CN103323837A - 一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法，属于调频连续波测距技术领域。本方法利用现有差频检测方法，根据差频与目标距离间的关系，计算出三个点以上的目标距离，拟合成曲线，结合与目标位置间的几何关系，求得目标近距离的距离信息以及脱靶量。本发明方法的距离分辨率不受限于调制频偏，使得在一些成本和体积受限而无法满足高调制频偏的场合，依然能够使用调频连续波测距得到准确的近距离信息以及脱靶量；计算量小，只需要测定少数距离点便可准确估算出测距盲区内的距离。

Description

一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法

技术领域

本发明涉及一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法，属于调频连续波测距技术领域。

背景技术

调频连续波测距系统在高度表、液位测量、防撞雷达、引信等领域有着广泛应用。在此类系统中，发射线性调频信号，射频信号在碰到目标后产生回波，由于回波信号滞后，回波信号频率和发射信号频率之间存在差频，该差频和目标距离之间存在固定关系，准确检测该差频即可准确测距。

目前差频检测方法一般采用快速傅里叶变换（FFT）算法，即选一种窗函数取一段差频信号做FFT，得到其频谱，选取幅值最大的谱线对应频点作为差频估计值，再根据差频和目标距离间的关系，计算出目标距离。

差频检测方法受限于调制频偏以及射频前端器件的影响，当发射机、接收机与目标距离较近时无法利用差频检测方法准确测距，存在测距盲区，而且差频检测方法在效果评估时无法测量脱靶量。

发明内容

本发明的目的是为解决传统调频连续波测距方法存在测距盲区和无法测量脱靶量的缺点，提出一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法，利用现有差频检测方法，根据差频与目标距离间的关系，计算出三个点以上的目标距离，拟合成曲线，结合与目标位置间的几何关系，求得目标近距离的距离信息以及脱靶量。具体步骤如下：

步骤一、将射频前端在一个观测点检测到的差频实信号变为差频复信号。

采用常规方法，例如在射频电路部分采用正交混频获得复信号，或是在模拟数字转换器(ADC)采样差频信号后，利用Hilbert变换获得复信号。

步骤二、进行规则区信号提取和复制。

具体方法有两种，第一种为：取步骤一得到的差频复信号中规则区内的部分，记为s₀(n)，

T₁为每个调制周期规则区的持续时间，Fs是采样频率。将s₀(n)复制N份(综合考虑期望的距离分辨率和系统的运算能力，选取N的值)，记为

$s\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{N-1}{s}_k\left(n\right),$ k=0,1,…,N-1。

第二种为：提取步骤一得到的差频复信号中连续N个调制周期规则区持续时间T₁内的部分，记为 $s\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{N-1}{s}_k\left(n\right),0\≤n\≤N_{T_1}-1,$ k=0,1,…,N-1。

步骤三、进行信号处理及拼接。

步骤3.1，用步骤二提取的N段信号的各段第一个数据s_k(0)除以前一段信号最后一个数据

其中，第一段第一个数据除以第N段的最后一个数据，形成循环数据链。由于各段信号均为复数，因此得到的相位差包含在 $s_k\left(0\right)/s_{k-1}(N_{T_1}-1)$ 的e指数上。

步骤3.2，将步骤二中第k段信号s_k(n)，

乘以后，与第(k-1)段信号s_k-1(n)无相位突变地拼接在一起。对N段信号均处理后，得到一段长时间的、无相位突变的正弦信号s'(n')，

$s^{\′}=\stackrel{N-1}{\mathrm{\Σ}}{s}_k\left(n\right){[s_k\left(0\right)/s_{k-1}(N_{t_1}-1)]}^{-k},0\≤n\≤N_{T_1}-1$

步骤四、对步骤三得到的s'做频谱分析，估计出其频率值。再根据差频和目标距离间的关系（不同的谐波点对应不同的距离），计算出从步骤一的观察点到目标的距离。

步骤五、多次改变步骤一中的观测点，每改变一次，重复步骤一至步骤三，得到K个观测点（K≥3，且任意两个观测点之间的距离相同）的距离信息为X=[x₁,x₂,…,x_K-1,x_K]，取相邻三个距离点x_i,x_i+1,x_i+2以距离为横轴，虚拟的目标位置为纵轴，拟合距离曲线。根据曲线与目标位置的几何关系计算脱靶量，并能推断出除参与绘制距离曲线的三个观察点x_i,x_i+1,x_i+2之外的其他位置与目标的距离信息。

依据第i个点距离计算的脱靶量为：

$h_i=x_i\sqrt{1-{\left(\cos {\mathrm{\φ}}_i\right)}^2}$

其中cosφ_i的值通过以下两个公式求得：

$\cos {\mathrm{\φ}}_i=\frac{{x_i}^2+r^2-{x_{i+1}}^2}{2x_{i}r}$

$\cos {\mathrm{\φ}}_i=\frac{x_i^2+{\left(2r\right)}^2-{x_{i+2}}^2}{2x_i\left(2r\right)}$

式中，φ_i为目标与拟合曲线方位角，r为相邻两个观测点间的距离。

对(K-2)个脱靶量值取平均，得到最终的脱靶量h：

$h=\frac{1}{K-2}\underset{i=1}{\overset{K-2}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i$

有益效果

本发明的调频连续波测距方法，其距离分辨率不受限于调制频偏，使得在一些成本和体积受限而无法满足高调制频偏的场合，依然能够使用调频连续波测距得到准确的近距离信息以及脱靶量。同时，计算量小，只需要测定少数距离点便可准确估算出测距盲区内的距离。

附图说明

图1为本发明的调频连续波测距方法流程图；

图2是具体实施方式中以锯齿波为例的线性调频连续波发射信号、回波信号和差频信号频率示意图；其中(a)中实线为发射信号频率，虚线为发射信号频率；(b)为差频信号频率f_b(t)，△F为调频频偏，f_c为载波频率，T_m为调制周期，τ为回波延时，T₁为差频信号规则区时间，T₂为差频信号不规则区时间；

图3是具体实施方式中拟合曲线与目标位置构成的几何关系示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明。

实施例1

调频连续波测距系统，锯齿波调制，调制频偏△F=100MHz，调制周期

按传统方法△R_min=c/2△F=1.5m。假设该系统测距范围2.5-5m，则回波延时τ=0-3.33×10^-8s，差频范围0-666.7KHz，不妨令Fs=40MHz。按照本发明所提出方法测距，具体步骤为：

步骤一、将差频实信号经过模拟数字采样后利用Hilbert变换得到复信号，取上述的差频复信号中规则区(图1中T₁)内的部分，记为s₀(n)，0≤n≤179。每个调制周期对应的数据点数T_mFs=200，前后各去除10个数据点，保证去除不规则区(因为τ_maxFs=1.33，不规则区大约包含2个数据点)。将其复制10份，即s(n)=[s₀(n),s₁(n),…,s₉(n)]，一共有1800个数据点。

也可以将步骤一中得到的差频复信号中连续的10个调制周期中T₁内的部分取出，也记为s(n)=[s₀(n),s₁(n),…,s₉(n)]。

步骤二、用每段信号第一个数据s_k(0)，k=0,1,…,9，除以前一段信号最后一个数据s_k-1(179)，因为都是复数，所以相位差会包含在s_k(0)/s_k-1(179)的e指数上。则该段信号s_k(n)，0≤n≤179，乘以s_k(0)/s_k-1(179)后，可以与前一段信号s_k-1(n)无相位突变地拼接在一起。对10段信号都做如此的处理，

s'={s₀(n),s₁(n)[s₁(0)/s₀(179)]^-1,…s_k(n)[s_k(0)/s_k-1(179)]^-k,…,s₉(n)[s₉(0)/s₉(179)]^-9}，

0≤n≤179

则s'(n')，0≤n'≤180×10-1近似为一段长时间的正弦信号，且其中无相位突变。

步骤三、对s'做FFT。再根据差频和目标距离间的关系，计算出目标距离。

下表是12个观察点测得的距离数据

距离/m

4.97

4.85

4.62

4.46

4.18

4.04

3.81

3.60

3.38

3.23

3.06

2.85

步骤四、依次取三个相邻距离点拟合出目标距离曲线，计算脱靶量，共得到10个脱靶量值，然后对他们求平均得到最终的脱靶量值为3.62m。

Claims (2)

1.一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法，其特征在于：具体包括如下步骤： 

步骤一、将射频前端在一个观测点检测到的差频实信号变为差频复信号； 

步骤二、进行规则区信号提取和复制； 

取步骤一得到的差频复信号中规则区内的部分，记为s₀(n)，

T₁为每个调制周期规则区的持续时间，Fs是采样频率；将s₀(n)复制N份，记为 

k=0,1,…,N-1； 

步骤三、进行信号处理及拼接； 

步骤3.1，用步骤二提取的N段信号的各段第一个数据s_k(0)除以前一段信号最后一个数据

其中，第一段第一个数据除以第N段的最后一个数据，形成循环数据链；由于各段信号均为复数，因此得到的相位差包含在 

的e指数上； 

步骤3.2，将步骤二中第k段信号s_k(n)，

乘以

后，与第(k-1)段信号s_k-1(n)无相位突变地拼接在一起；对N段信号均处理后，得到一段长时间的、无相位突变的正弦信号s'(n')，

步骤四、对步骤三得到的s'做频谱分析，估计出其频率值；再根据差频和目标距离间的关系（不同的谐波点对应不同的距离），计算出从步骤一的观察点到目标的距离； 

步骤五、多次改变步骤一中的观测点，任意两个观测点之间的距离相同，每改变一次，重复步骤一至步骤三，得到K个观测点的距离信息为X=[x₁,x₂,…,x_K-1,x_K]，K≥3，取相邻三个距离点x_i,x_i+1,x_i+2以距离为横轴，虚拟的目标位置为纵轴，拟合距离曲线；根据曲线与目标位置的几何关系计算脱靶量，并能推断出除参与绘制距离曲线的三个观察点x_i,x_i+1,x_i+2之外的其他位置与目标的距离信息； 

依据第i个点距离计算的脱靶量为： 

其中cosφ_i的值通过以下两个公式求得： 

式中，φ_i为目标与拟合曲线方位角，r为相邻两个观测点间的距离； 

对(K-2)个脱靶量值取平均，得到最终的脱靶量h： 

。

2.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的调频连续波测距方法，其特征在于：对规则区信号提取和复制的方法还能为：提取步骤一得到的差频复信号中连续N个调制周期规则区持续时间T₁内的部分，记为

k=0,1,…,N-1。 

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