本發(fā)明屬于流速測(cè)量，具體而言，涉及一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有毫米波雷達(dá)測(cè)流速一般使用傳統(tǒng)3d毫米波雷達(dá)，將雷達(dá)安裝在橫桿或者橋梁上，以特定的安裝角度對(duì)準(zhǔn)河面，利用雷達(dá)測(cè)得的徑向速度和安裝角度計(jì)算河流流速。但是，由于安裝角度誤差，或者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間風(fēng)吹日曬使得雷達(dá)偏離安裝角度越來(lái)越大，因此造成計(jì)算出的速度偏差越來(lái)越大，而且短時(shí)間無(wú)法發(fā)現(xiàn)，修正的話需要重新施工，浪費(fèi)人力物力。

2、使用毫米波基本原理是利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量水流的速度，具體工作機(jī)制為：毫米波雷達(dá)發(fā)射一束微波雷達(dá)波，通常朝向河流的水面，雷達(dá)波以一定的頻率傳播；當(dāng)雷達(dá)波遇到水面或水中漂浮的微小顆粒如泥沙或氣泡時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的波會(huì)被接收器接收到；如果水流在移動(dòng)，反射回來(lái)的雷達(dá)波的頻率會(huì)發(fā)生變化，即多普勒效應(yīng)；雷達(dá)流速儀根據(jù)多普勒頻率偏移量，通過(guò)公式計(jì)算出水流的速度。

3、假設(shè)雷達(dá)法線與水面的夾角已知且是固定不變的，因此當(dāng)雷達(dá)因?yàn)榘惭b誤差或者安裝角度隨著時(shí)間而發(fā)生偏移，那么測(cè)出的速度將偏離真實(shí)速度，而且一般這種誤差難以發(fā)現(xiàn)，糾正這種誤差需要重新安裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。利用陀螺儀測(cè)量雷達(dá)法線與河面的夾角，但是陀螺儀測(cè)量的是雷達(dá)法線與水平面的角度，一般河面不是水平的，那么陀螺儀測(cè)出的角度是不準(zhǔn)確的，因此難以計(jì)算出真實(shí)的角度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法與系統(tǒng)。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法，包括：

3、利用4d毫米波雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波照射水面；

4、利用4d毫米波雷達(dá)接收水面發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行混頻，得到差頻信號(hào)；

5、將差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)二維fft處理，得到4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到河面反射點(diǎn)的距離信息、反射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的鏡像速度信息與反射點(diǎn)相對(duì)于4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)的角度信息；角度信息包括方位角與俯仰角；

6、以4d毫米波雷達(dá)為原點(diǎn)，以4d毫米波雷達(dá)的方位角0度和俯仰角0度的雷達(dá)法線所在直線為y軸，以垂直于y軸且與河面平行的方向?yàn)閤軸，將垂直于x軸與y軸所在平面作為z軸，建立坐標(biāo)系；

7、將4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到河面反射點(diǎn)的距離信息與角度信息轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

8、根據(jù)距離信息與角度信息對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定與水流方向相同的河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角；

9、利用反射點(diǎn)相對(duì)于4d毫米波雷達(dá)的鏡像速度信息以及與水流方向相同的河面直線與雷達(dá)法線的發(fā)射波夾角，確定位于河面直線的若干個(gè)反射點(diǎn)的流速，取平均值得到河面流速。

10、第二方面，本發(fā)明提供了一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量系統(tǒng)，包括雷達(dá)發(fā)射單元、混頻單元、第一數(shù)據(jù)處理單元、坐標(biāo)系建立單元、轉(zhuǎn)化單元、第二數(shù)據(jù)處理單元與第三數(shù)據(jù)處理單元；

11、雷達(dá)發(fā)射單元，用于利用4d毫米波雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波照射水面；

12、混頻單元，用于利用4d毫米波雷達(dá)接收水面發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行混頻，得到差頻信號(hào)；

13、第一數(shù)據(jù)處理單元，用于將差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)二維fft處理，得到4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到河面反射點(diǎn)的距離信息、反射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的鏡像速度信息與反射點(diǎn)相對(duì)于4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)的角度信息；角度信息包括方位角與俯仰角；

14、坐標(biāo)系建立單元，用于以4d毫米波雷達(dá)為原點(diǎn)，以4d毫米波雷達(dá)的方位角0度和俯仰角0度的雷達(dá)法線所在直線為y軸，以垂直于y軸且與河面平行的方向?yàn)閤軸，建立坐標(biāo)系；

15、轉(zhuǎn)化單元，用于將所有4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到河面反射點(diǎn)的距離信息與角度信息轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

16、第二數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)距離信息與角度信息對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定與水流方向相同的河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角；

17、第三數(shù)據(jù)處理單元，用于利用反射點(diǎn)相對(duì)于4d毫米波雷達(dá)的鏡像速度信息以及與水流方向相同的河面直線與雷達(dá)法線的發(fā)射波夾角，確定位于河面直線的若干個(gè)反射點(diǎn)的流速，取平均值得到河面流速。

18、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

19、進(jìn)一步，設(shè)a為反射點(diǎn)，為反射點(diǎn)a的水流速度，與水流方向相同的河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角為，c為雷達(dá)波傳播速度，為發(fā)射波與反射點(diǎn)a的反射波頻率差，為雷達(dá)波原始頻率，為反射點(diǎn)a的雷達(dá)波入射角，為反射點(diǎn)a相對(duì)于4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)的方向角，則：

20、；

21、設(shè)反射點(diǎn)的數(shù)量為n，河流流速為，表示第個(gè)反射點(diǎn)的水流速度，則：

22、。

23、進(jìn)一步，根據(jù)距離信息與角度信息對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定與水流方向相同的河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角，包括：設(shè)河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角為，確定y軸與河面直線相交的第一反射點(diǎn)，確定河面直線上與雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)的連線垂直的第二反射點(diǎn)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到第一反射點(diǎn)的距離與雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到第一反射點(diǎn)的距離的比值作為的余弦值，根據(jù)的余弦值得到的值。

24、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)4d毫米波雷達(dá)，將河面平面進(jìn)行三維構(gòu)建，進(jìn)而可以精確求出河面與雷達(dá)發(fā)射波夾角，避免了因?yàn)榘惭b誤差或者設(shè)備老化帶來(lái)的誤差，達(dá)到了測(cè)量精準(zhǔn)的效果，具有使用方便和維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明能夠提供四個(gè)維度的信息，包括距離、速度、水平角度和垂直角度，相比傳統(tǒng)的3d毫米波雷達(dá)，不僅可以檢測(cè)目標(biāo)的距離、速度和方位角，還能夠準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)的垂直角度，從而構(gòu)建出目標(biāo)的完整四維空間信息。

技術(shù)特征：

1.一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法，其特征在于，設(shè)a為反射點(diǎn)，為反射點(diǎn)a的水流速度，與水流方向相同的河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角為，c為雷達(dá)波傳播速度，為發(fā)射波與反射點(diǎn)a的反射波頻率差，為雷達(dá)波原始頻率，為反射點(diǎn)a的雷達(dá)波入射角，為反射點(diǎn)a相對(duì)于4d毫米波雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)的方向角，則：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法，其特征在于，根據(jù)距離信息與角度信息對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定與水流方向相同的河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角，包括：設(shè)河面直線與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角為，確定y軸與河面直線相交的第一反射點(diǎn)，確定河面直線上與雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)的連線垂直的第二反射點(diǎn)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到第一反射點(diǎn)的距離與雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)到第一反射點(diǎn)的距離的比值作為的余弦值，根據(jù)的余弦值得到的值。

4.一種4d毫米波雷達(dá)流速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括雷達(dá)發(fā)射單元、混頻單元、第一數(shù)據(jù)處理單元、坐標(biāo)系建立單元、轉(zhuǎn)化單元、第二數(shù)據(jù)處理單元與第三數(shù)據(jù)處理單元；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于流速測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種4D毫米波雷達(dá)流速測(cè)量方法與系統(tǒng)。該方法包括：利用4D毫米波雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波照射水面；接收水面發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行混頻，得到差頻信號(hào)；將差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)二維FFT處理，得到發(fā)射點(diǎn)到河面反射點(diǎn)的距離信息、反射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的鏡像速度信息與反射點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射點(diǎn)的角度信息；建立坐標(biāo)系；將距離信息與角度信息轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)；確定河面與反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)法線的發(fā)射波的夾角；確定位于河面同一直線的若干個(gè)反射點(diǎn)的流速，取平均值得到河面流速。本發(fā)明通過(guò)4D毫米波雷達(dá)，將河面平面進(jìn)行三維構(gòu)建，避免了安裝誤差或者設(shè)備老化帶來(lái)的誤差，達(dá)到了測(cè)量精準(zhǔn)的效果；通過(guò)四個(gè)維度的信息，構(gòu)建出完整四維空間信息。

技術(shù)研發(fā)人員：李會(huì)勇,李明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院（衢州）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30