CN106154257A

CN106154257A - 基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法

Info

Publication number: CN106154257A
Application number: CN201610455151.5A
Authority: CN
Inventors: 张胤; 周云; 兰杰
Original assignee: Chengdu Rainier Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Rainier Technology Co Ltd
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: CN106154257B

Abstract

本发明公开了一种基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法，包括以下步骤：将发射波与回波混频后处理得到差频信号序列SIF(n)；将序列SIF(n)做apFFT后得到幅度最大值|Y(k)|及次大值|Y(k+r)|；求出首次估测频率；计算频偏Δk，若Δk∈[‑0.5,‑0.25]∪[0.25,0.5]，将f_IFFIRST作为最终估测频率f_IFFINAL；若Δk∈(‑0.25,0.25)，则将差频信号序列SIF(n)后N个点加窗得到SWIF(n)；求SWIF(n)的能量谱G(x)；找出G(x)中的最大值G(k₁)并求出相邻能量谱值；计算差拍信号测试频率并将其作为最终估测频率。本发明结合FFT插值算法和apFFT算法，利用apFFT频谱泄漏较小的优点，在任意可测量的频率都有较好的测量精度。

Description

基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法

技术领域

本发明涉及一种精密测量雷达测频方法，尤其涉及一种基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法。

背景技术

目前，精密测量雷达测频测距方法已经很成熟了，测量方法越来越多，传统方法主要包括RIFE法、能量重心法和FFT细化法，RIFE法是一种插值算法，FFT即快速傅氏变换算法。传统方法计算量普遍偏小，但是都存在一个问题：仅仅在某些频偏(所估测的频率与FFT谱线峰值对应频率之差)下测频误差较小而在剩余区间测频误差较大。目前较为先进的测量雷达测频方法多基于apFFT，apFFT是全相位FFT的简称，是对传统FFT进行改进而得到的，它具有FFT不具备的“相位不变性”等优良性能；但是，目前采用的apFFT算法也存在相位模糊的问题，从而导致测量精度不高、尤其在某些频率测量精度较低的问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种在任意频率都具有较高测量精度的基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法，包括以下步骤：

(1)将发射波与回波混频后经过低通滤波器，通过模数转换得到差频信号序列SIF(n)；

(2)将序列SIF(n)做apFFT后得到幅度最大值|Y(k)|及次大值|Y(k+r)|，其中r＝±1，k为幅值最大值所对应的位置序列号；若离散谱峰值在主瓣中心左侧即离散谱次大值为Y(k+1)，r＝1；若离散谱峰值在主瓣中心左侧即离散谱次大值为Y(k-1)，r＝-1；

(3)若r＝1，则将|Y(k)|，|Y(k+r)|带入下式：

f_{I F F I R S T} = (k + \frac{\sqrt{| Y (k + 1) |}}{\sqrt{| Y (k + 1) |} + \sqrt{| Y (k) |}}) . \frac{f_{s}}{N}

其中，N为FFT点数，f_s为采样频率，k为谱线峰值最大值所对应的位置序列号；

(4)若r＝-1，则|Y(k)|，|Y(k+r)|带入下式：

f_{I F F I R S T} = (k - \frac{\sqrt{| Y (k - 1) |}}{\sqrt{| Y (k - 1) |} + \sqrt{| Y (k) |}}) . \frac{f_{s}}{N}

(5)利用步骤(3)或(4)求出的频率作为首次估测频率f_IFFIRST；

(6)计算频偏Δk，其中Δk为首次测量频率所对应的序列号与k之差，则若Δk∈[-0.5,-0.25]∪[0.25,0.5]，将f_IFFIRST作为最终估测频率f_IFFINAL；若Δk∈(-0.25,0.25)，则转入步骤(7)；

(7)将差频信号序列SIF(n)后N个点加窗得到SWIF(n)；

(8)求SWIF(n)的能量谱G(x)；

(9)找出G(x)中的最大值G(k₁)，其中k₁为能量谱最大谱线所对应的位置序列号，并求出相邻能量谱值；

(10)将k₁的值与步骤(9)中的相邻能量谱值带入下式：

k_{0} = \frac{Σ_{i = - n}^{n} (k_{1} + i) . G_{1} (k_{1} + i)}{Σ_{i = - n}^{n} G_{1} (k_{1} + i)}

其中，n∈[-2,2],其中G₁(k₁+i)谱序列号为k₁+i的能量谱值，

并根据下式计算差拍信号测试频率f_IFSECEND：

f_{I F S E C E N D} = \frac{(k_{0} + Δ k) f_{s}}{N}

最终将得到f_IFSECEND作为最终估测f_IFFINAL输出。

作为优选，所述步骤(4)、(5)中，N＝512，f_s＝512khz。

本发明的有益效果在于：

本发明结合FFT插值算法和apFFT算法，利用apFFT频谱泄漏较小的优点，对于频偏较大的信号序列，插值方向判定准确，有较好的测量精度，而在频偏绝对值较小时则采用传统能量重心算法，测频误差小；利用本方法在任意可测量的频率都有较好的测量精度。

附图说明

图1-1是信噪比SNR＝5dB时利用本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法获得的均值误差绝对值与频率的对照关系示意图；

图1-2是信噪比SNR＝5dB时利用本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法获得的均方根误差与频率的对照关系示意图；

图2-1是信噪比SNR＝5dB时利用传统apFFT插值测频方法获得的均值误差绝对值与频率的对照关系示意图；

图2-2是信噪比SNR＝5dB时利用传统apFFT插值测频方法获得的均方根误差与频率的对照关系示意图；

图3-1是信噪比SNR＝5dB时利用传统能量重心测频方法获得的均值误差绝对值与频率的对照关系示意图；

图3-2是信噪比SNR＝5dB时利用传统能量重心测频方法获得的均方根误差与频率的对照关系示意图；

图4-1是信噪比SNR＝3dB时利用本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法获得的均值误差绝对值与频率的对照关系示意图；

图4-2是信噪比SNR＝3dB时利用本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法获得的均方根误差与频率的对照关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法，包括以下步骤：

(3)若r＝1，则将|Y(k)|，|Y(k+r)|带入下式：

f_{I F F I R S T} = (k + \frac{\sqrt{| Y (k + 1) |}}{\sqrt{| Y (k + 1) |} + \sqrt{| Y (k) |}}) . \frac{f_{s}}{N}

(4)若r＝-1，则|Y(k)|，|Y(k+r)|带入下式：

f_{I F F I R S T} = (k - \frac{\sqrt{| Y (k - 1) |}}{\sqrt{| Y (k - 1) |} + \sqrt{| Y (k) |}}) . \frac{f_{s}}{N}

(5)利用步骤(3)或(4)求出的频率作为首次估测频率f_IFFIRST；

(7)将差频信号序列SIF(n)后N个点加窗得到SWIF(n)；

(8)求SWIF(n)的能量谱G(x)；

(10)将k₁的值与步骤(9)中的相邻能量谱值带入下式：

k_{0} = \frac{Σ_{i = - n}^{n} (k_{1} + i) . G_{1} (k_{1} + i)}{Σ_{i = - n}^{n} G_{1} (k_{1} + i)}

其中，n∈[-2,2],其中G₁(k₁+i)谱序列号为k₁+i的能量谱值，

并根据下式计算差拍信号测试频率f_IFSECEND：

f_{I F S E C E N D} = \frac{(k_{0} + Δ k) f_{s}}{N}

最终将得到f_IFSECEND作为最终估测f_IFFINAL输出。

实施例：

图1-1至图4-2的仿真条件同为FFT点数为N＝512，采样频率设置为fs＝512khz，差拍信号频率设置为f_IF∈[30000hz,31000hz]，两两相差10hz，做1000次蒙特卡洛。

由图1-1、图1-2可知，利用本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法获得的均值误差绝对值最高不超过80且多数低于40，均方根误差最大不超过120且多数低于50；对应地，由图2-1、图2-2可知，利用传统apFFT插值测频方法获得的均值误差绝对值最高超过180，均方根误差最大超过220；由图2-1、图2-2可知，利用传统能量重心测频方法获得的均值误差绝对值最高超过80但多数高于50，均方根误差最大不到100但多数高于60；可以看出本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法的测量性能卓越。

由图4-1、图4-2可知，本发明所述基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法应用在信噪比SNR＝3的环境中时，其测量特性相较于SNR＝5时会增大，但相比于传统测频方法仍然具有较高的测量精度。综上可以证明，本发明基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法有着良好的测频性能。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims

1.一种基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法，其特征在于：包括以下步骤：

(3)若r＝1，则将|Y(k)|，|Y(k+r)|带入下式：

f_{I F F I R S T} = (k + \frac{\sqrt{| Y (k + 1) |}}{\sqrt{| Y (k + 1) |} + \sqrt{| Y (k) |}}) . \frac{f_{s}}{N}

(4)若r＝-1，则|Y(k)|，|Y(k+r)|带入下式：

f_{I F F I R S T} = (k - \frac{\sqrt{| Y (k - 1) |}}{\sqrt{| Y (k - 1) |} + \sqrt{| Y (k) |}}) . \frac{f_{s}}{N}

(5)利用步骤(3)或(4)求出的频率作为首次估测频率f_IFFIRST；

(7)将差频信号序列SIF(n)后N个点加窗得到SWIF(n)；

(8)求SWIF(n)的能量谱G(x)；

(10)将k₁的值与步骤(9)中的相邻能量谱值带入下式：

k_{0} = \frac{Σ_{i = - n}^{n} (k_{1} + i) . G_{1} (k_{1} + i)}{Σ_{i = - n}^{n} G_{1} (k_{1} + i)}

其中，n∈[-2,2],其中G₁(k₁+i)谱序列号为k₁+i的能量谱值，

并根据下式计算差拍信号测试频率f_IFSECEND：

f_{I F S E C E N D} = \frac{(k_{0} + Δ k) f_{s}}{N}

最终将得到f_IFSECEND作为最终估测f_IFFINAL输出。

2.根据权利要求1所述的基于FFT与apFFT的精密测量雷达二次测频方法，其特征在于：所述步骤(4)、(5)中，N＝512，f_s＝512khz。