CN105607051A - 用于测定fmcw测距装置与目标之间距离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测定FMCW测距装置与目标之间距离(d)的方法，其中，若有效干扰波形已经可用，则从频域回波波形中去除该波形(步骤24)，之后分析该回波波形以测定目标的距离(d)(步骤26)。为获取或更新有效干扰波形，在每次测量发射(步骤20)后，将频域回波波形的低频部分存储为临时干扰波形(步骤22)。若目标并非处于测距装置的近距离，且有效干扰波形尚不可用，则将临时干扰波形存储为有效干扰波形(步骤30)。若有效干扰波形可用，则使用临时干扰波形更新有效干扰波形(步骤29)。若目标比近程更远，且有效干扰波形尚未可用，则在将临时干扰波形存储为有效干扰波形(步骤30)之前，首先对其进行质量检验(步骤32)。

Description

用于测定FMCW测距装置与目标之间距离的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测定FMCW(调频连续波)测距装置与目标之间距离的方法。
背景技术
传统的FMCW测距装置可基于声波或微波测距，常用于工业过程控制、工厂自动化或汽车应用中的距离测量或液位测量。
此处需对传输信号进行调制，使其周期性扫过预先确定的频率范围。接收到的信号包括来自被测物体和其他障碍物的回波信号部分，该信号与传输信号相混合，获得的频率差信号通过例如快速傅里叶变换(FFT)进行分析以得到频谱，其中回波表现为峰值。该频谱中的回波或峰值(也称为回波波形)可分离，也可重叠。最常用的响应回波识别技术依赖于功率谱密度(PSD)，通常由FFT计算得出，以估算响应频率，作为FFT-PSD频谱中的最大部分所对应的频率。
接收到的信号以及频域的回波波形，通常不只包括由目标反射引起的所期望的有用频率，也包括不需要的不同频率下的干扰部分，该干扰部分可由电子器件和天线内部反射所引起，也可由外部反射引起，例如在容器底部和容器支撑物上的反射。这些干扰部分使得确定其最邻近范围内的响应频率极其困难。因此，有必要尝试有效地抑制这些干扰部分。
DE4327333A1描述了在FMCW雷达液位装置频谱中消除干扰组分的一种方法。假定在被测液位上所述干扰组分频率恒定且独立。首先，在空容器中进行基准测量，以记录干扰组分。在随后的正常测量中，容器装入液体时，用测得的第一个干扰组分的强度协助校正所述记录的干扰组分，并从获得的单独的频谱中去除所述记录的干扰组分。
US6,810,342B1公开了一种类似的方法，还首先进行基准测量，以在没有目标的情况下记录干扰频率频谱。在随后的正常测量中，混合的所述频率差信号通过一组预先确定的等时间间隔采样点进行采样。记录的频谱的干扰频率用于从采样后的频率差信号中确定复振幅，该复振幅近似于由干扰频率引起的被采样信号的频谱面积。之后，将干扰频率产生的频谱从采样后的频率差信号中去除。
已知方法基于以下假设，即干扰频率具有几乎恒定、先验已知的频率，不随时间变化，但实践中通常并非如此。实际上，干扰频率可随温度、湿度等环境因素变化，也会随时间的推移而变化(例如由于测距装置的老化)，因此对干扰信号的了解尚且不足。此外，已知方法要求为在空气或空容器中的基准测量提供特殊的装置。
尤其地，当目标靠近测距装置或其天线时，接收到的信号与目标距离较远时的接收信号相比，存在严重失真，误差性能急剧降低。性能降低的原因之一是距离较短时存在巨大的干扰因子，通常称为衰荡。干扰的来源很复杂，包括测量系统内的强烈反射(RF输出、波导、压力分离、天线)，以及系统传输路径内部的频散。
已经知晓存在这些干扰，但尚不清楚其特性。当目标距离靠近时，接收到的信号包含与干扰频率相近的所期望的有用频率。这些信号相互混合，使得任何评估算法都难以精确计算目标的距离。因此，接近装置的区域经常形成空白区，规定的测量区域从测距装置天线外围一定距离(例如1米)处开始，否则该距离内的测量公差则会增加。
发明内容
因此，本发明的目标是从FMCW测距设备的频谱中有效去除这种近距离干扰。
因此，本发明的主题是测定FMCW测距装置与目标之间距离的方法，包括以下步骤：
-向所述目标发射传输信号，
-接收由传输信号的反射引起的接收信号，
-测定传输信号和接收信号的频率差信号，
-根据频率差信号计算频域回波波形，
-将回波波形的低频部分存储为临时干扰波形，
-若有效干扰波形已经可用，将有效干扰波形从回波波形中去除，
-分析回波波形或无干扰的回波波形，以测定目标的距离，并且
-若目标处于测距装置的近程，并且
-若有效干扰波形可用，
-返回至第一步，或者
-若有效干扰波形尚不可用，
-从回波波形中去除临时干扰波形，
-分析去除了临时干扰波形的回波波形，以再次测定目标的距离，
-若两次测定距离的结果之差在规定的公差内，将临时干扰波形存储为有效干扰波形，并且
-返回至第一步；或者
-若目标并不处于测距装置的近程，并且
-若有效干扰波形可用，
-使用临时干扰波形更新有效干扰波形，并且
-返回至第一步，或者
-若有效干扰波形尚不可用，
-将临时干扰波形存储为有效干扰波形，并且
-返回至第一步。
根据本发明提出的方法基于这样的理解，即近程干扰或衰荡(尽管频率非恒定)反而稳定或变化缓慢，并且可以及时跟踪。若掌握了该衰荡模式，就可将其从真实信号中移除，留下无干扰的信号，提高近程测距的性能。
从回波波形中提取干扰，而该回波波形获取自定时测量发射，并由传输信号和接收信号的频率差信号计算得到。干扰只集中于近程，对FMCW测距装置而言，对应低频范围。因此在频域计算回波波形，优选通过FFT，从而得到与频率对应的复值的数组。因此，可使用相同的FFT算法获取干扰波形并处理常规的回波波形。由于只有频域的低频前段部分包含干扰，因此存储干扰波形所需的内存很小，可以忽略不计。例如，如果所考虑的测距装置使用4K个FFT采样点存储回波波形，可能只需20个采样点存储干扰波形。
一旦确定了有效干扰波形，该波形便将从定时测量发射得到的回波波形中移除，之后对去除了干扰后的回波波形进行分析以确定目标的距离。分析回波波形以识别出被测物体的响应回波的方法不同。由于回波波形优选使用FFT算法计算，可以计算出回波波形的功率谱密度(PSD)，以将响应回波的频率估算为功率谱密度最大部分所对应的频率，并根据响应频率计算目标距离。
为确定有效干扰波形，将定时测量发射获取的每个干扰波形临时存储，并分析回波波形以测定目标的距离。若测定的距离远离测距装置，则可将临时存储的干扰波形存储为有效干扰波形，或者可更新已确定的有效干扰波形。有效干扰波形可直接更新为最新的临时存储的干扰波形，或者可通过滤波临时干扰波形来更新，例如，通过计算有效干扰波形和临时干扰波形的加权平均数。如果测量环境如预期迅速变化，而干扰随之迅速变化，则优选第一种实施方法。若环境变化缓慢，则第二种实现方法可提供更稳定的有效干扰波形，而且会获得时间取均值的好处。
测量开始时，若目标处于测距装置的近程，并且有效干扰波形尚未获得，如果临时干扰波形的品质可以接受，则可将其存储为有效干扰波形。如果回波波形去除临时干扰波形后计算出的目标距离与用原先的回波波形计算出的距离相同，且位于规定的公差内，则适用此操作。
根据本发明的方法可用于各种基于雷达或超声波的不同测距离应用，但优选用于基于雷达的液位测量，其中目标是容器或载体(例如大宗材料传送机)内材料的表面。
附图说明
下面将参考附图，其中通过举例示出了现有发明的优选实施方式，其中：
图1为FMCW测距装置的示意图，
图2和图3分别示出了频域的回波波形的同相信号部分和正交信号部分，
图4为示出本发明的方法的示例实施方式的步骤流程图，
图5为图4的流程图的子程序的流程图，以及
图6为使用和未使用根据本发明的方法而获得的回波波形的功率谱示例。
具体实施方式
图1示出了基于雷达的FMCW测距装置1的原理框图，该测距装置用于测量容器3中材料2的目标填充高度。装置1包含函数发生器4，该函数发生器驱动电压控制的微波振荡器5。振荡器5产生微波信号6，该信号根据线性(例如三角形或锯齿形)调制函数7进行频率调制，函数7由函数发生器4周期性生成。微波信号6通过环行器或定向耦合器8供应至天线9，天线9将该信号作为传输信号传送到容器3中材料2的目标表面10上。传送的信号6由表面10反射，经过一段与装置1或者其天线和表面10之间的距离成正比的传播时间后，被天线9接收为反射信号11。接收到的信号11由环行器或定向耦合器8引导进入混频器12，在混频器中信号11与微波信号6混合，用于解调。之后将混合的信号13送入评估单元14，优选地在滤波之后(未示出)，以消除高频干扰部分。
在接收信号11的传播时间内，由于传输信号6的频率调制，其频率发生了改变，因此传输信号6和接收信号11的频率不同。因此，混合后的信号或频率差信号13的频率与信号6和11的频率差相对应。因为传输信号6的频率调制随时间线性变化，所以混合信号13的频率与待测距离成正比例。在评估单元14中，对混合信号13进行FFT变换以获得频谱或回波波形，并进一步分析该频谱或回波波形以确定目标距离d并在输出端15输出该目标距离。
然而，距离测量受到某种自干扰，或所谓的衰荡的影响，该衰荡叠加到附近目标返回的有用回波上，从而影响了测距装置1的短距离检测性能。
图2和图3通过示例示出了分别在距离为5米、6米和7米的三次定时测量发射中测得的频域回波波形的同相信号部分16和正交信号部分17，测试环境相同，测试时间为20分钟内(因此环境变化可以忽略不计)。示图已进行了放大以缩小范围，可以观察到干扰18和19在三次测量中有很高的一致性(三次测量的时间和距离相差很远)。这种一致性验证了对于给定的装置1而言，在相同的测试环境中，干扰18和19保持不变，从而使得它们可以从回波波形中移除，因为无论目标距离远近，干扰18和19都不变。
图4为测定FMCW测距装置1与目标10之间距离所用方法的流程图。该方法包括通过向目标10发送传输信号6以进行定时测量发射，并由传输信号6和接收信号11确定频率差信号13，如步骤20所示。在示出的示例中，每次测量发射时间都与锯齿函数7(图1)的周期相一致。
下一步，对频率差信号13进行FFT变换以获得频谱或回波波形(图2、图3中的16和17)，如步骤21所示。结果得到FFT采样点的数组(例如4K个)。
随后，回波波形低频部分的前段(例如20个采样点)将被存储为临时干扰波形，如步骤22所示。
之后，在决策步骤23中，确定有效干扰波形是否已被找到。
若确定已找到，则将有效干扰波形从回波波形中去除，如步骤24所示。若未找到，则跳过步骤24。
下一步，对回波波形(或无干扰的回波波形)进行分析，首先计算回波波形的PSD，如步骤25所示，其次根据PSD估算响应频率，以使用响应频率计算目标距离d，如步骤26所示。
下一步，在决策步骤27中，确定目标10是否与测距装置1距离较远。
若确定距离较远，且有效干扰波形已经可用，如步骤28所示，则使用临时干扰波形更新有效干扰波形，如步骤29所示。之后，程序返回至第一步20，以进行另一次定时测量发射。上述更新过程可包括有效干扰波形和临时干扰波形的加权平均数的计算：
更新的_有效_干扰_波形＝A*有效_干扰_波形+(1-A)*临时_干扰_波形，
其中0<A<1。
若有效干扰波形尚未找到，则将临时干扰波形存储为有效干扰波形，如步骤30所示。如虚线38所示，可能包括质量检验(步骤32)，在下文详细解释。但是，由于目标10距离较远，因此回波波形中，目标回波和干扰很可能已经明显区分开，因此可以选择是否进行质检。
若目标10与测距装置1距离较近，且存在有效干扰波形，如步骤31所确定，则无需进行操作，程序返回第一步20，以进行另一次定时测量发射。
若目标10距离较近，且无有效干扰波形，则检查临时干扰波形的质量是否足够被存储为有效干扰波形，如步骤32所示。
图5为进行步骤32质量检验的子程序。首先，从回波波形中去除临时干扰波形，如步骤33所示。
其次，在步骤34中，对去除了临时干扰的回波波形，按照所描述的相同方法进行分析，并参照步骤26，以计算目标距离d*。
之后，在决定步骤35中，将步骤34计算出的目标距离d*与步骤26从原始回波波形计算出的距离d进行比较。若计算出的目标距离的差值|d*-d|在规定的公差范围内，则认为临时干扰波形的质量较好。
回到图4，如果临时干扰波形的质量被接受，如步骤35所认可，则程序继续到步骤30，并将临时干扰波形存储为有效干扰波形。若不接受临时干扰波形的质量，则程序返回第一步20，以进行另一次定时测量发射。
图6举例说明了使用根据本发明的方法获得的回波波形的功率谱36与未使用该方法获得的功率谱37的区别。显而易见，功率谱36前端的干扰已经去除，该功率谱具有明确限定的波峰区域的形状，以供进一步检测。这是提高精度的关键。

Claims (7)

1.一种用于测定FMCW(调频连续波)测距装置(1)与目标(10)之间距离(d)的方法，包括以下步骤：
-向所述目标(10)发射传输信号(6)，
-接收由所述传输信号(6)的反射引起的接收信号(11)，
-测定所述传输信号(6)和所述接收信号(11)的频率差信号(13)，
-根据所述频率差信号(13)计算频域回波波形(16、17)，
-将所述回波波形(16、17)的低频部分(18、19)存储为临时干扰波形，
-若有效干扰波形已经可用，则从所述回波波形(16、17)中去除该有效干扰波形，
-分析所述回波波形(16、17)或无干扰的回波波形，以测定所述目标(10)的距离(d)，并且，
-若所述目标(10)处于所述测距装置(1)的近程，并且
-若所述有效干扰波形可用，
-返回第一步，或者
-若所述有效干扰波形尚不可用，
-从所述回波波形(16、17)中去除所述临时干扰波形，
-分析去除了所述临时干扰波形后的回波波形，以再次测定所述目标(10)的距离(d*)，
-若对距离的两次测定结果(d、d*)的差在规定的公差之内，则将所述临时干扰波形存储为所述有效干扰波形，并且
-返回第一步；或者
-若所述目标(10)并不处于所述测距装置(1)的近程，并且
-若所述有效干扰波形可用，
-使用所述临时干扰波形更新所述有效干扰波形，并且
-返回第一步，或者
-若所述有效干扰波形尚不可用，
-将所述临时干扰波形存储为所述有效干扰波形，并且
-返回第一步。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该步骤之前：即若所述目标(10)并不处于所述测距装置(1)的近程且若所述有效干扰波形尚不可用，则将所述临时干扰波形存储为所述有效干扰波形，有以下中间步骤：
-从所述回波波形(16、17)中去除所述临时干扰波形，
-分析去除了所述临时干扰波形的回波波形，以再次测定所述目标(10)的距离(d*)，并且
-若对距离(d、d*)的两次测定结果之差在规定的公差之外，则返回至第一步。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过快速傅里叶变换(FFT)计算所述回波波形(16、17)，并计算为与频率对应的复值的数组。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用所述临时干扰波形更新所述有效干扰波形的步骤包括以下步骤：
-计算所述有效干扰波形和所述临时干扰波形的加权平均数，并且
-将结果存储为更新的有效干扰波形。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分析所述回波波形(16、17)以测定距离(d)的步骤包括：
-计算所述回波波形(16、17)的功率谱密度(36)以估算响应频率，作为与所述功率谱密度(36)的最大部分对应的频率，并且
-根据所述响应频率计算所述目标(10)的距离(d)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于液位测量的方法，其特征在于，所述目标是位于容器(3)中或载体上的材料(2)的表面(10)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用基于雷达的FMCW测距装置(1)。
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