CN101666874A - 一种fmcw雷达测距精确校正的测量装置与补偿校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于FMCW雷达测量技术领域，具体涉及一种FMCW雷达测距精确校正的测量装置与补偿校正方法。其特征在于测量装置包括：回波信号处理模块(1)，提取峰值模块(2)，高精度相位差补偿模块(3)，频率距离转换模块(4)，显示模块(5)；回波信号接收模块(1)接收高频回波信号，对高频发射信号，经过混频处理，得到0kHz－200kHz的中频信号，并通过阈值曲线设立，去除干扰和滤除其他信号，锁定出频域峰值信号，由DSP的信号处理单元，记录所有数据并存储在数据存储单元内，由DSP提取记录信号，对数据进行改进的高精度相位差补偿计算，将频率转换成距离并在模块(4)(5)上显示。本发明保留了传统相位差法的优点，在平均只增加25％运算量的前提下，提高了频谱的计算精度。

Description

一种FMCW雷达测距精确校正的测量装置与补偿校正方法

技术领域

本发明属于FMCW雷达测量技术领域，具体涉及一种FMCW雷达测距精确校正的测量装置与补偿校正方法。

背景技术

根据FMCW雷达测距原理，微波装置发射调频连续波，发射信号与回波信号混频输出的差拍信号，在理想情况下为一正弦信号，其频率f与被测距离R成正比，可表示为f＝2RB/cT，即距离测量的相对误差与频率测量的相对误差相同。

信号处理的主要目的就是精确获取此差拍信号的频率，从而求出被测距离。通常相位法获取信号频率方法：如S.A.Tretter提出了单频信号的频率可以通过采样序列的相位信息评估。

中国专利CN200610129444.0《全相位时移相位差频谱校正法》采用了全相位FFT频谱分析方法，分析了两个存在延时关系的序列频谱，再用时域相位差法对两次相位谱分析的结果进行校正。

中国专利CN200420028959.8《全相位FFT频谱分析装置》提出一种防止频谱泄漏的全相位FFT频谱分析法。该方法具有良好的相位特性，能够根据主谱线的相位谱分析结果，无需校正获得相位估计。但全相位FFT频谱分析法校正精度较低，无噪声时全相位法频率校正误差小于10^-7Δf，低噪声时频率校正误差为10^-4～10^-5Δf。高噪声时频率校正误差达到10^-4Δf。

美国专利US6040898《FMCW Distance Measurement Process》通过发射波与接收波信号之间相位差与时间的关系函数，单独评估与原始频率相对应的分数(fraction)部分，评估与调制时间函数相应的交互分数(fraction)部分，最后得出与距离成比例关系的发射波与接收波之间的时间延时量，通过该延时量得到最后的频率值。这种方法使用了脉冲压缩、编码脉冲技术，最合适的测量距离为1500米。相似的专利US7317659《Measurement of air characteristics in the lower atmosphere》，也涉及到相位差处理的FFT算法。

美国专利US7481106《Non-invasive method for detecting andmeasuring filling material in vessels》使用近距离液位测量技术(CRMP)，远距离液位测量技术(LRMP)联合的方法评估被测液位。

美国专利US7271761 B2《Distance calculating Method and System》首先预定一个最大距离值，然后使用被测频率与预定好的时间常量做比值。该系统分为三个单元：混频单元，扫频单元，求值单元。混频单元作用是获得差频信号；扫频单元作用是扫描底部和被测频率之间的差频信号；求值单元是使用被测频率与预定好的时间常量之间的比值求取最后的距离。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种改进加权补偿校正相位差法的高精度回波距离测量装置，该装置能高精度的测量信号频率，并获得距离信息。

本发明提出一种使用频谱最大值和频谱次大值的改进加权补偿校正相位差法的高精度距离测量装置，它包括5个部分：回波信号处理模块1，提取峰值模块2，高精度相位差补偿模块3，频率距离转换模块4，显示模块5。回波信号接收模块1接收高频回波信号，对如5.6GHz，10GHz，26GHz，96GHz的高频发射信号，经过混频处理，得到0KHz-200KHz的中频信号，并通过阈值曲线设立，去除干扰和滤除其他信号，锁定出频域峰值信号2，由DSP的信号处理单元，记录所有数据并存储在数据存储单元内，由DSP提取记录信号，对数据进行改进的高精度相位差补偿计算3，将频率转换成距离并在频率距离转换模块4、显示模块5上显示。

其中核心高精度相位差补偿模块3是利用频谱幅值次大值的相位差，修正普通的相位差计算结果，并对校正精度不理想的频率段进行了窗函数的校准。

采用的技术方案是：

(1)回波信号接收模块接收中频回波信号，并通过阈值曲线设立提取回波的频域的峰值，在DSP的信号处理单元中，设计了一种改进的高精度相位差补偿模块，将频率转换成距离并显示。

(2)按照传统的相位差法，在DSP中使用频谱最大值和频谱次大值计算得到各自的频率校正值；

(3)由频谱谱线校正量计算出来的加权值，按照公式，计算得出频率校正结果：

$f_J=\frac{f*\mathrm{\Δ}+f^{\′}}{\mathrm{\Δ}+1}$

公式中f_J是加权补偿校正后得到的频率值，f是在传统方法相位差法中使用频谱最大值得到的校正频率值，f是在传统方法相位差法中使用频谱次大值得到的校正频率值，Δ是加权校正量。

(4)判断校正后的频率是否位于频谱谱线左右10％范围内，如果不在该范围内则该结果即为最终校正结果，如果位于10％范围之内时，则对被采样信号加Hanning窗，再次使用该方法进行计算，得到最终校正频率。

本发明保留了传统相位差法的优点，在平均只增加25％运算量的前提下，提高了频谱的计算精度。

研究结果显示，该装置对30dB信噪比信号的距离测量均方根误差小于0.12mm，对20dB信噪比信号的距离测量均方根误差小于0.15mm，对10dB信噪比信号的距离测量均方根误差小于0.225mm。

附图说明

图1是FMCW雷达改进的高精度测距装置流程图；

图2是一种改进的相位差补偿校正算法流程图；

图3是无噪声使用Hanning窗与矩形窗频率补偿校正误差；

图4是30dB高斯白噪声下使用Hanning窗与矩形窗频率补偿校正误差；

图5是图4中谱线附近的局部放大图；

图6是不同信噪比的频率校正误差。

具体实施方式

下面结合附图1进一步说明本发明的实施例，其中改进的高精度测距装置包括：回波信号处理模块1，提取峰值模块2，高精度相位差补偿模块3，频率距离转换模块4，显示模块5。

回波信号接收模块1接收高频回波信号，对如5.6GHz，10GHz，26GHz，96GHz的高频发射信号，经过混频处理，得到0KHz-200KHz的中频信号，并通过阈值曲线设立，去除干扰和滤除其他信号，锁定出频域峰值信号2，由DSP的信号处理单元，记录所有数据并存储在数据存储单元内，由DSP提取记录信号，对数据进行改进的高精度相位差补偿计算3，其计算方法如图2。将频率转换成距离并显示4、5。

传统相位差法过程如下：

时域上对被采样信号x(t)加对称窗，对称窗函数记为w_T(t)，由频域卷积定理得加窗后的相位为：

φ₁＝θ-πT(f₁-f₀)＝θ-πTΔf                               (1)

式中θ、f₀分别是x(t)的初相位及真实频率值，φ₁、f₁分别是第一段采样信号FFT后频谱最大值的相位及对应的频率值，T为采样周期，Δf为频率误差，也是频率校正量。

将x(t)向左平移μ₁T，得x₀(t)，对x₀(t)·w_T(t)作FFT分析得：

φ₂＝θ+2π(f₁-Δf)μ₁T-π(f2-f1+Δf)μ2T                   (2)

式中φ₂、f₂分别是第两段被采样信号FFT后频谱最大值的相位及对应的频率值，μ₁是第二段被采样信号相对于第一段被采样信号向左平移相对量，μ₂为一个(0，1]区间内的值。

式1-式2，整理得

Δφ＝φ₁-φ₂＝πμ₂T(f₂-f₁)-2πμ₁Tf₁+(2μ₁+μ₂-1)πTΔf        (3)

式中Δφ是两个频谱最大处相位的相位差。整理上式得

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\φ}+2\mathrm{\π}{f}_1{\mathrm{\μ}}_{1}T-{\mathrm{\π\μ}}_{2}T(f_2-f_1)}{({\mathrm{\μ}}_2+2{\mathrm{\μ}}_1-1)\mathrm{\πT}}---\left(4\right)$

经过仿真研究，当μ₁取0.5或1、μ₂取1时，得到的Δf、Δf′较为精确，所以现在取μ₁＝0.5、μ₂＝1，代入式4得

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{\mathrm{\πT}}---\left(5\right)$

最后使用Δf，经过计算得到校正后的频率，具体的校正公式如下：

f＝f₁+Δf                       (6)

式中，f表示使用频谱最大值得到的频率校正结果。

使用同样方法，可以推出使用频谱次大值进行频率校正时的谱线号校正量

$\mathrm{\Δ}{f}^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}^{\′}}{\mathrm{\πT}}---\left(7\right)$

f′＝f₁+Δf′                 (8)

式中，Δf′表示次大值频谱校正量，f′表示使用频谱次大值得到的频率校正结果。

经过研究发现：使用次大值得到的频率校正误差与使用最大值得到的频率校正误差符号相反，并且有下面规律：

式中Δk为频谱谱线校正量，取值范围是[-0.5，0.5]，即次大值频率校正误差与最大值频率校正误差比值的绝对值符合

曲线，x∈[0，0.5]。

因此，提出以下改进方法。

记

则Δ可以作为使用频谱最大值得到的校正结果与使用频谱次大值得到的校正结果之间使用加权方法校正得到最终结果的加权值，具体加权公式为：

$f_J=\frac{f*\mathrm{\Δ}+f^{\′}}{\mathrm{\Δ}+1}---\left(10\right)$

式中f_J表示加权以后得到的校正频率。

频谱次大值频率校正误差与频谱最大值频率校正误差符号相反，并且它们比值的绝对值符合

曲线，x∈[0，0.5]。

根据这两点确定加权校正的方法，并给出了加权值的计算方法，这是本发明的关键所在。

在实际应用中，发现当实际频率落在频谱谱线左右5％范围内得到的频率校正误差达到1Hz，均方根误差达到2.32Hz，随机误差最大会达到10Hz，远远高于其余范围内平均误差0.05Hz，均方根误差0.08Hz的水平。这是由于以上算法中使用的窗函数都是矩形窗，由于矩形窗本身具有最大边瓣峰值和最慢的边瓣衰减速度两大缺点，导致该段范围内误差较大。

针对这两个缺点，本发明进行了如下改进，在频谱谱线左右5％范围内，对被采样信号加Hanning窗。具体实现方法如下：判断经过第一次补偿校正后的频率是否位于频谱谱线左右10％范围内，如果不在该范围内则该频率校正结果即为最终的频率校正值，如果位于10％范围之内时，则对被采样信号加Hanning窗，再次使用该方法计算得到校正频率，并作为最终的频率校正值。

在相同的条件下，使用Hanning窗对被测信号进行计算仿真，并与使用矩形窗的校正结果相比较，如图2和图3所示，其中图2为对无噪声信号使用Hanning窗与矩形窗频率补偿校正误差，图3为对叠加30dB高斯白噪声信号使用Hanning窗与矩形窗频率补偿校正误差，图4为图3中谱线两侧的局部图。

分析图2发现：无噪声时，前50Hz使用Hanning窗和矩形窗的效果都很好，但是在后50Hz使用Hanning窗得到的校正误差明显大于使用矩形窗的结果。

通过图2、图3发现，在加矩形窗频率校正结果不理想的范围内，即在频谱谱线左右5％的范围内，由于Hanning窗主瓣较宽且边瓣能量小，可以保证频谱次大值也位于主瓣内，得到的频率校正结果明显好于矩形窗的校正结果。而在频谱谱线左右5％的范围外，由于矩形窗主瓣较窄，其计算精度要好于加Hanning窗的校正精度。

在实际计算过程中，考虑到噪声的影响，将上面的5％范围扩大到10％，即：经过第一次补偿校正后的频率结果如果落在频谱谱线左右10％的范围内时，舍弃计算结果，对原被采样信号加Hanning窗后，重新使用补偿校正算法计算一遍，得到最后的频率校正结果。改进后的算法流程如图1所示。

实验采用Matlab7.0，采样频率102.4kHz，故理论上可以估算的频率范围为0～51.2kHz，对应于0～76.8m。仿真结果的误差与信噪比的关系如图5。图中每个点的数据计算方法为在相同信噪比情况下，在0.15kHz～0.25kHz，1kHz～1.1kHz，5kHz～5.1kHz，10kHz～10.1kHz，15kHz～15.1kHz，20kHz～20.1kHz，25kHz～25.1kHz，30kHz～30.1kHz，35kHz～35.1kHz，40kHz～40.1kHz，45kHz～45.1kHz，50kHz～50.1kHz频率范围内，各选取11个频率点，对这些平均误差取平均值。

分析图5可以看出，在高斯白噪声情况下，高信噪比情况下误差不超过0.1mm，低信噪比情况下误差不超过0.15mm。现将本算法的校正结果换算为距离，并与补零FFT相位差法、CZT方法、基于FFT的快速频率估计算法相比，结果见表1。

表1各种算法测量误差对比

从表1中数据可以看到，本发明采用一种改进的高精度相位差补偿计算装置，在均方根误差接近的情况下，相对误差比传统的三种方法相对误差都有减小。

本装置的发明，对实现高精度近距离测量，提供了一种新的装置和方法。上述实例测距为0-76.8米，对于0-51.2KHz，但上述方法不仅限于0-51.2KHz或者0-200KHz的测量范围，其他更大范围的测量，或者灵活设置的频率范围，其采用的方法和装置，也落于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种FMCW雷达测距精确校正的测量装置，其特征在于测量装置包括：回波信号处理模块(1)，提取峰值模块(2)，高精度相位差补偿模块(3)，频率距离转换模块(4)，显示模块(5)；回波信号接收模块(1)接收高频回波信号，对如5.6GHz，10GHz，26GHz，96GHz的高频发射信号，经过混频处理，得到0KHz-200KHz的中频信号，并通过阈值曲线设立，去除干扰和滤除其他信号，锁定出频域峰值信号(2)，由DSP的信号处理单元，记录所有数据并存储在数据存储单元内，由DSP提取记录信号，对数据进行改进的高精度相位差补偿计算(3)，将频率转换成距离并在频率距离转换模块(4)、显示模块(5)显示。

2.如权利要求1所述测量装置，其特征在于高精度相位差补偿计算(3)是利用频谱幅值次大值的相位差，修正普通的相位差计算结果，并对校正精度不理想的频率段进行了窗函数的校准；采用的技术方案是：

(1)回波信号接收模块接收中频回波信号，并通过阈值曲线设立提取回波的频域的峰值，在DSP的信号处理单元中，设计了一种改进的高精度相位差补偿模块，将频率转换成距离并显示；

(2)按照传统的相位差法，在DSP中使用频谱最大值和频谱次大值计算得到各自的频率校正值；

(3)由频谱谱线校正量计算出来的加权值，按照公式，计算得出频率校正结果：

$f_J=\frac{f*\mathrm{\Δ}+f^{\′}}{\mathrm{\Δ}+1}$

公式中f_J是加权补偿校正后得到的频率值，f是在传统方法相位差法中使用频谱最大值得到的校正频率值，f′是在传统方法相位差法中使用频谱次大值得到的校正频率值，Δ是加权校正量；

(4)判断校正后频率是否位于频谱谱线左右10％范围内，如果不在该范围内则该结果即为最终校正结果，如果位于10％范围之内时，则对被采样信号加Hanning窗，再次使用该方法进行计算，得到最终校正频率。

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