(shí)用新型裝置中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路第二級(jí)放大電路的電路原理圖。

圖8是本實(shí)用新型裝置中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路第三級(jí)放大電路的電路原理圖。

圖9是本實(shí)用新型裝置中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路第三級(jí)放大電路與微控制器連接的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

本實(shí)施例公開了一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)水位遙測(cè)裝置，如圖2所示，包括雷達(dá)收發(fā)器、雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路、微控制器、數(shù)據(jù)傳輸單元和上位機(jī)；雷達(dá)收發(fā)器包括鎖相環(huán)、發(fā)射天線、第一混頻器和接收天線；鎖相環(huán)輸出端連接發(fā)射天線，通過發(fā)射天線發(fā)射鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)；第一混頻器的兩個(gè)輸入端分別連接鎖相環(huán)輸出端和接收天線，通過接收天線接收回波信號(hào)；第一混頻器的輸出端連接雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸入端，雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸出端連接微控制器的ADC采樣端，通過微控制器針對(duì)雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸出端輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣處理。

本實(shí)施例上述裝置實(shí)現(xiàn)水位遙測(cè)的原理如下：首先雷達(dá)收發(fā)器中鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)輸入至第一混頻器中，同時(shí)通過發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射；雷達(dá)收發(fā)器中接收天線接收回波信號(hào)，并且傳送到第一混頻器中；雷達(dá)收發(fā)器中鎖相環(huán)的輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)和雷達(dá)收發(fā)器中接收天線接收回波信號(hào)在第一混頻器中進(jìn)行混頻，輸出差頻信號(hào)；第一混頻器輸出的差頻信號(hào)輸入至雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路，微控制器針對(duì)雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并且對(duì)采樣得到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析處理結(jié)果得到水位信息。

可見，本實(shí)施例通過發(fā)射天線發(fā)射鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)；第一混頻器對(duì)接收天線接收的回波信號(hào)以及鎖相環(huán)輸出端輸出的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行混頻處理，得到的差頻信號(hào)通過雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路放大處理后通過微控制器的ADC采樣端輸入至微控制器中，通過微控制器針對(duì)雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的輸出端輸出的差頻信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并且針對(duì)采樣處理后的差頻信號(hào)進(jìn)行分析處理后得到水位信息。本實(shí)施例雷達(dá)收發(fā)器通過鎖相環(huán)輸出需要發(fā)射的信號(hào)，能夠有效克服溫度漂移的影響，保證雷達(dá)收發(fā)器發(fā)射頻率的線性度。本實(shí)用新型中通過硬件鎖相環(huán)鎖頻的這種方式，具有鎖頻速度快、鎖頻精度高以及實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)施例中，微控制器連接數(shù)據(jù)傳輸單元，通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；微控制器通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳水位信息至上位機(jī)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送控制信號(hào)至微控制器，雷達(dá)收發(fā)器的電源使能引腳端連接微控制器；本實(shí)施例中數(shù)據(jù)傳輸單元通過GPRS無線傳輸方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。本實(shí)施例中微控制器獲取到的水位信息通過SPI接口發(fā)送給數(shù)據(jù)傳送單元，數(shù)據(jù)傳輸單元接收到微控制器發(fā)送的串口數(shù)據(jù)格式的水位信息時(shí)，轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)的水位信息，并且通過GPRS無線傳輸方式傳送給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)通過GPRS無線傳輸方式傳送給數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)傳輸單元接收到控制信號(hào)后，將控制信號(hào)的IP數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)格式，然后通過串口傳送給微控制器；其中上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)包括軟件更新升級(jí)控制信號(hào)、水位測(cè)量時(shí)間間隔控制信號(hào)、休眠控制信號(hào)和雷達(dá)收發(fā)器通斷控制信號(hào)。例如遇到要進(jìn)行高洪搶測(cè)的情況，微控制器將常規(guī)的每15min測(cè)量一次水位信息及時(shí)修改為每1分鐘測(cè)量一次水位信息或者實(shí)時(shí)不間斷式測(cè)量水位信息，以得到更加緊密的水位信息，上述的情況，上位機(jī)通過發(fā)送水位測(cè)量時(shí)間間隔控制信號(hào)即可遠(yuǎn)程完成。當(dāng)不需要檢測(cè)水位時(shí)，上位機(jī)可以發(fā)送雷達(dá)收發(fā)器關(guān)閉的控制指令至微控制器，通過微控制器切斷雷達(dá)收發(fā)器的電源。同時(shí)上位機(jī)可以發(fā)送休眠控制指令至微控制器，使微控制器進(jìn)入休眠模式，大大節(jié)省了用電量。因此微控制器可以通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制信號(hào)的響應(yīng)，無需工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)微控制器中軟件更新升級(jí)，大大方便了本實(shí)用新型裝置的運(yùn)行和維護(hù)。

在本實(shí)施例中，如圖3所示，鎖相環(huán)中包括參考頻率源、輸入分頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、第二混頻器、低通濾波器、程序分頻器和固定頻率源；參考頻率源通過輸入分頻器連接鑒相器的正相輸入端，程序分頻器的輸出端連接鑒相器的反相輸入端，鑒相器的輸出端通過環(huán)路濾波器連接壓控振蕩器，壓控振蕩器的輸出端和固定頻率源分別連接第二混頻器的兩個(gè)輸入端，第二混頻器的輸出端通過低通濾波器連接程序分頻器的輸入端；所述程序分頻器的分頻比控制端連接微控制器，通過微控制器定時(shí)調(diào)整程序分頻器的分頻比N；

當(dāng)本實(shí)施例雷達(dá)收發(fā)器采用K波段(24GHz)時(shí)，則預(yù)設(shè)調(diào)制頻段為24.005GHz～24.255GHz，參考頻率源為固定的頻率源，選用30MHz的有源晶振，固定頻率源的頻率為24GHz，如圖4所示，環(huán)路濾波器采用三階無源濾波器。本實(shí)施例中輸入分頻器、鑒相器和程序分頻器集成在一個(gè)芯片中，通過該芯片實(shí)現(xiàn)三部分的功能，如圖3所示，本實(shí)施例中集成輸入分頻器、鑒相器和程序分頻器的芯片選用ADF4110，當(dāng)然也可以采用ADF4002。

本實(shí)施例中鎖相環(huán)的工作原理如下：鎖相環(huán)的壓控振蕩器輸出信號(hào)和固定頻率源輸出信號(hào)分別輸入至第二混頻器中，通過第二混頻器混頻后得到兩者的差頻信號(hào)、和頻信號(hào)以及高階項(xiàng)頻率分量；差頻信號(hào)、和頻信號(hào)以及高階項(xiàng)頻率分量經(jīng)過低通濾波器后，濾除和頻信號(hào)和高階項(xiàng)頻率分量，輸出的差頻信號(hào)作為待鎖頻的信號(hào)輸入至程序分頻器，參考頻率源經(jīng)過輸入分頻器輸出的信號(hào)和程序分頻器輸出的信號(hào)分別輸入至鑒相器，鑒相器的輸出端通過環(huán)路濾波器輸入至壓控振蕩器，控制壓控振蕩器輸出的信號(hào)。

本實(shí)施例中鎖相環(huán)輸出信號(hào)的頻率f_OUT為：

f_OUT＝△f·N+f_24G；

其中f_24G＝24GHz為參考頻率源輸出信號(hào)的頻率，f_REFIN為參考頻率源輸出信號(hào)的頻率；R為輸入分頻器的分頻比，△f為鑒相頻率；其中輸入分頻器的分頻比R根據(jù)鎖相環(huán)鎖頻的頻率間隔進(jìn)行設(shè)定，其中當(dāng)R為30時(shí)，則本實(shí)施例中鑒相頻率△f選用1MHz。

其中N為程序分頻器的分頻比，程序分頻器的分頻比N可以通過微控制器進(jìn)行調(diào)整，具體為可在微控制器中設(shè)置定時(shí)中斷，并在中斷中更新程序分頻器N即可。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻帶寬△F為△f·(N_max-N_min)，當(dāng)預(yù)設(shè)的發(fā)射頻段帶寬為250MHz時(shí)，則N_max-N_min＝250；其中取N_max＝255為分頻比N取的最大值，取N_min＝5為分頻比N取的最小值。通過鎖相環(huán)，雷達(dá)收發(fā)器的線性發(fā)射頻段f_OUT為24.005GHz～24.255GHz。

如圖5所示，本實(shí)施例雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路包括依次連接的第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路，其中第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路的輸出端分別對(duì)應(yīng)連接微控制器的ADC輸入端；通過微控制器分別采樣第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路輸出的信號(hào)；所述第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路為放大倍數(shù)固定不變的放大電路，所述第三級(jí)放大電路為包括PGA(可編程增益放大器)的放大電路，微控制器通過SPI接口連接PGA，通過SPI接口編程調(diào)節(jié)PGA的增益，本實(shí)施例中第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)A1為1000；本實(shí)施例中第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)A2為100。

如圖6所示，本實(shí)施例中第一級(jí)放大電路包括第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，第一運(yùn)算放大器的反相輸入端通過第一電阻R1連接第三電容C3的一端；第一電容C1和第二電容C2并聯(lián)后其中一端連接第一混頻器的輸出端，另一端連接第三電容C3的另一端；第三電容C3連接并聯(lián)后的第一電容C1和第二電容C2的一端通過第一二極管D1連接直流電源，通過第二二極管D2接地；第一運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)后的第四電容C4和第二電阻R2連接第一運(yùn)算放大器的輸出端，第一運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第三電阻R3和第五電容C5后接地，第三電阻R3和第二電容C2連接的一端接直流電源；第一運(yùn)算放大器的輸出端依次連接第六電容C6和第四電阻R4后連接第二運(yùn)算放大器的反相輸入端，第二運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)后的第七電容C7和第五電阻R5連接第二運(yùn)算放大器的輸出端，第二運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第六電阻R6和第八電容C8后接地，第六電阻R6和第八電容C8連接的一端接直流電源；第二運(yùn)算放大器的輸出端作為第一級(jí)放大電路的輸出端，連接微控制器的第一ADC輸入端；本實(shí)施例中第一混頻器輸出端輸出的信號(hào)SignIn經(jīng)過第一電容C1和第二電容C2隔直，并且經(jīng)過第一二極管D1和第二二極管D2限幅后輸入至第一級(jí)放大電路中；第一級(jí)放大電路的輸出端輸出的信號(hào)SignOut1輸入至微控制器的第一ADC輸入端。

如圖7所示，本實(shí)施例中第二級(jí)放大電路包括第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器，第一級(jí)放大電路的輸出端依次連接第九電容C9和第十電容C10后連接第三運(yùn)算放大器的反相輸入端，第九電容C9和第十電容C10連接的一端通過第十一電容C11連接第三運(yùn)算放大器的輸出端，第九電容C9和第十電容C10連接的一端還通過第七電阻接地；第三運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)的第十二電容C12和第八電阻R8連接第三運(yùn)算放大器的輸出端，第三運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第九電阻R9和第十三電容C13后接地，第九電阻R9和第十三電容C13連接的一端接直流電源；第三運(yùn)算放大器的輸出端依次連接第十四電容C14和第十電阻R9后連接第四運(yùn)算放大器的反相輸入端，第四運(yùn)算放大器的反相輸入端通過并聯(lián)的第十五電容C15和第十一電阻R11連接第四運(yùn)算放大器的輸出端；第四運(yùn)算放大器的正相輸入端依次連接第十二電阻R12和第十六電容C16后接地，第十二電阻R12和第十六電容C16連接的一端接直流電源；第四運(yùn)算放大器的輸出端作為第二級(jí)放大電路的輸出端，連接微控制器的第二ADC輸入端；即將第二級(jí)放大電路的輸出端輸出的信號(hào)SignOut2輸入至微控制器的第二ADC輸入端。

如圖8所示，本實(shí)施例中第三級(jí)放大電路中PGA的CH端口通過電容連接第二級(jí)放大電路的輸出端，PGA的CH端口通過電阻連接PGA的VREF端，PGA的VREF端連接直流電源，微控制器通過SPI接口連接PGA，使得微控制器通過SPI接口編程來調(diào)節(jié)PGA的放大倍數(shù)；PGA的輸出端作為第三級(jí)放大電路的輸出端，連接微控制器的第三ADC輸入端，即將第三級(jí)放大電路的輸出端輸出的信號(hào)SignOut3輸入至微控制器的第三ADC輸入端。如圖9所示為本實(shí)施例中PGA與微控制器的連接圖。

本實(shí)施例中可以根據(jù)水位高低適當(dāng)選取第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)，以適用于與目標(biāo)水面距離不同的雷達(dá)收發(fā)器測(cè)量需求。其中雷達(dá)收發(fā)器離目標(biāo)水面越遠(yuǎn)，回波信號(hào)越弱，使得差頻信號(hào)的幅值也越小，這不利于差頻信號(hào)的處理。當(dāng)差頻信號(hào)幅值很小時(shí)，辨識(shí)的精度將會(huì)降低，為了保持辨識(shí)的精度，本實(shí)施例可以根據(jù)雷達(dá)收發(fā)器與目標(biāo)水面的不同距離選擇不同放大倍數(shù)的放大電路，當(dāng)雷達(dá)收發(fā)器與目標(biāo)水面的距離較大時(shí)，則更適當(dāng)增加第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)。在本實(shí)施例中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)A1為1000，第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)A2為100。

本實(shí)施例中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路的三級(jí)放大電路輸出的信號(hào)分別輸入至微控制器的多通道ADC輸入端進(jìn)行采樣，微控制器能夠根據(jù)采樣閾值針對(duì)從第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路中采樣得到的信號(hào)進(jìn)行如下判定，以從第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路的輸出端選取出作為有效信號(hào)的一路信號(hào)：

(1)設(shè)定第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)的采樣閾值為ADLimit1，設(shè)定第二級(jí)放大電路輸出信號(hào)的采樣閾值為ADLimit2，設(shè)定第三級(jí)放大電路輸出信號(hào)的采樣閾值為ADLimit3；其中本實(shí)施例中ADLimit1、ADLimit2和ADLimit3均為采樣滿量程值的75％。(2)首先將微控制器采樣得到的第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut1與采樣閾值A(chǔ)DLimit1進(jìn)行比較，當(dāng)微控制器采樣得到的第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut1的最大值大于采樣閾值A(chǔ)DLimit1時(shí)，則選用微控制器采樣得到的第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut1作為有效信號(hào)；否則進(jìn)行以下操作；(3)將微控制器采樣得到的第二級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut2與采樣閾值A(chǔ)DLimit2進(jìn)行比較，當(dāng)微控制器采樣得到的第二級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut2的最大值大于采樣閾值A(chǔ)DLimit2時(shí)，則選用微控制器采樣得到的第二級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut2作為有效信號(hào)；否則選用微控制器采樣得到的第三級(jí)放大電路輸出信號(hào)SignOut3作為有效信號(hào)，然后進(jìn)入以下操作；(4)當(dāng)微控制器采樣得到的第三級(jí)放大電路輸出信號(hào)小于采樣閾值A(chǔ)DLimit3，通過微控制器控制增大第三級(jí)放大電路中PGA的增益；否則通過微控制器控制減小第三級(jí)放大電路中PGA的增益。

本實(shí)施例通過上述方式能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)量程切換功能。例如當(dāng)雷達(dá)收發(fā)器與目標(biāo)水面的距離小于5米，則選取的有效信號(hào)為第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)，當(dāng)雷達(dá)收發(fā)器與目標(biāo)水面的距離為5～10米，則選取的有效信號(hào)為第二級(jí)放大電路輸出信號(hào)；當(dāng)雷達(dá)收發(fā)器與目標(biāo)水面的距離大于15米時(shí)，則選取的有效信號(hào)為第三級(jí)放大電路輸出的信號(hào)，因此本實(shí)施例中雷達(dá)信號(hào)篩選放大電路可以滿足長距離與短距離的測(cè)量需求，改善雷達(dá)差頻信號(hào)的質(zhì)量，減少測(cè)量誤差。

另外微控制器可以針對(duì)該有效信號(hào)進(jìn)行FIR濾波、FFT變換、頻譜細(xì)化以及滑動(dòng)平均濾波處理后得到水位信息，能夠有效克服由水浪等引起的測(cè)量結(jié)果跳變與誤差，具有測(cè)量精度以及測(cè)量穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。