臺灣博碩士論文加值系統

本論文整合一24GHz都卜勒連續波雷達(Continuous Wave Radar)進行明渠流速觀測與量測應用分析研究。此雷達波流速儀為利用都卜勒效應，以非接觸式的方式測量水體表面流速的一種儀器。其運作原理是以連續波雷達對移動目標物體發射固定頻率之微波信號，因目標物體與雷達具有迫近或遠離的相對速度，雷達透過一高指向窄波束天線接收發射波信號與反射回波信號，再由一高速信號處理器快速地分析其都卜勒效應頻移(Doppler Frequency Shift)以計算流速，得知目標物體平均速度與速度變化數據。同時，此系統運用鎖相迴路以及迴路濾波器(Loop filter)的設計，改善控制電壓使壓控震盪器有穩定的輸出頻率，並將頻率合成器與壓控震盪器結合，形成完整的相位鎖相迴路(PLL)。此一雷達系統設計將天線、電子電路與機構組件整合在一個水密、防腐蝕之結構體，最後實現一具有高穩定度之先進水文雷達系統。
最後為了驗證此雷達系統實際上運用的結果，並選定於「桃園石門大圳」、「桃園三坑清水公園水道」、及「新竹昌惠大橋」等戶外場地，執行不同水文型態、環境之運作試驗。另外，也與浮標法和手持式雷達波測速槍儀器進行比較測試。本系統量測結果與理論推算非常接近，可有效準確量測水體表面流速，在水面波紋狀況良好下，量測範圍為0.3m/s ~30m/s，適用在高流速、高流量的環境下運作。

關鍵字：連續波雷達技術、微波雷達、非接觸式量測、自動化、流量觀測、表面流速

A 24 GHz Continuous Wave Radar has been developed in this thesis. This CW velocity radar is applied in the non-contact measurement of the surface flow velocity of bodies of water. The radar works on Doppler Shift Principle. Radar signals reflected by the moving surface of the water are used to determine the flow velocity of the irradiated surface. The radar receives the transmitted wave signal and the reflected echo signal through a directional-narrow-beam antenna, and then quickly analyzes the Doppler effect frequency shift by a high-speed signal processor to calculate the average speed and velocity data of the moving object. Moreover, this system uses a phase-locked loop and a loop filter design to improve the control voltage so that the voltage-controlled oscillator can output a stable frequency. Finally, we make use of a frequency synthesize to combine the frequency with the VCO and TCXO so that can achieve a complete phase- locked loop (PLL).
In order to verify the radar system, we chose three outdoor locations such as "Shi-men rural ditch", "San-keng Park ditch" and " Chang-hui Bridge" for field testing. Moreover, we also used floats and Stalker Pro II SVR (Handhole Surface Velocity Radar) to determine the surface velocity. Experiments indicate that the measurement results of this system are very close to the theory, which can effectively and accurately determine the surface velocity. This radar is suitable for flood events and the measurement range of this radar can be 0.3m/s ~30m/s in the case of good water ripple conditions(<3cm) .

Keywords: Continuous Wave Radar, Microwave Radar, Non-contact Measurement, Automation, Discharge Observation, Surface Velocity

目次
致謝辭 i
摘要 ii
Abstract iv
目次 vi
表目次 viii
圖目次 x
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3論文架構 3
第二章 文獻回顧 5
2.1雷達技術與分類 5
2.2雷達測速系統基本原理 6
2.3表面流速儀量測原理 8
2.4文獻探討 10
第三章 先進水文雷達系統架構 13
3.1系統整體架構 13
3.2天線模組 15
3.3射頻模組及鎖相迴路設計 18
3.4鎖相迴路 21
3.5處理器模組及中頻放大電路 22
3.6水平儀模組及通訊界面模組 26
3.7頻率解析計算 28
3.8水文雷達投射面積計算 30
第四章 硬體驗證實作及現地量測分析 32
4.1射頻模組功能試驗與驗證結果 32
4.2鎖相系統頻率漂移驗測 42
4.3戶外明渠現地測試 47
4.4 綜合分析 58
第五章 結論 63
參考文獻 64

 
表目次
表2.1-1雷達分類 5
表2.3-1雷達頻率產生布拉格散射之水面波長 9
表3.1-1先進水文流速雷達系統各組件名稱及功能 14
表3.2-1 UEI16-230210天線規格表 15
表3.2-2 port1波束寬度及增益表 16
表3.2-3 port2波束寬度及增益表 17
表3.5-1處理器規格 22
表3.5-2中頻實測增益 24
表3.8.1水文雷達投影面積比對表(以架設高度20M為例) 31
表4.1-1水文雷達全系統實測之中頻數據 37
表4.1-2微波暗箱全系統功能驗測結果 41
表4.3-1手持式微波雷達表面流速儀與水文雷達表面流速儀規格比較表 48
表4.3-2石門大圳No.1渡槽流速實測數據-順流 50
表4.3-3石門大圳No.1渡槽流速實測-逆流 50
表4.3-4石門大圳No.1渡槽設備量測距離 50
表4.3-5三坑生態公園人工渠道流速實測-逆流 52
表4.3-6三坑生態公園設備量測範圍規格表 52
表4.3-7 新竹橫山昌惠大橋流速實測-順流 53
表4.3-8新竹橫山昌惠大橋流速實測-逆流 54
表4.3-9新竹橫山昌惠大橋設備量測範圍規格表 54
表4.3-10石門大圳第二測試點流速實測-順流 56
表4.3-11石門大圳第二測試點試驗數據-逆流 57
表4.3-12石門大圳第二測試點設備量測範圍規格表 57
表4.4-1現地試驗列表 58

 
圖目次
圖1.3-1研究流程圖 4
圖2.2-1雷達偵測速度的基本原理 7
圖2.2-2單頻連續波的目標偵測與頻譜分析 7
圖2.3-1雷達波入射水面造成之布拉格散射現象 8
圖3.1-1先進水文雷達系統架構 14
圖3.2-1 port1輻射方向圖 16
圖3.2-2 port2輻射方向圖 17
圖3.3-1射頻收發模組及PLL鎖相迴路方塊圖 19
圖3.3-2射頻收發模組微波電路板實體圖 19
圖3.3-3 I&Q Mixer功能圖 20
圖3.4-1頻率合成器架構之鎖相迴路方塊圖 21
圖3.4-2具有數位訊號處理器控制之鎖相迴路方塊圖 21
圖3.5-1處理器腳位圖 22
圖3.5-2微處理器模組實體 23
圖3.5-3中頻放大電路 23
圖3.5-4中頻電路之頻率響應模擬圖 25
圖3.5-5中頻之頻率響應實測結果 25
圖3.6-1水平儀與處理器工作架構圖 26
圖3.6-2水文雷達之垂直俯角與水流夾角誤差修正示意圖 27
圖3.6-3實體圖 (a)水平儀(b)通訊界面模組 27
圖3.7-1 40Hz都卜勒頻率時域及頻域圖 29
圖3.8-1天線輻射場型投影區域圖 30
圖4.1-1射頻模組測試架設圖 33
圖4.1-2量測頻寬在1GHz時鎖相後的頻率輸出 33
圖4.1-3量測頻寬在10KHz時鎖相後的頻率輸出 34
圖4.1-4射頻模組接收驗證測試架設圖 35
圖4.1-5射頻模組接收驗證測試流程圖 35
圖4.1-6訊號產生器設定 36
圖4.1-7都卜勒頻率1.5KHz經中頻電路處理之訊號 36
圖4.1-8水文雷達全系統實測之中頻頻率響應 37
圖4.1-9微波暗箱驗證水文雷達系方塊圖 38
圖4.1-10微波暗箱全系統驗證示意圖 39
圖4.1-11微波測速暗箱模擬測試系統 39
圖4.1-12混波器天線發射端與水文雷達測試架設 40
圖4.1-13模擬都卜勒頻率與解算流速關係曲線 41
圖4.2-1 PLL(鎖相迴路系統)功能測試架設圖 42
圖4.2-2量測頻寬1GHz之鎖相測試 43
圖4.2-3量測頻寬1MHz之鎖相測試 43
圖4.2-4量測頻寬100KHz之鎖相測試 43
圖4.2-5水文雷達升溫頻漂測試架設圖 44
圖4.2-6水文雷達鎖相迴路系統升溫測試 46
圖4.3-1表面速儀照片 48
圖4.3-2石門大圳No.1渡槽順流場景照 49
圖4.3-3石門大圳No.1渡槽現場測試照 49
圖4.3-4三坑生態公園人工渠道現場測試照 51
圖4.3-5新竹橫山昌惠大橋現場測試照 53
圖4.3-6石門大圳第二測試點設備架設 55
圖4.3-7石門大圳第二測試點現場測試照 56
圖4.4-1三坑生態公園流速綜合分析圖 59
圖4.4-2石門大圳渡槽流速綜合分析圖 60
圖4.4-3昌惠大橋流速綜合分析圖 61
圖4.4-4石門大圳第二測試點流速綜合分析圖 62

參考文獻
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