一种水文多相态同时测量的无人机载雷达系统
技术领域
本发明涉及水文测量的无人机载雷达的技术领域，尤其涉及一种水文多相态同时测量的无人机载雷达系统。
背景技术
寒冷地区的江河、湖泊、水库等冬季结冰是一种普遍的物理现象,而北部边境附近的江河冰冻期长,结冻的冰面可以作为重要的交通运输线辅备通道,是桥梁运输的重要补充手段。冰冻在给人带来便利的同时又时刻潜伏着危机,由于不知道冰层真正的承载能力,导致发生正常行驶在冰面上的车辆突然出现冰面爆裂而掉入江河中,突然爆裂的冰层往往与周围冰层相比较薄、较脆弱；当出现自然灾害时,利用附近河流冰层能够进行抢险救灾是非常有效、快捷的方式,但前提是要预先知道安全的冰上路径,这也依赖于所有区域的冰层厚度数据；对有冬季捕鱼习惯的北方河流附近居民,如若事先知道不同位置的冰层厚度和冰层承载量，一方面可以帮助渔民找到最佳的捕鱼冰面开凿点,另一方面可以防止因行人掉入冰下带来生命和财产安全威胁和社会影响。
目前应用最为广泛的测量冰厚的仪器是接触式探冰雷达，测量时需要贴在冰面上；水深、流速多采用多普勒雷达和声波雷达，测量时需要悬挂在贴水面上方进行。目前还没有集中两种功能于一体、能够同时测量水深和冰厚的雷达系统，也没有非接触、机动式测量的高安全系数探测系统。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水文多相态同时测量的无人机载雷达系统，该发明能够同时测量水深和冰厚的雷达系统，并在测量中实现非接触式、安全、机动灵活的测量，具有轻便、安全性高、测量精度高、硬件系统实现容易、结构简单、成本低、可靠性高等有益技术效果。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种水文多相态同时测量的无人机载雷达系统，包括无人机飞行平台单元、超宽带雷达单元和地面控制站单元，其中：所述无人机飞行平台单元用于超宽带雷达单元进行低空贴冰面机动飞行，并对周围环境进行拍摄监控，包括无人机、毫米波雷达、气压计、电源、恒温电路、导航模块、摄像头和无线通信模块；所述超宽带雷达单元用于实时探测冰厚和水深数据，并将数据传输至所述地面控制站单元，包括双频收发模块和雷达主机模块；所述地面控制站单元用于接收和显示接收到的数据，包括计算机和天线。
进一步的，在本发明中：所述毫米波雷达和气压计安装于所述无人机上用于实现低空定高飞行；所述电源加装所述恒温电路，用于起飞前预热并实现抗低温稳定飞行；所述导航模块用于控制所述无人机按预定路线飞行；所述摄像头用于采集图像数据并通过所述无线通信模块将数据传输至所述地面控制站单元。
进一步的，在本发明中：所述双频收发模块包括发射机、接收机和双频天线；所述双频天线用于测量水深和冰厚，包括设置于中间位置的一对900MHz天线和设置于两侧的200MHz天线，两幅天线的中心线重合。
进一步的，在本发明中：所述雷达主机模块包括ARM控制电路、数据采集处理电路、时序控制电路、无线通信模块和电源；所述ARM控制电路通过所述地面控制站单元接收指令并发送至所述数据采集处理电路，所述数据采集处理电路根据接收到的指令获得相应的雷达参数并将传输至所述时序控制电路，所述时序控制电路产生双路控制信号，并将扫描信号反向回传至所述数据采集处理电路进行双通道雷达回波实时采集和处理，所述无线通信模块采用外置无线通信器件于所述ARM控制电路相连接，并用于将数据传输至所述地面控制站单元，所述电源与各模块相连接并提供电源。
进一步的，在本发明中：所述地面控制站的所述天线用于数据的接收，包括平板随动天线和鞭状天线；所述计算机用于计算冰厚水深结果及曲线并显示计算结果。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本系统通过无人化平台搭载对水文状况进行远程非接触式测量，避免了测量中与水面的直接接触，测量过程更加安全；
(2)本系统能够同时对冰厚和水深进行测量，同时测量两种要素相对于传统的单一水文要素测量更加全面；
(3)本系统结构简单、体积小且便于携带，适用于实际应用中的海上或远程作业，降低了成本、经济价值更高；
(4)本系统测量的实时性高，有利于获取更加可靠的数据，通过屏幕实时展现测量的状况，方便实际作业人员的参考。
附图说明
图1为一种水文多相态同时测量的无人机载雷达系统的结构示意图；
图2为本发明系统中超宽带雷达单元的功能模块示意图；
图3为本发明系统中双频天线功能模块图示意图；
图4为本发明系统中地面控制站单元功能模块图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1所示，水文多相态同时测量的无人机载雷达系统，包括无人机飞行平台单元、超宽带雷达单元和地面控制站单元，其中，无人机飞行平台单元包括无人机、毫米波雷达、气压计、电源、恒温电路、导航模块、摄像头和无线通信模块；超宽带雷达单元包括双频收发模块和雷达主机模块；地面控制站单元包括计算机和天线。
无人机飞行平台单元用于超宽带雷达单元进行低空贴冰面机动飞行，并对周围环境进行拍摄监控。其中无人机优选为工业级四旋翼无人机，对功能的精准定位、高环境适应性和高可靠性要求更高，适用于特殊的作业环境，无人机的螺旋桨优选采用40寸碳合金高强轻质螺旋浆，实现大载重、长航时飞行。毫米波雷达和气压计安装于无人机上用于实现低空定高飞行。电源优选采用高压电池辅以大功率电调，且电源加装恒温电路，用于起飞前预热并实现抗低温稳定飞行，能够在寒冷环境下稳定工作；导航模块可以采用GPS/北斗模块，用于控制无人机按预定路线飞行；摄像头优选为T12三体摄像头用于采集图像数据；无人机平台数据和拍摄的图像通过安装于无人机上的无线通信模块传输至地面控制站单元。
超宽带雷达单元用于实时探测冰厚和水深数据，并将数据传输至所述地面控制站单元。其中，超宽带雷达单元中的双频收发模块包括发射机、接收机和双频天线；双频天线用于测量水深和冰厚，此处分别采用200Mhz和900MHz中心频率对进行实时测量，双频天线包括设置于中间位置的一对900MHz天线和设置于两侧的200MHz天线，两幅天线的中心线重合，以保证同时对同一目标进行探测。双频天线优选为微波吸收介质领结型天线，形状为圆弧形渐变三角形，顶角为60°角，屏蔽壳高度由低频天线频率决定。
雷达主机模块包括ARM控制电路、数据采集处理电路、时序控制电路、无线通信模块和电源。其中，ARM控制电路通过地面控制站单元接收指令并发送至数据采集处理电路，数据采集处理电路根据接收到的指令获得相应的雷达参数并将传输至时序控制电路，时序控制电路产生双路控制信号，并将扫描信号反向回传至数据采集处理电路进行双通道雷达回波实时采集和处理，无线通信模块采用外置无线通信器件于ARM控制电路相连接，并用于将数据通过无线通信模块传输至地面控制站单元，电源与各模块相连接并提供电源。具体的，ARM控制电路和数据采集处理电路之间可以通过USB串口进行连接以及数据的传输，数据采集处理电路包括DSP芯片，优选为TMS320C6713芯片，DSP芯片根据ARM控制电路发送来的指令获得相应的雷达参数，并将参数通过SPI口传至时序控制电路。无线通信模块为外置器件并与ARM控制电路相连接，负责将雷达主机处理过的水深冰厚数据无线传输至地面控制站单元。电源采用内置可插拔的78Wh锂离子电池，分别为各模块提供电源。
地面控制站单元用于接收和显示接收到的数据，其中，天线用于冰厚水深测量数据和无人机平台姿态数据的接收，包括平板随动天线和鞭状天线，远近距离配合使用，从而保证雷达和无人机平台数据传输不丢失；计算机用于计算冰厚水深结果及曲线并显示计算结果，计算机的显示器优选为双屏显示器，用于分别展示冰厚和水深数据结果。为了实际应用的便利，可以采用双屏笔记本电脑，便于携带和展示。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。
