CN105675084A - 一种带有迭代插值的高精度液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有迭代插值的高精度液位测量方法，其特征在于，处理的步骤如下：首先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和峰值点附近的次大值点，记录峰值点和次大值点对应的功率谱幅度值，同时，将峰值点和次大值点中采样点位置较小的点记为左边界点，另一个记为右边界点，并将峰值点对应的功率谱幅度值记为A⁽⁰⁾。

Description

一种带有迭代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，涉及一种基于迭代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

本发明提供了一种带有迭代插值的高精度液位测量方法，其特征在于，处理的步骤如下：

首先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和峰值点附近的次大值点，记录峰值点和次大值点对应的功率谱幅度值，同时，将峰值点和次大值点中采样点位置较小的点记为左边界点，另一个记为右边界点，并将峰值点对应的功率谱幅度值记为A⁽⁰⁾；

然后使用插值公式计算出第一个迭代插值点的位置，通过离散傅里叶变换计算第一个迭代插值点对应的功率谱幅度值，记为A⁽¹⁾；再以第一个迭代插值点的位置为中心，使用迭代公式计算出新一组的左边界点和右边界点的位置，使用离散傅里叶变换分别计算出新一组的左边界点和右边界点对应的功率谱幅度值；找到新一组的左边界点和右边界点中较大的功率谱幅度值，记为A⁽²⁾；结合插值公式计算出第二个迭代插值点的位置，通过离散傅里叶变换计算第二个迭代插值点对应的功率谱幅度值，记为A⁽³⁾；

找出A⁽⁰⁾、A⁽¹⁾、A⁽²⁾、A⁽³⁾中的最大值，那么该最大值所对应的采样点位置即为由回波信号和发射信号相减得到的差频信号的最优频率分量；

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。

进一步的，所述的插值公式为：

$N_1=N_0\±\frac{B}{A+B}$

其中，N₀代表左边界点和右边界点中功率谱幅度较大的点所对应的采样点位置；A代表左边界点和右边界点中较大的功率谱幅度值；B代表左边界点和右边界点中较小的功率谱幅度值；N₁代表计算得到的迭代插值点位置；并且，当左边界点对应的功率谱幅度值小于右边界值对应的功率谱幅度值时，公式中符号为减号，否则，公式中符号为加号。

进一步的，所述的迭代公式为：

$N_1^L=N_1-\frac{1}{2},N_1^R=N_1+\frac{1}{2}$

其中，N₁代表第一个迭代插值点的采样点位置；代表计算得到的左边界点的位置；代表计算得到的右边界点的位置。

提供了一种高精度液位测量方法，通过迭代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18.001m，构造一个频率调制周期的差频信号。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23455.2843Hz；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240和241，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23437.5Hz和23535.1562Hz。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17.98755m，测距误差为-13.4525mm。

使用本发明提供的方法，差频信号功率谱的峰值点对应的幅度值为486.4534v，差频信号功率谱的次大值点对应的幅度值为105.4145v，使用插值公式计算出第一次迭代插值点的位置为240.1781，计算该点的离散傅里叶变换结果为512.5858v；按照迭代公式计算得到两个边界点，采样点位置分别为239.6781、240.6781，使用离散傅里叶变换分别计算两个边界点对应的功率谱幅度值分别为326.8352v、326.2605v；再次使用插值公式计算出第二次迭代插值点的位置为240.1777，计算该点的离散傅里叶变换结果为512.5861v；构造数组[486.4534,512.5858,326.8352,512.5861]找出该数组中的最大值为512.5861，该点对应的采样点位置为240.1777，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23454.8535Hz，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18.000866m，测距误差为-0.134mm，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，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。同时，该算法完成一次测量只需要做四次离散傅里叶变换，运算量小、易于工程实现。

Claims (3)

1.一种带有迭代插值的高精度液位测量方法，其特征在于，处理的步骤如下：

首先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和峰值点附近的次大值点，记录峰值点和次大值点对应的功率谱幅度值，同时，将峰值点和次大值点中采样点位置较小的点记为左边界点，另一个记为右边界点，并将峰值点对应的功率谱幅度值记为A⁽⁰⁾；

然后使用插值公式计算出第一个迭代插值点的位置，通过离散傅里叶变换计算第一个迭代插值点对应的功率谱幅度值，记为A⁽¹⁾；再以第一个迭代插值点的位置为中心，使用迭代公式计算出新一组的左边界点和右边界点的位置，使用离散傅里叶变换分别计算出新一组的左边界点和右边界点对应的功率谱幅度值；找到新一组的左边界点和右边界点中较大的功率谱幅度值，记为A⁽²⁾；结合插值公式计算出第二个迭代插值点的位置，通过离散傅里叶变换计算第二个迭代插值点对应的功率谱幅度值，记为A⁽³⁾；

找出A⁽⁰⁾、A⁽¹⁾、A⁽²⁾、A⁽³⁾中的最大值，那么该最大值所对应的采样点位置即为由回波信号和发射信号相减得到的差频信号的最优频率分量；

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。

2.根据权利要求1所述的带有迭代插值的高精度液位测量方法，其特征在于，

所述的插值公式为：

$N_1=N_0\±\frac{B}{A+B}$

其中，N₀代表左边界点和右边界点中功率谱幅度较大的点所对应的采样点位置；A代表左边界点和右边界点中较大的功率谱幅度值；B代表左边界点和右边界点中较小的功率谱幅度值；N₁代表计算得到的迭代插值点位置；并且，当左边界点对应的功率谱幅度值小于右边界值对应的功率谱幅度值时，公式中符号为减号，否则，公式中符号为加号。

3.根据权利要求2所述的带有迭代插值的高精度液位测量方法，其特征在于，

所述的迭代公式为：

$N_1^L=N_1-\frac{1}{2},$ $N_1^R=N_1+\frac{1}{2}$

其中，N₁代表第一个迭代插值点的采样点位置；代表计算得到的左边界点的位置；代表计算得到的右边界点的位置。