CN105675083A - 一种带有频率细化插值的高精度液位测量方法 - Google Patents

一种带有频率细化插值的高精度液位测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带有频率细化插值的高精度液位测量方法，包括以下步骤：对由回波信号和发射信号相减得到的差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号的功率谱；找到所述差频信号功率谱的峰值点，再在峰值点的相邻两点中找到幅度较大的点记为次大值点；以差频信号功率谱的峰值点和次大值点所对应的频率为起始边界点，确定一个初始搜索范围，在确定的初始搜索范围的中点位置进行频率插值，将边界点和中点作为一组频率插值点，计算每组频率插值点所对应的离散傅里叶变换结果，找出每组离散傅里叶变换结果中幅度值最大的两个点所对应的频率作为新的边界点，构成新的搜索范围，在新的搜索范围中继续进行频率插值。

Description

一种带有频率细化插值的高精度液位测量方法
技术领域
本发明属于液位计雷达领域，涉及一种基于频率细化插值的线性调频连续波雷达高精度液位距离测量方法。
背景技术
线性调频连续波雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得目标的距离与速度信息的雷达体制，其发射信号的频率在一个调频周期内线性变化，调频周期远远大于雷达最大作用距离所对应的回波延时。由于接收到的回波信号相对发射信号存在时间延迟，当雷达与目标相对静止时，回波信号与发射信号对应的本振频率之间的频率差即为因距离延迟产生的频率差。线性调频连续波雷达即是通过对回波信号与发射信号之间的频率差进行测量，然后利用回波信号与发射信号之间的频率差与目标距离之间的关系实现对目标距离的测量。
因此，线性调频连续波雷达的测距精度取决于雷达对回波信号与发射信号之间的频率差的测频精度。当雷达参数一定的情况下，测频精度由发射信号的调频带宽决定，发射信号的调频带宽越大，测频精度越高。但是，由于受到计算能力和硬件条件等的限制，液位计雷达并不能无限地提高发射信号的调频带宽。因此现有的方法提高液位计雷达测距精度的能力十分有限，远不能达到1mm的水平。
发明内容
提供一种基于频率插值的线性调频连续波液位计雷达高精度液位距离测量方法，通过使用频率插值方法对回波信号与发射信号之间的频率差进行高精度估计，达到提高液位计雷达测距精度的目的。
本发明提供了一种带有频率细化插值的高精度液位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
对由回波信号和发射信号相减得到的差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号的功率谱；
找到所述差频信号功率谱的峰值点，再在峰值点的相邻两点中找到幅度较大的点记为次大值点；
以差频信号功率谱的峰值点和次大值点所对应的频率为起始边界点，确定一个初始搜索范围，在确定的初始搜索范围的中点位置进行频率插值，将边界点和中点作为一组频率插值点，计算每组频率插值点所对应的离散傅里叶变换结果，找出每组离散傅里叶变换结果中幅度值最大的两个点所对应的频率作为新的边界点，构成新的搜索范围，在新的搜索范围中继续进行频率插值；
当新的搜索范围的频率插值点中的边界点所对应的离散傅里叶变换结果相等时，所找到的新的搜索范围的频率插值点中的中点所对应的频率即为差频信号中心频率所对应的最优频谱分量；
最后使用所述的最优频谱分量计算出对应的高精度液位距离。
提供了一种高精度液位测量方法，通过频率插值对回波信号与发射信号之间的频率差进行高精度估计，可以将液位计雷达的液位距离测量精度提高到1mm。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式对本发明做进一步的说明。
对某型液位计雷达进行高精度液位距离测量时，根据技术指标设定液位计雷达发射信号的调频带宽为2GHz，频率调制时间为10.24ms，采样率为100kHz，信噪比为26dB。
预设一个液面目标，该目标的液位距离为20.001m，构造一组差频信号。由液面目标的液位距离、液位计雷达发射信号的调频带宽和频率调制时间可以计算得到差频信号的中心频率为26060.9979Hz；由液位计雷达频率调制时间和采样率可以计算得到差频信号的采样点个数为1024。
首先对差频信号进行快速傅里叶变换，找到差频信号功率谱的峰值点和次大值点的位置分别为267和266，结合液位计雷达的采样率和差频信号的采样点个数可以计算得到差频信号功率谱的峰值点和次大值点所对应的频率分别为26074.21875Hz和25976.5625Hz。按照现有的线性调频连续波雷达液位距离测量方法，由液位计雷达的采样率、发射信号的调频带宽、频率调制时间，以及差频信号的采样点个数、差频信号功率谱的峰值点位置，可以计算得到该液面目标的液位距离为20.01115m，测距误差为10.15mm。使用本发明提供的方法，在差频信号功率谱的峰值点和次大值点所对应的频率之间进行频率插值，进行8次频率插值即找到差频信号中心频率所对应的最优频谱分量的位置为266.8671875，结合液位计雷达的采样率和差频信号的采样点个数可以计算得到最优频谱分量所对应的频率值为26061.24878Hz，再使用液位计雷达发射信号的调频带宽和频率调制时间可以计算得到液面目标的液位距离为20.00119m，测距误差为0.19mm，远小于1mm。因此，可判定该方法成功实现了液位计雷达的高精度液位距离测量，并且能够将液位距离测量误差控制在1mm以内，极大地提高了液位计雷达的液位距离测量精度。

Claims (1)

1.一种带有频率细化插值的高精度液位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
对由回波信号和发射信号相减得到的差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号的功率谱；
找到所述差频信号功率谱的峰值点，再在峰值点的相邻两点中找到幅度较大的点记为次大值点；
以差频信号功率谱的峰值点和次大值点所对应的频率为起始边界点，确定一个初始搜索范围，在确定的初始搜索范围的中点位置进行频率插值，将边界点和中点作为一组频率插值点，计算每组频率插值点所对应的离散傅里叶变换结果，找出每组离散傅里叶变换结果中幅度值最大的两个点所对应的频率作为新的边界点，构成新的搜索范围，在新的搜索范围中继续进行频率插值；
当新的搜索范围的频率插值点中的边界点所对应的离散傅里叶变换结果相等时，所找到的新的搜索范围的频率插值点中的中点所对应的频率即为差频信号中心频率所对应的最优频谱分量；
最后使用所述的最优频谱分量计算出对应的高精度液位距离。
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