具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，如图1、2所示，包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，具体的测量端挂载于无人机下方，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS (全球定位系统)模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电。所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，数据接收平台为电脑或者工控机，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：

所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号。处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收 GPS信号和流速并存储。

如图6所示，所述处理器采用Arduino nano处理器，数据在Arduino上综合处理，所述Arduino nano处理器的VIN引脚、陀螺仪的VCC引脚、GPS模块的VCC引脚、无线通信模块一的VCC 引脚分别与电源模块的5v电源接头连接，所述Arduino nano处理器的GND引脚、RESET引脚接地，所述Arduino nano处理器的D1/TX引脚与陀螺仪的RX引脚连接，所述Arduino nano处理器的D0/RX引脚与陀螺仪的TX引脚连接，所述Arduino nano处理器的D2引脚与无线通信模块一的RXD引脚连接，无线通信模块一的GND引脚接地，所述Arduinonano处理器的D3引脚与无线通信模块一的TXD引脚连接，所述Arduino nano处理器的D5引脚与GPS模块的TXD引脚连接，GPS模块的GND引脚接地，所述Arduino nano处理器的D7引脚与电平转换器的TXD引脚连接，电平转换器的RXD引脚连接与雷达的TXD引脚连接，雷达的VIN引脚与电源模块的12v 电源接头连接，电平转换器的VIN引脚与电源模块的3.3v电源接头连接。

优选的：所述。

一种以无人机为载体的雷达流速测量方法，如图3所示，包括以下步骤：

流向校准阶段：将系统置于岸边，使系统朝向与河流流向相同。将陀螺仪Z轴方向(即雷达测速方向)置为1，XY方向置为0。如图4所示，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X₁,Y₁,Z₁)。具体计算为：

X₁＝1×(sinθ_x×sinθ_z+cosθ_x×cosθ_z×sinθ_y)

Y₁＝1×(sinθ_z×sinθ_y×cosθ_x-cosθ_z×sinθ_x)

Z₁＝1×cosθ_x×cosθ_y

其中，θ_xθ_yθ_z为陀螺仪测得的三轴欧拉角。

对X₁Y₁使用arctan函数，得到雷达测流方向在水平面上的投影(与河流流向相同)与正东方向的夹角θ₁。

测量准备阶段：由于测量条件为无人机悬停，故在飞行过程中无法一直保持测量。本系统使用GPS模块来判断其是否在测量状态，当速度高于阈值时，对GPS测量的速度不断积分，得到无人机前进的距离；当速度低于阈值时，进入测量阶段，将测得并修正过的数据与无人机前进的距离发送至电脑端。

实际测量阶段：在空中悬停测量时，如图5所示，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角θ_xθ_yθ_z，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X₂,Y₂,Z₂)，变换公式与流向校准阶段中相同。对X₂Y₂使用arctan函数，得到此时雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ₂。对1÷Z₂使用arcsin函数，得到测流方向与水平面的夹角θ₃.。此时测量方向在水平面上的投影与校准阶段得到的河流流向夹角为θ₂-θ₁。可以求得水流在雷达波束方向上的速度v₀与实际流速v的比值β，

β＝cosθ₃×cos(θ₂-θ₁)

v＝v₀÷β

由于测量时系统会发生抖动，雷达测量值v_测与v₀并不会保持相等。系统的抖动具体可分为两方面——平动与转动。首先考虑系统的转动，计陀螺仪测得的三轴角速度为ω_x、ω_y、ω_z，雷达距水面距离为S。雷达波束与Z轴方向重合，故在水面处由转动引起的相对速度为ω_x× S、ω_y×S，速度方向与雷达波束方向垂直。又由于多普勒效应只与被测物体在雷达波束径向方向的速度有关，故转动并不会导致系统测量的误差。进行实验，将雷达固定，只做三轴方向的转动，速度测量结果始终为零，实验结果符合预期，故可忽略系统转动带来的影响。其次考虑系统的平动，计GPS测得的东北天三轴速度分别为v_x1、v_y1、v_z1，即系统在图5坐标系中三轴方向的速度。利用旋转矩阵得出雷达波束方向即陀螺仪Z轴方向上的速度v_z，由于坐标系为从东北天坐标系变换为陀螺仪坐标系，故计算时欧拉角与陀螺仪测得数据相反，表达式为:

v_z＝-v_x1×sin(-θ_y)+v_y1×cos(-θ_y)×sin(-θ_x)+v_z1×cos(-θ_x)×cos(-θ_y)

＝v_x1×sin(θ_y)-v_y1×cos(θ_y)×sin(θ_x)+v_z1×cos(θ_x)×cos(θ_y)

将v_z与雷达测量值v_测相加后得到水流在雷达波束方向上的速度v₀，计算得出实际流速v，

v＝v₀÷β＝(v_z+v_测)÷β

由于河流流速变化等问题，每一次测量的流速均会有所不同，故利用卡尔曼滤波算法对多次测量得到的实际流速v进行平滑处理，得到修正值v′保存在本地。当GPS模块测量的速度高于阈值时，将最近二十次修正后的v′取平均，到得最终的流速数据，将流速与当前移动距离通过无线通信模块发送至数据接收端，返回测量准备阶段。

测量结束阶段：测量准备阶段与实际测量阶段循环多次直至测量结束。测量结束时，测量端读取GPS测量的经纬度信息，传输至数据接收端，测量结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。