基于FMCW 的雷達測量技術在河道流量監(jiān)測中的應用

徐耀東

（安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院（安徽省水利工程質量檢測中心站），安徽 合肥 230088）

河流水文特征主要有流量、水位、徑流量、含沙量、汛期等，河流的水位和流速可以直接反映出河流的補給量、汛期時間長短以及河流的航運價值。當前全省水資源豐富，河流水系廣泛，對河流水文特征的監(jiān)測就變得很重要。河道流量監(jiān)測是保證水文數(shù)據(jù)真實有效的一個重要措施，具有重要的數(shù)據(jù)參考價值和實際應用價值。

1 FMCW 技術

1.1 概述

FMCW 技術是一種新興的雷達測量技術，其全稱為“調頻連續(xù)波雷達技術”（Frequency Modulated Continuous WaveRadar，縮寫為FMCW Radar）。相比于傳統(tǒng)的脈沖雷達技術，F(xiàn)MCW 技術采用了連續(xù)波形式的信號，其特點顯著且優(yōu)越，具有更高的分辨率、更小的功耗和更長的測距范圍等。FMCW 技術利用信號調制的方式實現(xiàn)測距。該模式下，雷達發(fā)射端向目標物發(fā)射連續(xù)的調頻波，接收端采樣信號后通過頻率分析，得到目標物與雷達發(fā)射端之間的距離和速度信息。相較于傳統(tǒng)的脈沖雷達技術，F(xiàn)MCW技術具有更高的信噪比和更好的抗多徑干擾性能。

1.2 算法說明

FMCW 技術的測距原理采用檢測回波時延來計算當前距離，再通過檢測回波的多普勒頻移成分來計算當前測速。其發(fā)射信號和回波信號的示意圖如圖1。

圖1 回波示意圖

其回波信號可看成發(fā)射信號的時延信號來進行計算，將回波時延與頻率定義為線性關系，從而可以通過計算回波時延來計算當前距離。可得到FMCW 測距公式為：

其中：

c ：光速；Ts ：掃頻周期；Bw:掃頻帶寬；f：回波差頻。

在檢測運行情況時，其回波信號中具備多普勒效應，回波信號與發(fā)射信號比較有一定的頻移，通過計算回波頻移量可以計算出當前速度。FMCW 技術采用的是FFT 頻移處理方法，其測速推導公式為：

多普勒相位變化量得到速度：

其中：Tc 為相鄰回波周期間隔。

2 硬件實現(xiàn)

基于FMCW 技術的雷達測速儀是由STM32L476單片機作為核心處理單元，并選擇TI 的IWR1642 的工業(yè)毫米雷達傳感器作為探測核心單元，再配備通訊單元和電源管理系統(tǒng)，以及人機交互單元組成。該雷達傳感器采用的是FMCW 測距技術，通過uart 接口與STM32L476 進行通訊。對外則是通過RS485 接口來實現(xiàn)，人員通過調試工具建立人機交互，可以實現(xiàn)采集和參數(shù)配置。該設備具備水面監(jiān)測模式和水面環(huán)境掃描模式，人員通過RS485 總線與調試工具建立人機交互。在水面監(jiān)測模式下，STM32L476 進入自動采集功能，并對采集到的當前水位和流速數(shù)據(jù)進行濾波處理和歷史記錄保存。當配置為水面環(huán)境掃描模式下，人員可通過調試工具，記錄所掃描范圍內(nèi)的水草、水面漂浮物等物體位置波形，并將其保存到內(nèi)部flash中，再配合自動采集功能，可提高采集精度。

3 硬件核心結構

3.1 雷達傳感器單元

雷達傳感器單元采用的是TI 的IWR1642 工業(yè)級毫米波雷達傳感器芯片，此傳感器內(nèi)置用于FMCW信號處理的C674XDSP 處理器，采用80GHz 的頻率，自帶4GHz 的連續(xù)帶寬，并且內(nèi)置基于NPLL 的高精度線性調節(jié)脈沖引擎來支持FMCW 技術。2 發(fā)4 收天線結構，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的同時還減小了pcb 板設計尺寸。該傳感器還具有自動校準和檢測功能，同時該傳感器還具備獨立運行能力，可以最大限度解放單片機的處理能力，再通過uart 串口將實時數(shù)據(jù)傳送到STM32L476。該傳感器芯片內(nèi)置6 路ADC采集傳感器，自帶算法，能夠簡單迅速地完成數(shù)據(jù)轉換。

3.2 主控MCU 單元

主控MCU 選擇的是ST 公司Cortern_M4 內(nèi)核的STM32L476 的單片機，該單片機具備超低功耗模式，最低可降到0.2uA 級。該款單片機同時具備豐富的硬件資源，具備lcd 接口，可直接驅動lcd 屏，作為人機交互使用。6 組uart 接口，能在MCU 休眠情況下依舊進行數(shù)據(jù)通訊。該主控MCU 通過uart 接口與雷達傳感器和RS485 總線電路進行通訊，再配合IIC接口與TFT 液晶屏連接完成人機交互功能，實現(xiàn)設備參數(shù)設置和實時數(shù)據(jù)讀取。

4 程序結構與上位機測試

水位計程序設計的核心為STM32L476 實時和IWR1642 進行數(shù)據(jù)通訊，定時讀取當前IWR1642采集回來的測量距離數(shù)據(jù)，判斷是否為通訊報警。IWR1642 具備自主測量距離的功能，無需提高與IWR1642 的采集頻率。STM32L476 通過RS485 總線將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機或者數(shù)據(jù)中心，并通過TFT 屏顯示出當前水位數(shù)據(jù)。

5 現(xiàn)場測試及結果分析

為驗證基于FMCW 的雷達測速儀在河道監(jiān)測中的測量精度，進行了一系列實驗，并對實驗結果進行了詳細分析和解讀。整體測試分為實驗室測試環(huán)境和實際場景的測試環(huán)境。實驗室測試階段主要為EMS 電磁兼容性型式實驗和環(huán)境實驗兩類。使用的檢測設備和執(zhí)行標準按照國標《電磁兼容試驗和測量技術》和《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2 部分試驗方法試驗》的要求進行。

首先，在實驗前進行了系統(tǒng)的校準，包括對發(fā)射信號功率、接收靈敏度、參考線位置等參數(shù)進行了精確的調整。同時，進行了射頻鏈路的去耦以及環(huán)境抗干擾措施，以保證實驗的準確性和可靠性。

其次，選取5 個不同深度和流速的水位點位進行測量，并分別記錄了十組數(shù)據(jù)，以確保實驗結果具有充分的可信度。在測量過程中，要求實驗人員嚴格掌握操作規(guī)程，保證每次測量的湍流和漣漪對結果產(chǎn)生的干擾最小。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，對每個測量點位的十組數(shù)據(jù)進行了平均值處理，并計算出標準差和最大誤差等關鍵指標。通過對數(shù)據(jù)的多次比對和分析發(fā)現(xiàn)，相較于其他測量方法，基于FMCW 技術的雷達測速儀具有更高的測量精度和穩(wěn)定性，其平均誤差僅為2mm，相對誤差不超過0.1%。

最后，對實驗結果進行圖表展示和趨勢分析。從圖表中可以看出，在不同水深和流速的情況下，基于FMCW 技術的雷達測速儀具有更為適用的性能和更加穩(wěn)定的測量結果。當水位深度和流速較大時，雷達測量誤差有所增加，但也能夠控制在可接受的范圍內(nèi)；而在水位較淺、流速較緩的情況下，雷達測量誤差更小，精度更高。數(shù)據(jù)如圖2～圖4 所示。

圖2 流速慢水域圖

圖3 流速快水域圖

圖4 測試結果圖

6 結束語

本研究通過實際的測量操作，驗證了基于FMCW 技術的雷達流速計在河道水文檢測中具有良好的測量精度和穩(wěn)定性，可以廣泛應用于水利工程、自然災害監(jiān)測等領域。但實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如在測量結果的處理和分析方面還有待改進，對于信號噪聲干擾和多徑反射等問題的解決也需要更深入的研究