一种基于24GHz毫米波雷达的流量计装置

摘要

本发明公开了基于24GHz毫米波雷达的流量计装置，包括主体外壳、主体上盖、倾斜端模块、底端模块、底部铝板、侧面铝板、顶部铝板、防水接头、顶六角螺丝、前罩板垫片、密封圈、侧六角螺丝、底六角螺丝、固定柱、电池仓和主控板，电池仓与主控板由底部铝板和顶部铝板通过固定柱夹紧固定，主体上盖与主体外壳通过顶六角螺丝装配，倾斜端模块自内而外由倾斜铝板、侧面天线集成模块、密封圈、天线罩、前罩板垫片依次叠放；底端模块结构与倾斜端模块完全相同。本发明结构简单、加工方便、电路设计巧妙，具有完备的电源控制和自检功能，保证毫米波雷达模块的测量精度，避免了超声波雷达射角大，方向性较差的问题，同时兼具测量水位与流速的功能。

说明书

技术领域

本发明属于微波雷达装置领域，具体涉及一种基于24GHz毫米波雷达的流量计装置。

背景技术

目前，我国河流、渠道流量的测定主要采用的是接触式测流技术，最为常用的方法为转子式流速仪法、超声波时差法和多普勒ADCP法。转子式流速仪法的缺点主要是需要人工操作，劳动强度大，而转子式流速仪又存在机械惯性，响应速度慢的缺点，无法测量快速变化的湍流，并且转子式流速仪需要定期检定和维护，流量较大时无法入水测量。超声波时差法使用的超声波流量计的缺点主要是仪器对水质要求较高，仪器必须在清水中工作，水中漂浮物要少，在浑浊的水中或在测量狭窄的渠道(渠宽小于3倍水深)时精度较差。多普勒ADCP法的主要缺点是必须进行船载测量，需要人工操作，测量泥沙或杂质含量较高的水质时准确度较差，对于宽度较小的渠道无法进行测量，流量较大时测量船也无法进行工作。因此，目前基于雷达技术的非接触式测流方法日益兴起。目前使用的雷达技术主要有毫米波雷达、超声波雷达等。

其中毫米波雷达频率范围30GHz-300GHz，波长从1cm到1mm，毫米波雷达探测距离较长，可达200多米，可以对目标进行有无检测、测距、测速以及方位测量。它具有良好的角度分辨能力，可以检测较小的物体。同时，毫米波雷达有极强的穿透率，能够穿过光照、降雨、扬尘、下雾或霜冻来准确探测物体，可以在全黑的环境工作，可全天候工作。

毫米波雷达主要包括雷达射频前端、信号处理系统、后端算法三部分。在现有的产品中，雷达后端算法的专利授权费用约占成本的50％，射频前端约占成本的40％，信号处理系统约占成本的10％。

射频前端通过发射和接收毫米波，得到中频信号，从中提取距离、速度等信息。因此，射频前端直接决定了雷达系统的性能。信号处理系统也是雷达重要的组成部分，通过嵌入不同的信号处理算法，提取从射频前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。后端算法占整个毫米波雷达成本的比例最高。针对毫米波雷达，国内研究人员从频域、时域、时频分析多个角度提出了大量的算法，离线实验的精度也较高。但是，国内的雷达产品主要采用基于频域的快速傅里叶变换及其改进算法进行分析，测量精度和适用范围有一定局限性而国外算法受专利严格保护，价格非常昂贵。

现有技术的超声波雷达至少存在以下缺点：超声波雷达在雪雨等不同的天气情况下传输速度不同，而且传输速度较慢；超声波雷达散射角大，方向性较差，在测量远距离目标时，回波信号较弱，会影响测量精度；同一区域内有多个超声波雷达时，雷达之间可能会存在相互干扰的问题。毫米波雷达造价适中，而且能够有效克服环境恶劣的问题，也不存在雷达之间相互干扰等问题。

发明内容

本发明旨在提供一种解决现有产品中超声波雷达模块散射角大，方向性较差，雷达间相互干扰，受天气影响大；24GHz毫米波雷达模块尺寸较大，精度不够，对于测量结果不够准确，分辨率不够高，对于小距离，1cm、2cm的微小变化不能准确测量等问题。

技术方案为：基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置，包括主体外壳、主体上盖、倾斜端模块、底端模块、底部铝板、侧面铝板、顶部铝板、防水接头、顶六角螺丝、前罩板垫片、密封圈、侧六角螺丝、底六角螺丝、固定柱、电池仓和主控板，其中，电池仓与主控板由底部铝板和顶部铝板通过固定柱夹紧固定，主体上盖与主体外壳通过顶六角螺丝装配，倾斜端模块自内而外为倾斜铝板、侧面天线集成模块、密封圈、天线罩、前罩板垫片依次叠放，通过侧六角螺丝与底六角螺丝装配，防水接头在主体外壳的直侧面进行装配；底端模块的结构与倾斜端模块完全相同。

优选地，所述主控板包括前端模块和后端模块，前端模块包括发射天线阵列和接收天线阵列，后端模块包括单片机、蓝牙通讯芯片、放大器、滤波器、电压跟随器、比较器、CPLD芯片、电源模块、基准电压、晶振、存储器、光耦、加密芯片和时钟芯片，其中，所述滤波器与前端模块相连，所述放大器与滤波器相连，所述单片机与放大器相连，所述比较器与前端模块相连，所述CPLD芯片与比较器相连，所述单片机与CPLD芯片相连，所述基准电压与电压跟随器相连，所述电压跟随器与单片机相连，所述电源模块与前端模块、单片机和蓝牙通讯芯片分别相连，所述单片机与蓝牙通讯芯片相连，所述光耦与蓝牙通讯芯片相连，所述晶振与单片机相连，所述存储器与单片机和蓝牙通讯芯片分别相连，所述加密芯片与单片机相连，所述时钟芯片与蓝牙通讯芯片相连。

优选地，所述单片机为STM32H750VBT6。

优选地，所述CPLD芯片包括ICE40LP384和LCMXO2-640HC-4TG100。

优选地，所述电压跟随器包括GS321-TR芯片。

优选地，所述加密芯片为ATSHA204A，单片机通过PE0与PB9引脚，采用IIC协议与加密芯片连接。

优选地，所述蓝牙通讯芯片为nRF52833或nRF52840。

优选地，所述光耦包括VOD207T芯片或ILD207T芯片，蓝牙通信芯通过P0.06和P0.08引脚连接光耦再连接外部接口。

优选地，所述时钟芯片为DS1302，蓝牙通讯芯片通过P1.02、P1.04和P1.06引脚连接时钟芯片。

优选地，所述存储器为SPI-FLASH，蓝牙通讯芯片通过P0.19、P1.05、P0.23和P0.25引脚连接存储器，单片机通过PD11、PD12、PD13、PE2、PB6和PB2引脚连接存储器。

优选地，所述天线罩为平面板或带有球面的透镜。

采用本发明至少具有如下的有益效果：

1.该系统采用非接触的方式测量流量，结构稳定可靠，受水毁影响小，不受污水腐蚀，不受泥沙影响，不存在机械磨损问题，成本低，使用寿命长，适于各种宽度的渠道、河道上推广普及，维持成本较小。

2.该系统采用非接触式测流技术，对渠道、河道内断面流量可实现连续测流，采取多雷达流速仪的布设方式，多固定点的同步测流可实现相控阵式测流效果，测流精准度高，对水质适应性强。

3.该系统预备485通讯接口，采用蓝牙方式便于用户调试，支持数据有线传输和无线传输，可以远程实现设备的升级和维护。用户可以实时监控河道流量和水位，便于做出相应决策。

4.采用设备电路板和外壳之间设置O型密封圈和圆橡胶垫的方式进行密封，保证雷达模块的密封性，能够应付恶劣环境下的正常工作；

5.前罩板由聚四氟乙烯材料制成，可以通过加工曲面透镜或频率选择表面来继续减小前端模块发射的电磁波波瓣角度，保证毫米波雷达模块的精度，避免了超声波雷达射角大，方向性较差的问题；

6.通过优化后端模块，改进了毫米波雷达模块分辨率不足的问题。

7.使用低功耗设计，每个部分电路按需工作，适用于太阳能或仅电池供电的部署，用户可以自行在电池寿命和测量频次之间进行折中。

8.可靠性设计保证，每个功能具有自检信号和电源监控保护电路，在设备异常的情况下第一时间通过IO口向用户端设备发出警告。

附图说明

图1为本发明一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的主控板结构框图；

图3为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的单片机部分电路原理图；

图4为本发明一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的前端模块电路原理图；

图5为本发明又一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的前端模块电路原理图；

图6为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的前端模块的排针电路原理图；

图7为本发明一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的CPLD芯片部分电路原理图；

图8为本发明又一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的CPLD芯片部分电路原理图；

图9为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的时钟发生器和校准信号发生器电路原理图；

图10为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的蓝牙通讯芯片电路原理图；

图11为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的外设电路原理图；

图12为本发明具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的485等通讯接口电路原理图；

图13为本发明一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的外置电源模块电路原理图；

图14为本发明又一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的外置电源模块电路原理图；

图15为本发明再一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的外置电源模块电路原理图；

图16为本发明另一具体实施例的基于24GHz毫米波雷达技术的流量计装置的外置电源模块电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图一，本发明的24GHZ毫米波雷达装置的结构示意图，包括主体外壳1，主体上盖2，侧面天线集成模块3，底部铝板4，侧面铝板5，顶部铝板6，防水接头7，顶六角螺丝8(型号为GB_HEXAGON_TYPE21 M6X10-10-N)，前罩板垫片9，密封圈10，侧六角螺丝11(型号为GB_SOCKET_TYPE7M4X10-N)，底六角螺丝12(型号为GB_SOCKET_TYPE7M4X8-N)，固定柱13，电池仓14，主控板15。其中，电池仓14与主控板15由底部铝板4和顶部铝板6通过固定柱13夹紧固定，主体上盖2与主体外壳1通过六角螺丝8装配。倾斜端模块自内而外为倾斜铝板5、侧面天线集成模块3、密封圈10、天线罩24和前罩板垫片9依次叠放，通过侧六角螺丝11与底六角螺丝12装配。底端模块(包括底端天线集成模块16)结构与倾斜端模块完全相同，故此不做赘述。防水接头7在主体外壳1的直侧面进行装配。

具体实施例中，天线罩24为平面板或带有球面的透镜，以及其他频率选择表面。

为保证整体结构强度，适应恶劣环境并拥有足够高的透波性，整体材质选为聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)。同时，主体外壳1和主体上盖2多个地方设置有加强筋，该方式能够保证在不增加厚度、重量的条件下，也能够具有良好的稳定性。固定柱13连接底部铝板4和顶部铝板6，固定保护其中的电池仓14，防止因外力震荡碰撞损毁电池造成危险事故。密封圈10由侧面铝板5夹紧，并由侧六角螺丝11固定，保证倾斜端模块与底端的密封性。防水接头7中预留电源线和通讯总线通道，使用防水接头7防止短路。

参见图1，侧面发射面与底面呈30度角，厚度为2.3mm，此时前端模块26发射的电磁波水平波瓣宽度为60度，垂直波瓣宽度为60度。底面水平发射面厚度为2.3mm，此时前端模块26发射的电磁波水平波瓣宽度为60度，垂直波瓣宽度为60度。侧面天线集成模块和底部天线集成模块集成了前端模块26，通讯主板6集成了后端模块。

参见图2，前端模块26包括发射天线阵列40，接收天线阵列39，后端模块包括单片机27，蓝牙通讯芯片28、放大器30、滤波器29、电压跟随器33、比较器31、复杂可编程逻辑(CPLD)芯片32、电源模块35、基准电压34、晶振37、存储器36、光耦38和加密芯片41，时钟芯片42。其中，滤波器29与前端模块26相连，放大器30与滤波器相连，单片机27与放大器30相连，比较器31与前端模块26相连，CPLD芯片32与比较器31相连，单片机27与CPLD芯片32相连，基准电压34与电压跟随器33相连，所述电压跟随器33与单片机27相连，电源模块35与前端模块26，单片机27，蓝牙通讯芯片28相连，单片机27与蓝牙通讯芯片28相连，光耦38与蓝牙通讯芯片28相连，晶振37与单片机相连，所述存储器36与单片机27，蓝牙通讯芯片28相连，加密芯片41与单片机27相连，时钟芯片42与蓝牙通讯芯片28相连。处于调频连续波模式下的前端模块26发送回波信号到滤波器29，滤波后发送到放大器30，放大器30对回波信号放大后发送到单片机27，单片机27对从前端模块26接收到的回波信号进行判断，选择所要接收的回波信号滤波器带宽和压控增益放大器发射功率，进行中频自动增益和长距离短距离测距的自适应。单片机27给前端模块26发送调制电压，前端模块26工作后发送频率信号到比较器31，再经CPLD芯片32对频率信号进行采集，采集后发送到单片机27，单片机27对获取的频率信号和调制电压所能产生的频率进行比较，进行线性调制频率校准。

参见图3、图4、图5、图6，图6中前端模块端子P1502,P1504分别发送回波信号RADARFE IFI1,RADAR FE IFI2到模拟开关IC1301的VO引脚和NC引脚，图3中单片机27的PE9引脚选择哪个回波信号由模拟开关IC1301的COM引脚输出，输出的回波信号进入模拟开关IC1303的VO引脚，同时，自检信号CALIB ANALOG输入到模拟开关IC1303的NC引脚，单片机27的PB1引脚选择哪个信号由COM引脚输出，若信号为回波信号，此后信号输出至单片机27的PA0引脚和模拟开关IC1401前，在单片机27判断所需的滤波器带宽和增益后通过PC5引脚控制模拟开关IC1401选择带宽，通过PB7,PB8引脚控制可编程电阻IC1405选择放大器IC1403增益后，输出大信号至单片机27的PA2引脚。输出若信号为自检信号，单片机27检查程序电路是否出现问题。图六中前端模块端子P1502,P1504发送的回波正交同相信号RADAR FEIFQ1,RADAR FE IFQ2与上述回波信号处理相同。模拟开关型号为GS4157-CR，可编程电阻型号为MCP4017T-104，放大器30型号为GS8051-TR。

参见图3、图4、图5、图6、图7、图8，图3中单片机27的PA4引脚发送调制电压信号MCU_DAC_VTUNE1到图四电压跟随器IC1407的+IN引脚上，电压跟随器IC1407发送信号RADAR_VTUNE1到图6前端模块端子P1501的3引脚上，前端模块26工作后通过图6前端模块端子DIV引脚发送信号RADAR_FE_DIV1到图五模拟开关IC1305的VO引脚上，同时，自校准信号CALIB_COUNTER输入到模拟开关IC1305的NC引脚，单片机27的PC0引脚选择哪个信号由COM引脚输出到图5比较器IC1307的输入端，频率信号比较后输入到图7中CPLD芯片32的PL5A||PCLKT3_1引脚和图8中CPLD芯片32的IOR_36_GBIN2引脚，再经CPLD芯片32对频率信号进行采集，采集后发送到单片机27，单片机27对获取的频率信号和调制电压所能产生的频率进行比较，进行线性调制频率校准。图3中单片机27的PA5引脚发送调制电压信号MCU_DAC_VTUNE2进行校准的过程与上面相同所述比较器型号为GS8743,电压跟随器型号为GS321-TR，模拟开关型号同上。

参见图9，单片机27通过PH0引脚连接晶振37，CPLD芯片32(型号LCMXO2-640HC-4TG100)通过PR5C||PCLKT1_0DQ0引脚连接晶振37，CPLD芯片32(型号ICE40LP384)通过IOL_5A GBIN6引脚连接晶振37，晶振37提供30MHz和150MHz的输出频率给单片机27和CPLD芯片32。晶振37型号为SI5351A。

参见图9，晶振37的CLK2引脚生成信号CALIB GEN，输入到模拟开关IC1206，单片机27的PE10引脚控制信号由VO和NC哪个端口输出，输出信号经过电阻分压后输入到模拟开关IC1207对应的VO和NC引脚，单片机27的PE10引脚选择哪个信号输出，输出信号为前文自校准信号CALIB_COUNTER。晶振37的CLK2引脚生成信号CALIB GEN，输入到模拟开关IC1202，单片机27的PE7引脚控制信号由VO和NC哪个端口输出，输出信号经过滤波后输入到模拟开关IC1203对应的VO和NC引脚，单片机27的PE7引脚选择哪个信号输出，输出信号为信号CALIB_1VPP，输入到模拟开关IC1204，单片机27的PE11引脚控制信号由VO和NC哪个端口输出，输出信号经过电阻分压后输入到模拟开关IC1205对应的VO和NC引脚，单片机27的PE11引脚选择哪个信号输出，输出信号为前文自检信号CALIB_ANALOG。模拟开关型号为GS4157-TR。

参见图3、图7、图8，单片机27为STM32H750VBT6，CPLD复杂可编程逻辑芯片型号为ICE40LP384和LCMXO2-640HC-4TG100。

参见图3、图10，蓝牙通讯芯片28通过P0.20,P.22引脚连接单片机27的PA9,PA10引脚，采用UART收发数据。同时，蓝牙通讯芯片28通过D+,D-引脚连接单片机27的PA11,PA12引脚，采用USB收发数据。最后，蓝牙通讯芯片28通过P0.24引脚控制单片机的复位引脚，控制单片机27的复位。蓝牙通讯芯片28型号为Nrf52833-QIAA。

参见图10，图12，蓝牙通讯芯片的P0.26,P0.04引脚输出转为TTL电平后连接RS485接口芯片IC501输出，P0.06,P0.08引脚连接到光耦芯片IC502输出，P1.00,P1.01引脚连接到辅助信号输入输出端口(AUX)。485电路中的D504用于电路的防雷；D501、D502、D503用于485电路的防静电功能。RS485接口芯片型号为MAX13487，光耦38芯片型号为VOD207T。

参见图11、图12、图3、图10中蓝牙通讯芯片28通过P0.25,P0.23,P0.19,P1.05引脚连接到图11存储器IC801，图3中单片机27通过PD11,PD12,PD13,PB2,PB6,PE2引脚连接图11存储器IC803，图10中蓝牙通讯芯片28通过P1.02,P1.04,P1.06引脚连接图11中时钟芯片IC802，，图3中单片机27通过PE0,PB9引脚连接到图11加密芯片IC804。存储器36型号为SPI-Flash，时钟芯片42型号为DS1302。加密芯片41型号为ATSHA204A。

参见图13，外部电源连接图左上角部分的DC接口EMC保护电路，该电路中D102用于稳压，D101，D103用于防静电，L101用于去除交流信号中的杂质，然后由该电路的输出端接入到图13左下角DCDC电源模块IC101的输入端，输出4.5V的电压。电池电压VBAT和4.5V电压输入到右上角的电源模块IC102，输出电压VCC_MAIN，给蓝牙通讯芯片供电。右下角为辅助电源输入输出端子IC102和一次电池输入端口VBATIC101。电源模块IC101的STAT引脚连接到蓝牙通讯芯片的P0.29引脚，告知输入电源是电池还是外部电源。蓝牙通讯芯片28通过P0.31引脚输出EXTVCC_PGOOD信号控制DCDC电源模块IC101的运行。IC101电源芯片型号为TPS211x。IC102电源芯片型号为TPS54140。

参见图14，图13中VCC_MAIN电压作为输入电压接入到上端的Boost升压电路，输出5.0V电压，作为转化TTL电平电路的输入和RS485电路的输入电压。同时接入到下端的DCDC降压电路，输出2.5V电压，作为单片机27和蓝牙通讯芯片28的输入电压。右端为开关电路，输出CPLD芯片32的供电电压。Boost升压电路电源芯片型号为：TPS22916，MP3209。DCDC降压电路电源芯片型号为MP2161，ME6211C25M5G。开关电路电源芯片型号为TPS22916。

参见图15，上述2.5V电压输入到Boost升压电路输出为3.3V电压，为基准电压，为图4、图5、图9中电压跟随器33、放大器30、比较器31和模拟开关供电，单片机27通过PA6和PA7引脚输出PGOOD信号和使能信号控制电路。所用芯片型号为MP1517，TPS22916，

参见图16，上述3.3V电压输入到开关电路输出为3.3V电压，作为前端模块的供电电压，单片机27的PE12,PE13,PE14,PE15引脚输出PGOOD信号，通过PB12,PB13,PB14,PB15引脚控制开关电路。所用芯片型号为APM4953，AO6800。

具体实施例中，参见图2，雷达系统由发射机产生的电磁波经发射天线阵列40、接收天线阵列39在发射信号的路径中捕获任何被测目标的反射波，并由接收机和处理器完成对信号的接收、分析和处理。

发射天线阵列40发射波为高频连续波(Frequency Modulated ContinuousWave)，其频率随时间按照三角波规律变化。雷达接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差。使用FPGA或DSP对中频信号进行FFT处理后，通过差频信号在功率谱上的频率可以精确的获得被测目标的距离，所有反射电磁波的物体都会在功率谱上有所体现。通过对每一个频率值的变化进行跟踪，可以判断物体的运动速度和运动状态。对中频信号进一步做二维FFT处理后，通过对频率值相位差的追踪，可以进一步判断物体方位角。FSK(Frequency-shift keying)频移键控。发射的信号在两个或多个频率下变化，接收和发射的频率仍然同步，这样在一个很短的时间内仍然可以看作一个定频雷达，雷达接收到的频率是由于被测物体与雷达模块之间存在相对运动而产生的多普勒频移，对中频信号进行FFT后由频率的大小可以精确的得出被测物体的运动速度。但是从一段较长的时间来看，发射的信号频率不断在变化，这可以抑制在工作频率上的突发干扰，或带宽不大的连续干扰信号。

本发明所述的24GHz毫米波雷达传感器通过压控振荡器产生一频率在24GHz附近一定范围内的单频信号，这个单频信号的频率可以由用户的调制电压来进行控制，同时用户可以检测分频器输出来得知这一频率。由压控振荡器产生高频信号一部分能量经过功率放大器和发射天线辐射到空间中，另一部分能量提供给接收机作为本振信号，电磁波在空气传播的过程中如遇到目标则会小部分反射，反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号，而接收机始终输出本振信号与回波信号之间的差频和差相作为差拍信号，差拍信号经过滤波器和放大器后由用户进行处理，通过分析差拍信号的频率和相位即可得知空间中目标的位置、速度等信息。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。