1、引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷加大，受城市熱島、極端天氣的影響，臺(tái)風(fēng)、暴雨，特別是局地強(qiáng)暴雨時(shí)有發(fā)生，城市容易產(chǎn)生內(nèi)澇從而引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)城市地下管網(wǎng)水位精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)城市洪澇監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)與應(yīng)急響應(yīng)必不可少的技術(shù)支撐手段，而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下管網(wǎng)水位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器就必須采用非接觸式測(cè)量方式部署在地下管網(wǎng)檢修井中長(zhǎng)期無(wú)人值守工作，工作環(huán)境密閉且監(jiān)測(cè)空間小則要求儀器的測(cè)量盲區(qū)小、通信通暢。但市場(chǎng)上已有的同類產(chǎn)品存在以下缺點(diǎn)：一、存在較大的盲區(qū)，水位測(cè)量精度無(wú)法滿足流量推算要求；二是功耗大，不能滿足長(zhǎng)期無(wú)人值守監(jiān)測(cè)的要求；三是通信方式基本都是基于GPRS方式，在密閉工作環(huán)境下通信可靠性差。
因此應(yīng)用先進(jìn)的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)波測(cè)量技術(shù)和聚焦透鏡技術(shù)研制一款高精度的雷達(dá)液位監(jiān)測(cè)裝置解決城市地下管網(wǎng)水位精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)問(wèn)題和提升城市洪澇監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)與應(yīng)急響應(yīng)能力方面具有重要意義。
2、總體結(jié)構(gòu)
在分析調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)的工作原理基礎(chǔ)上,選用鋸齒波作為雷達(dá)輸入的調(diào)制信號(hào)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一方面采用高度集成一體化設(shè)計(jì)理念，滿足一體化雷達(dá)液位監(jiān)測(cè)裝置在城市地下管網(wǎng)窨井內(nèi)或灌區(qū)測(cè)橋下應(yīng)用要求，另一方面通過(guò)應(yīng)用聚焦透鏡，縮小120GHz毫米波的波束角，提高測(cè)量精度。其設(shè)計(jì)原理圖如圖1。
3、研制方案
一體化雷達(dá)液位監(jiān)測(cè)裝置在結(jié)構(gòu)上主要分為數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集部分雷達(dá)傳感器主要由120G毫米波收發(fā)模塊和聚焦透鏡組成，該部分功能是通過(guò)直接采用商業(yè)化的120G毫米波收發(fā)芯片和自主設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，聚焦透鏡設(shè)計(jì)則采用對(duì)雷達(dá)波束角度做3D仿真來(lái)得到滿足要求的機(jī)械加工尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4、設(shè)備設(shè)計(jì)指標(biāo)
（1）水位量程：5m；
（2）雷達(dá)波束角：4°；
（3）雷達(dá)傳感器工作頻率:120G～126G；
（4）雷達(dá)傳感器掃頻帶寬：6G；
（5）雷達(dá)傳感器調(diào)制周期：10ms；
（6）水位測(cè)量精度：全量程±3mm；
（7）盲區(qū)：0.06m；
（8）工作溫度：-25℃～+60℃；
（9）功耗：值守電流≤20μA (@7.2VDC)；
（10）通信方式：支持 GPRS 和 NB-IoT；
（11）適用范圍：城市地下管網(wǎng)窨井內(nèi)或灌區(qū)測(cè)橋下。
