具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。

实施例1：如图1-22所示，在系统硬件结构方面，本发明提供一种基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达，包括设备安装支撑结构4，所述设备安装支撑结构4的上方设有天线阵，所述设备安装支撑结构4的下方设有综合处理机箱3，所述天线阵通过馈线电缆接入综合处理机箱3，所述综合处理机箱3下部设置有供电系统5。河流表面流场精确测量雷达还配备一套远端数据服务平台6，用于接收雷达系统监测数据，并处理成各行业需要的水文数据，为各行业提供服务，所述远端数据服务平台6通过工业互联网络与设备通信；

所述天线阵包括接收天线阵1和发射天线阵2，所述发射天线阵2由一个八木天线构成，所述接收天线阵1由三个八木天线构成，所述接收天线阵1位于发射天线阵2的上部，所述接收天线阵1通过馈线电缆接入综合处理机箱3对应信号接收端口，所述接收天线阵1的三个八木天线按照左中右排列，该左、右两个八木天线与中间的八木天线夹角为30°，该三个八木天线底部之间的水平距离均为0.4m，接收天线阵1的布设如图2所示。

所述综合处理机箱3用于完成河流测量雷达的发射信号参数控制、接收信号的信号处理和数据处理、综合处理机箱与远端控制系统的通信；包括发射模块、接收系统、信号处理模块、电源模块和通讯接口模块。进一步地，所述接收系统用于对接收的雷达信号进行滤波、混频、发射控制等处理操作，所述接收系统包括带通滤波器和接收模块，所述接收模块一方面与信号处理模块相连通且另一方面通过激励源与发射模块相连通，所述发射模块用于河流表面精确测量雷达的发射信号参数进行控制，包括混频和功率放大模块，生成对应的发射信号，并将信号放大到发射天线阵2需要的输入电平。

所述设备安装支撑结构4用于支撑本发明中不同组件的装配，在本发明中，所述设备安装支撑结构4的高度需要根据设备接收天线阵1，发射天线阵2，河流水平面的高度、以及河流的宽度最终计算得到，结构外形如图1和图2中所示，其采用不锈钢材料制作，各组件之间的接口采用卡口结构设计，安装方便快捷。

所述供电系统5用于给综合处理机箱3供电，所述供电系统5包括市电接收转换模块和太阳能供电模块，所述市电接收转换模块接入220V市电转换为综合处理机箱3工作所需电压为设备供电，太阳能供电模块包括太阳能电池板及其他相关配件，确保设备的供电可靠性。

所述远端数据服务平台6用于接收雷达系统的测量数据，运行水文数据处理模块，对各地河流监测雷达数据进行数据质控和水文专业计算，形成水文数据，通过适配各个行业应用的数据处理模块，分别处理成符合农业、环保、国土资源等行业需要的服务产品。

在数据处理和软件架构方面，本发明采用先进的信号发射控制和信号处理样式，能够实现设备对周围环境中电磁信号的抗干扰能力，并能够测量稳定的河面矢量场信息，最终通过远端数据服务平台，对各地河流监测雷达数据进行数据质控和水文专业计算，形成水文数据，通过适配各个行业应用的数据处理模块，分别处理成符合农业、环保、国土资源等行业需要的服务产品。

对于抗干扰设计，采用脉冲间相位编码调制技术，对发射雷达信号的每个脉冲进行编码调制，在信号接收端，采用发射脉冲调制码元进行匹配处理，实现外界强干扰信号的压制。

对于雷达信号处理，结合本系统的接收天线阵1布设架构，采用折线阵列信号处理算法，该算法针对雷达系统接收天线安装于不同的平面上，充分利用接收天线的波束宽度，采用折线DBF波束加权合成技术，实现河面速度矢量场的合成。

对于数据稳定性，由于河面具有随机起伏，测量数据具有抖动，在数据处理中，采用方差加权去降低数据抖动，提高观测矢量数据的稳定性，实现河流流速矢量场的高精度稳定监测。

对于设备无人值守和远程控制，采用工业互联网，并开发对应的远程通讯控制软件，实现设备数据的远程传输和控制。

对于远程数据分析，采用基于大数据与人工智能技术的数据分析技术，基于河流测量雷达输出数据要求，自动识别河流水位和断面变化，并结合河流断面，实现河流流量分析，并根据对应的实测数据，实现雷达观测值与实际观测值的数据比对模型识别，实现河流测量雷达数据的自动校准。对于远程数据服务，开发对应的数据质控和水文专业计算软件和转换显示模块，将数据转换为各行业需求标准形式，将设备的监测结果实时向用户展示。

本发明的系统组成及各硬件单元上运行软件的功能系统以及对应的工作流程图如图3所示。

雷达系统工作时，各设备具体工作流程如下：

（1）雷达系统按照图1和图2的结构安装示意图完成安装后，在本地采用一台计算机与雷达系统连接，通过远程桌面完成系统工作参数的初始化配置。

（2）综合处理机箱3中激励源接收系统初始化下发的信号控制参数，生成对应频率的连续波信号，脉冲调制器根据对应的脉冲宽度、脉冲重复周期，对激励源生成的雷达信号进行幅度调制，生成对应的脉冲调制信号。

（3）调制编码计算模块根据发射信号的抗干扰要求，信号主副瓣比，计算对应的相位调制编码序列，一般采用对应长度的M序列，如图4A和4B所示。

（4）脉冲编码调制模块根据计算得到的调制码元，对脉冲调制信号进行相位调制，生成对应的带相位调制的脉冲编码信号，即设备雷达发射信号。

（5）雷达发射信号通过发射单元的功率方法模块，将信号放大到系统设定的功率电平，通过射频馈线与发射单元的天线连接，通过发射单元将信号向空间辐射出去。

（6）指向不同角度的接收天线阵1接收不同角度的水面散射区域回波信号，将回波信号通过对应的带通滤波器，滤除带外噪声和干扰信号。

（7）将通过带通滤波器的接收信号与激励源耦合到信号处理单元的信号进行混频处理，将对应接收通道的信号变频到零中频，并对接收的信号进行AD采样，得到对应的数字信号。

（8）将采集的数字信号与发射调制的脉冲编码进行逐脉冲匹配，脉冲匹配后，与发射调制脉冲匹配的回波信号具有码元匹配增益，信号强度得到增强，而与发射调制编码不匹配的干扰信号，通过匹配处理后，干扰能量扩散到发射调制编码所占据的大带宽中，信号强度大大降低，从而能够有效抑制干扰信号。

（9）通过综合处理机箱3传输总线，将匹配处理后的数字信号传输到数字波束形成单元，数字波束形成单元根据设备接收天线阵1的安装位置，方向指向角，计算不同合成波束的加权系数，通过对应的加权值，对不同通道匹配后的信号进行加权控制，同时合成指向多个波束的方向图，即指向不同方位接收方向的接收信号，由于采用阵列，本发明的接收天线阵1相对于平面阵列具有更大的方位向视场角（本发明的方位向市场角超过 ^°），多个接收天线的空间合成波束如图5A和5B所示。

通过计算得到的指向不同接收方向的加权控制向量，对不同的接收通道数据进行加权，得到不同方位指向的接收天线方向图，如图6所示。

通过采用对应角度的权值对三个通道的信号进行加权控制，即可得到对应方位角度的空间合成回波信号。

（10）将对应角度的空间合成信号传输到雷达数据处理单元，进行雷达数据处理，依次进行脉冲积累处理、并按照对应的距离门进行对应的频谱变换，实现不同距离单元信号的距离多普勒二维处理。距离多普勒二维处理完毕后，得到不同距离单元的频谱分布，采用不同距离维频域选最大值的方法，提取对应距离单元的多普勒特征值。本步骤的距离实现流程如图7所示。

（11）采用模糊聚类的算法对不同接收通道在不同时刻提取的多普勒特征进行处理，剔除提取数据中的异常点信息，得到稳定多普勒特征，如图8所示。

（12）根据对应的指向方位角度，设备安装距离河面的高度，设备工作的中心频率，当前计算的距离门，（11）中提取的多普勒特征值，计算对应方位向上不同距离单元的流速信息，计算公式如下。

其中表示真空中的光速。

对同一方位角度，同一距离单元不同时刻计算得到的流速信息进行平滑处理，采用方差加权降低数据抖动的方法，降低观测流速的起伏，提高数据的稳定性。

（13）对指向不同方位向的空间合成信号重复（10）~（12）的步骤，完成所有空间方位指向角度的计算，得到所有方位指向角度下，不同距离单元的稳定流速信息，得到对应的空间距离—方位流速矢量场数据，如图17A和17B所示。

（14）将对应时刻的河流间距离—方位流速矢量场数据通过综合处理机箱3的通讯接口向外传输到远端数据服务平台6，远端数据服务平台6根据（13）中传输过来的空间距离—方位流速矢量场数据，合成河流流量数据。流量合成实现如图9所示，式中：V_m：平均流速；V_i：表面测量点流速；A（h）：过水面积，取决于水位；Q：流量；K：K值。

根据得到的流量数据绘制水位流量关系、流速流量关系，并根据现有的关系模型，采用智能化自学习模型，自动修正新的数位流量关系，并能够与输入的实测数据进行对比修正，确保观测结果的准确性，如图10所示。

（15）远端数据服务平台向用户同步显示当前河流的流速矢量场、合成流量数据以及分段流速信息。

以下采用安装于某水文站的基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达试验过程及其流速观测结果进行说明本发明的优异性。相关实验数据分析说明本发明的使用流程及有益效果。

河流表面流场精确测量雷达工作参数：

脉冲宽度：；

脉冲重复周期：；

信号中心频率：500MHz；

信号样式：窄带线性调频信号；

信号带宽：30MHz（线性调频信号）；

信号采样率：500MHz；

试验地点：国内某水文站；

河流表面流场精确测量雷达采用的收发天线均为图11、12A和12B中所示的八木天线；

通过采用本发明的河水流速精确测量装置辐射雷达信号，信号采集后，得到某个方位角度某时刻对应距离单元的信号处理结果如图13所示；

对某个方位角度多个距离门的信号进行处理，得到对应的距离-多普勒特征图如图14所示；

采用上文中所述算法，提取对应的多普勒特征值，不同距离单元多普勒特征提取结果如图15所示；

由于水流存在随机特征，不同距离单元的观测数据存在异常值，采用模糊聚类方法进行野值剔除、趋势一致性判断和通道数据依赖的加权算法等。通过距离和方位上多个空间单元的测流结果的趋势一致性，修正测流数据。修正处理后如下图16所示。

通过聚类分析算法，测流数据中的异常特征已经剔除，保留了有效数据。

对所有的波束形成方位角度进行处理，提取对应的多普勒特征，并转换成对应的流速矢量场数据。对于单次测量结果，由于部分单元存在异常值，单次测量流速分布矢量数据存在随机起伏，通过一段时间的积累，采用上文中所述方法，提高流速稳定性，即可得到稳定的河流表面流速矢量场，如图17A和17B所示。

远端数据服务系统的智能数据处理软件将河流的距离-方位流速矢量数据、合成的河流当前流量数据及其他数据信息传递给河流监测数据显示软件，向用户同步显示当前河流的流速矢量场、合成流量数据、分段流速等信息。远端数据服务系统的智能数据处理软件同步将河流的距离-方位流速矢量数据、合成的河流当前流量数据及其他数据信息传递给河流数据服务软件，该软件根据水文数据处理模块，对河流监测雷达数据进行数据质控和水文专业计算，形成水文数据，在根据各个行业应用的数据处理模块，分别处理成符合农业、环保、国土资源等行业需要的服务产品，再通过门户网站向终端用户提供商业化服务，如图19-22所示。

通过多组试验数据对比分析，本发明的基于计算智能的河流表面流场精确测量雷达计算结果与实际人工测量结果一直，误差小于3%，本发明的设备测量结果精确可靠。

本发明集抗干扰手段、智能化处理技术、高分辨折线阵列角度分辨技术、模糊聚类技术和滤波降抖动技术于一体，硬件架构设计先进、安装方便快捷，软件设计采用目前各类智能技术，有效解决了传统设备存在的问题。相比于以往行业内应用在线式电波流速仪等的算术平均流量合成方式，面积加权流速处理后的流量合成，其数据计算过程更加严谨，并更加接近于水文人工的流量监测方法，其合成的流量结果与人工监测流量结果的一致性有显著提高。

试验结果表明：采用本发明的技术方案后，有效解决采用非接触式技术实现对河流水面流场、流速及流量的监测问题，可实现全天候、连续、自动作业，特别对传统技术难以完成的高浑浊度水域、极浅水域的流速流量实现准确测量。

本发明具备智能化、自动化的河道监测，具备抗干扰能力，并能形成河道稳定的流速矢量场分布。设备可安装在人口稠密城市，也可安装在偏远地区的河岸，可直接在岸上完成测量，也可在汽车上移动测量，还可以安装在具有干扰信号存在的环境之中，并通过远端数据服务平台，方便实现监测河道信息的实时监测，这些优点是目前使用的传统测流设备所无法比拟的。

本发明测设架设简单，维护成本较低，具有测量精度高、实时性好、可实现无人值守等优点，具有其他设备无可比拟的优势。采用本发明则可以精确快速地测量大江大河的流速和流量，对于水利规划、除险加固、大江大河的治理和抗洪救灾至关重要，对国家水文建设具有重大的意义。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。