CN106842145A - 一种抑制fmcw雷达液位计回波冲击响应干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：冲击响应干扰区的检测：将实测的检测采样点x₀,x₁,…,x_N-1进行解析；在时域内，检测满足式(1)的检测采样点其中， 式中，x_i,(i＝1,2,…,N-1)为第i个采样点；将在检测采样点中的幅度最大值点左右各取15个点作为冲击响应干扰区，若检测采样点左侧不足15点，则左侧取从第一个点算起至幅度最大值点之间所有采样点；在时域原始信号中，挖除冲击干扰区的检测采样点，补零；基于AR模型预测内插。

Description

一种抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的方法

技术领域

雷达液位计测距技术

背景技术

在国外，FMCW雷达液位计被广泛应用于石化、仓储行业，是储油罐的核心传感器，FMCW采用的是连续的信号发射及处理而非脉冲雷达的信号发射—等待—接收的间歇式工作方式，也就更适合于过程罐、搅拌罐等液面剧烈的场合，为中高端应用场合使用(罗斯蒙特雷达液位股份公司.雷达液位测量.发明专利，专利申请号：CN200710153641.0)。

但在雷达液位计研发过程中，由于雷达接收机接收通道的瞬态冲击响应，导致对雷达回波带来了冲击响应干扰，这种干扰主要为冲击噪声，这种干扰远强于油罐液位回波，这种干扰使得目标的SNR急剧下降从而对目标检测带来误判，进而影响雷达液位计的测量精度，在cm级别，不满足测位精度mm级别的量级。

因此为了满足以上需求，本发明提出了一种抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的算法，并经过实测数据验证时有效的，并已应用到中航工业雷华电子技术研究所自主研发高精度雷达液位计上(中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所.一种雷达液位计.发明专利，专利申请号：201430463897.2)，得出的SNR提高了很多，得出精度为1mm量级。

发明内容

本发明的目的是在国产高精度雷达液位计研发需求，在雷达液位计锯齿波回波存在冲击响应干扰影响液位计测量精度和误测情况下，且冲击响应干扰区与检测目标区为不同区域，提出了一种在时域检测出冲击响应干扰的位置后，在原始信号中挖除存在冲击响应干扰的回波点，基于AR模型预测内插(AR模型系数采用Burg算法估计)算法，消除冲击响应对目标掩盖作用，从而保证液位检测出来足够的SNR。

本发明在研发的FMCW雷达液位计实测数据上进行了定量验证，算法是有效的，SNR提高25dB以上，从而保证雷达液位计高精度测量1mm奠定基础。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明提供了1.一种抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.冲击响应干扰区的检测

a)将实测的检测采样点x₀,x₁,…,x_N-1进行解析；

b)在时域内，检测满足式(1)的检测采样点

其中，

式中，x_i,(i＝1,2,…,N-1)为第i个采样点；

c)将在检测采样点中的幅度最大值点左右各取15个点作为冲击响应干扰区，若检测采样点左侧不足15点，则左侧取从第一个点算起至幅度最大值点之间所有采样点；

2.在时域原始信号中，挖除冲击干扰区的检测采样点，补零。

3.基于AR模型预测内插

采用AR模型预测内插对挖除冲击干扰区的检测采样点的原始回波信号进行恢复，AR模型系数采用Burg算法估计。

进一步的，

Burg算法是通过前N点的检测采样点序列x₀,x₁,…,x_N-1，估计AR模型参数a_p,m,(m＝1,2,…,p)，预测第N个检测采样点x_N，有下列关系：

式中p是AR模型的阶数。由莱文生-杜平递推公式计算AR参数

a_p,m＝a_p-1,m+a_p,pa_p-1,p-m (4)

式中a_p,p由下式给出

式中，k_p称为反射系数，是预测误差的均方误差：

x(n-1)为采样点序列，通过式(3)～(7)可以确定AR模型的一组参数{a_p,m}，其中AR模型的阶数预先给定。

发明创造的优点和用途

(1)抑制冲击响应干扰效果好。对于FMCW雷达液位计采用锯齿波模式下，存在冲击响应干扰会将目标的噪底大大提升，目标的SNR急剧减少，难以满足储油罐液位1mm精度，本发明提出的方法可以有效抑制冲击响应干扰，恢复目标的SNR，基于本发明方法可使得SNR提升25dB以上，使得最终SNR为40dB及以上。

(2)条件约束少，工程易于实现，因为本发明提出的是在时域检测干扰，时域挖空干扰补零，并基于AR模型预测内插，不需要消耗过多的资源，且较容易实现；

(3)测量精度高，基于本发明提出抑制冲击响应干扰后，FMCW雷达液位计测量精度为1mm，这与去除干扰前测量精度为cm量级，提升了一个数量级；

(4)算法稳定性好。通过雷达液位计在某油罐外场试验基地连续30测试，雷达液位计测试结果良好，雷达液位计的稳定性<＝1mm(依据JJG971-2002 7.2.3.5)，雷达液位计的重复性指标为0.32mm<0.4mm(依据GB/T 13983-1992 3.35、GB/T 21117-2007 6.1.4的重复性规定：液位计的重复性应不超过最大允许示值误差绝对值的五分之二，最大允许误差绝对值为1mm)，反映了雷达液位计具有较好的稳定性和重复性指标。

(5)代价小，运算量小。

附图说明

图1是本发明给出的雷达液位计测量储油罐液面场景示意图；

图2是本发明给出的抑制FMCW雷达液位计冲击响应干扰的算法流程图；

图3是本发明给出的是含有冲击响应干扰的雷达液位计时域回波图；

图4是本发明给出的是含有冲击响应干扰的雷达液位计回波(图3)的频域图；

图5是基于本发明提出的算法对图3所示的含有冲击响应干扰进行抑制效果的时域图；

图6是基于本发明提出的算法对图3所示的含有冲击响应干扰进行抑制效果的频域图；

图7是基于本发明抑制冲击响应干扰后的雷达液位计连续31小时实测油罐液位图。

具体实施方式

图1是本发明给出的是雷达液位计工作场景示意图，图2是本本发明给出的抑制FMCW雷达液位计冲击响应干扰的算法流程图。结合图2，于AR模型预测内插的算法来抑制FMCW雷达液位计的冲击响应干扰包括击响应干扰区的检测、在原始信号中挖除存在冲击响应干扰的回波点、基于AR模型预测内插三部分构成。

如图3所示，冲击响应干扰在雷达液位计回波前段非常明显，图4是本发明给出的是含有冲击响应干扰的雷达液位计回波(图3)的频域图，可以看出干扰的存在使得目标的SNR急剧下降，噪底抬升，需要抑制干扰。

本发明提供了一种抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.冲击响应干扰区的检测

(1)将实测的检测采样点x₀,x₁,…,x_N-1进行解析；

(2)在时域内，检测满足式(1)的检测采样点

其中，

式中，x_i,(i＝1,2,…,N-1)为第i个采样点；

(3)将在检测采样点中的幅度最大值点左右各取15个点作为冲击响应干扰区，若检测采样点左侧不足15点，则左侧取从第一个点算起至幅度最大值点之间所有采样点；

2.在时域原始信号中，挖除冲击干扰区的检测采样点，补零。

3.基于AR模型预测内插

采用AR模型预测内插对挖除冲击干扰区的检测采样点的原始回波信号进行恢复，AR模型系数采用Burg算法估计。

图5给出的是基于本发明提出的算法对图3所示的含有冲击响应干扰进行抑制效果的时域图；由图5可知，雷达液位计的时域回波图已经恢复接近正常的三角波形。

图6是基于本发明提出的算法对图3所示的含有冲击响应干扰进行抑制效果的频域图；由图6可知，抑制干扰后目标的SNR为60dB，而由图4给出的抑制干扰前的目标的SNR为30dB，可见此算法大大提高了抑制干扰效果。

抑制干扰效果评判

图7给出基于本发明提出的算法抑制干扰后，雷达液位计在某油罐外场试验基地的油罐(高8m*直径7m)连续测量31小时，稳定性和重复性能较好，图7给出了统计的稳定性和重复性试验结果，统计10000个数据点，雷达液位计的稳定性<＝1mm(依据JJG971-20027.2.3.5)，雷达液位计的重复性指标为0.32mm<0.4mm(依据GB/T 13983-1992 3.35、GB/T21117-2007 6.1.4的重复性规定：液位计的重复性应不超过最大允许示值误差绝对值的五分之二，最大允许误差绝对值为1mm)，反映了雷达液位计具有较好的稳定性和重复性指标。

同时基于本发明抑制冲击响应干扰后的雷达液位计在总后油研所1号油罐测量数据与基于Honeywell的标尺HERMetic UTImeter(具有国际计量认证，精度为0.5mm)进行比对，如图7所示，基于雷达液位计实测数据进行数理统计得出雷达液位计精度为1mm(依据JJG971-2002 5.2、GB/T 25964-2010)，满足设计要求，这进一步验证了本发明在工程应用的有效性。

Claims (2)

1.一种抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.冲击响应干扰区的检测

a)将实测的检测采样点x₀,x₁,…,x_N-1进行解析；

b)在时域内，检测满足式(1)的检测采样点

$|20*{\log }_{10}\left(x_i\right)-20*{\log }_{10}\left(\stackrel{\&OverBar;}{x}\right)|>3---\left(1\right)$

其中， $\stackrel{\&OverBar;}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}{x}_i---\left(2\right)$

式中，x_i,(i＝1,2,…,N-1)为第i个采样点；

c)将在检测采样点中的幅度最大值点左右各取15个点作为冲击响应干扰区，若检测采样点左侧不足15点，则左侧取从第一个点算起至幅度最大值点之间所有采样点；

2.在时域原始信号中，挖除冲击干扰区的检测采样点，补零，

3.基于AR模型预测内插

采用AR模型预测内插对挖除冲击干扰区的检测采样点的原始回波信号进行恢复，AR模型系数采用Burg算法估计。

2.根据权利要求1所述的抑制FMCW雷达液位计回波冲击响应干扰的方法，其特征在于，

Burg算法是通过前N点的检测采样点序列x₀,x₁,…,x_N-1，估计AR模型参数a_p,m,(m＝1,2,…,p)，预测第N个检测采样点x_N，有下列关系：

${\hat{x}}_N=-\underset{m=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}{a}_{p,m}{x}_{N-m}---\left(3\right)$

式中p是AR模型的阶数。由莱文生-杜平递推公式计算AR参数

a_p,m＝a_p-1,m+a_p,pa_p-1,p-m (4)

式中a_p,p由下式给出

$a_{p,p}=k_p=-\frac{r_{xx}\left(p\right)+\underset{k=1}{\overset{p-1}{\&Sigma;}}{a}_{p-1}{r}_{xx}(p-k)}{{\mathrm{\&sigma;}}_{p-1}^2}---\left(5\right)$

式中，k_p称为反射系数， ${\mathrm{\&sigma;}}_{p-1}^2$ 是预测误差的均方误差：

$r_{xx}\left(p\right)={\mathrm{\&sigma;}}_p^2=(1-k_p^2){\mathrm{\&sigma;}}_{p-1}^2---\left(6\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_0^2=r_{xx}\left(0\right)=E\&lsqb;{\left(x\right(n-1\left)\right)}^2\&rsqb;---\left(7\right)$

x(n-1)为采样点序列，通过式(3)～(7)可以确定AR模型的一组参数{a_p,m}，其中AR模型的阶数预先给定。