CN108445477A - 机场场面异物检测雷达的高精度测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达技术。本发明解决了现有应用于FOD的LFMCW雷达测量目标距离精度不高或精度高则运算量较大的问题，提供了一种机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，其技术方案可概括为：可应用于现有LFMCW雷达中，首先根据频率控制电压产生模块同时产生两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号，其调制周期分别记为T_m1及T_m2，其产生周期与T_m1相同；再根据两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到频谱分析结果；最后根据频谱分析结果计算调整T_m2，直至得到精确的测量结果。本发明的有益效果是：对系统处理资源要求也不高，适用于LFMCW雷达。

Description

机场场面异物检测雷达的高精度测距方法

技术领域

本发明涉及雷达技术，特别涉及道面异物(FOD)雷达的测距技术。

背景技术

雷达按发射信号的形式可以分为脉冲雷达和连续波雷达，他们的测距基本原理都是通过测量回波信号相对发射信号的延时来计算所测距离。脉冲雷达的距离分辨率取决于脉冲宽度，脉冲宽度越窄，其距离分辨率越高，因此一般脉冲雷达的宽度很窄，同时为了探测较远处的目标，脉冲雷达必须达到一定的平均功率，这就要求脉冲雷达有很大的峰值功率，这对安全性有严格要求的机场等使用环境而言是不利的。线性调频连续波(LinearFrequency Modulation Continouse Wave，LFMCW)雷达是在连续波雷达的基础上发展起来的，它的特点是既具有连续波雷达小功率的特点，又具有脉冲雷达测量目标距离的能力，同时与脉冲雷达相比有很多优点，因此在机场FOD雷达中适于采用LFMCW雷达。

对于LFMCW的FOD雷达，其系统结构一般如图1所示，包括发射天线、接收天线、压控振荡器、接收差拍模块、数字信号处理模块及频率控制电压产生模块，所述发射天线与压控振荡器连接，压控振荡器分别与频率控制电压产生模块及接收差拍模块连接，数字信号处理模块分别与接收差拍模块及频率控制电压产生模块连接，接收差拍模块与接收天线连接，其发射信号频率变化规律如图5所示，发射信号与接收信号差拍后得到的差拍信号频率为f_b，则有：

f_b＝Kt_r

其中，t_r是目标所对应的时延，K＝f_m/T是调频斜率，f_m是指最大频偏；若测出f_b，则可通过下式求解出目标距离R：

其中，C为光速。

因此，在FOD雷达中，通常采用频域测频的方法来测量目标距离。

从频域角度来讲，主要是应用频谱分析的方法获得目标的距离信息。这主要是由于随着数字信号处理技术的发展，差拍信号可以通过傅里叶变换(FFT)获得其频谱信息，而幅度最大值对应的频率就是差拍信号频率。

利用FFT变换对信号进行频谱分析时，分析精度主要受制于混叠效应、量化误差、泄漏效应及栅栏效应。混叠效应和量化误差是模拟信号数字化过程中引起的；泄漏效应和栅栏效应是离散傅里叶变换所固有的。由于傅里叶变换的栅栏效应，直接采用傅里叶变换所获得的距离谱具有固定的采样间隔Δf，从而产生ΔR/2的测距误差，这使得测距雷达在近距离下测量的相对误差较大，分析表明，增加傅里叶变换的谱线数量提高频谱分辨率可以削弱泄漏效应和栅栏效应，但是由于增加了采样长度，将增加所耗时间，可在采样序列之后补零，这种方法是在原频谱的主瓣内增加了若干条谱线，减小离散频谱的间隔，提高频率测量精度，从而提高LFMCW雷达的距离测量精度，但这种方法对频率精度的提高存在一定的局限性，其测量精度增加一倍，傅里叶变换的点数(点数即是指频域的采样点的数量)相应也增加一倍，因此，若要精度大幅度提高，运算量将大大增加，还可以采用数据插值或拟合的方法，但这样也会带来额外的信号处理工作量。

发明内容

本发明的目的就是克服目前应用于FOD的LFMCW雷达测量目标距离精度不高或精度高则运算量较大的缺点，提供一种可调视频脉冲信号源。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，应用于现有LFMCW雷达中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据频率控制电压产生模块同时产生两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号，其调制周期分别记为T_m1及T_m2，其产生周期与T_m1相同；

步骤2、根据两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到频谱分析结果；

步骤3、根据频谱分析结果计算调整T_m2，直至得到精确的测量结果。

具体的，步骤3包括以下具体步骤：

步骤301、频谱分析结果中，其纵坐标为幅度，记为x，横坐标为归一化频率，记为f，找到频谱分析结果中最大的两个点，分别记为(f₁，x₁)及(f₂，x₂)；

步骤302、判断x₁是否等于x₂，若是则进入步骤303，否则进入步骤306；

步骤303、计算并调整T_m2，令

步骤304、根据当前两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到当前频谱分析结果；

步骤305、找到当前频谱分析结果中最大值点，记为(f_r，x_r)，计算目标距离，计算公式为：

其中，R_r为目标距离，C为光速，B为调制带宽；

步骤306、计算并记录本次预测距离R₁，计算公式为：

步骤307、计算且调整T_m2，令

步骤308、根据当前两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到当前频谱分析结果；

步骤309、找到当前频谱分析结果中最大的两个点，分别记为(f₁’，x₁’)及(f₂’，x₂’)；

步骤310、计算本次预测距离R₁’，计算公式为：

步骤311、判断是否|R₁-R₁'|<δ_R，其中，δ_R为预设阈值，若是则认为目标距离为R₁’，否则令f₁＝f₁’，且f₂＝f₂’，回到步骤307。

具体的，所述预设阈值根据情况进行设置。

本发明的有益效果是，上述机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，其可采用现有LFMCW雷达的系统结构，不需要额外增加设备成本，通过上述方法，可在不增加信号处理的工作量及所耗时间的同时，达到高精度的测距目的，对系统处理资源要求也不高。

附图说明

图1为目前LFMCW雷达的系统框图；

图2为本发明实施例中频率控制电压产生模块同时产生两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号的波形图；

图3为本发明实施例中频谱分析结果全局示意图；

图4为本发明实施例中频谱分析结果中峰值附近示意图；

图5为发射、接收及差拍信号频率变化规律波形示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述的机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，可应用于现有LFMCW雷达中，首先根据频率控制电压产生模块同时产生两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号，其调制周期分别记为T_m1及T_m2，其产生周期与T_m1相同；再根据两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到频谱分析结果；最后根据频谱分析结果计算调整T_m2，直至得到精确的测量结果。

实施例

本例中机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，可应用于现有LFMCW雷达中，包括以下步骤：

步骤1、根据频率控制电压产生模块同时产生两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号，如图2所示，其调制周期分别记为T_m1及T_m2，其产生周期与T_m1相同。

步骤2、根据两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到频谱分析结果，如图3所示，真实目标距离R_r处的目标对应的回波差拍信号频率为f_r，是整个谱线包络的真实峰值点，但由于傅里叶变换的栅栏效应，该峰值点难以被观测到，而是会测量到一个最大值点和一个次大值点，即(f₁，x₁)及(f₂，x₂)，则真实峰值点会落在该区间(f₁，f₂)内。

步骤3、根据频谱分析结果计算调整T_m2，直至得到精确的测量结果。

本步骤优选为包括以下具体步骤：

步骤301、频谱分析结果中，其纵坐标为幅度，记为x，横坐标为归一化频率，记为f，找到频谱分析结果中最大的两个点，分别记为(f₁，x₁)及(f₂，x₂)，如图4所示；

步骤302、判断x₁是否等于x₂，若是则进入步骤303，否则进入步骤306；

步骤303、计算并调整T_m2，令以此来修改该频率控制锯齿波电压信号的斜率；

步骤304、根据当前两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到当前频谱分析结果；

步骤305、找到当前频谱分析结果中最大值点，记为(f_r，x_r)，计算目标距离，计算公式为：

其中，R_r为目标距离，C为光速，B为调制带宽；

步骤306、计算并记录本次预测距离R₁，计算公式为：

步骤307、计算且调整T_m2，令以此来修改该频率控制锯齿波电压信号的斜率；

步骤308、根据当前两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到当前频谱分析结果；

步骤309、找到当前频谱分析结果中最大的两个点，分别记为(f₁’，x₁’)及(f₂’，x₂’)；

步骤310、计算本次预测距离R₁’，计算公式为：

步骤311、判断是否|R₁-R₁'|<δ_R，其中，δ_R为预设阈值，其可根据情况进行设置，该值越小精度越高，若是则认为目标距离为R₁’，否则令f₁＝f₁’，且f₂＝f₂’，回到步骤307。

Claims (3)

1.机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，应用于现有LFMCW雷达中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据频率控制电压产生模块同时产生两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号，其调制周期分别记为T_m1及T_m2，其产生周期与T_m1相同；

步骤2、根据两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到频谱分析结果；

步骤3、根据频谱分析结果计算调整T_m2，直至得到精确的测量结果。

2.如权利要求1所述的机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，其特征在于，步骤3包括以下具体步骤：

步骤301、频谱分析结果中，其纵坐标为幅度，记为x，横坐标为归一化频率，记为f，找到频谱分析结果中最大的两个点，分别记为(f₁，x₁)及(f₂，x₂)；

步骤302、判断x₁是否等于x₂，若是则进入步骤303，否则进入步骤306；

步骤303、计算并调整T_m2，令

步骤304、根据当前两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到当前频谱分析结果；

步骤305、找到当前频谱分析结果中最大值点，记为(f_r，x_r)，计算目标距离，计算公式为：

其中，R_r为目标距离，C为光速，B为调制带宽；

步骤306、计算并记录本次预测距离R₁，计算公式为：

步骤307、计算且调整T_m2，令

步骤308、根据当前两个调制周期的频率控制锯齿波电压信号发射信号，经过接收差拍模块处理后再经过傅里叶变换后得到当前频谱分析结果；

步骤309、找到当前频谱分析结果中最大的两个点，分别记为(f₁’，x₁’)及(f₂’，x₂’)；

步骤310、计算本次预测距离R₁’，计算公式为：

步骤311、判断是否|R₁-R₁'|<δ_R，其中，δ_R为预设阈值，若是则认为目标距离为R₁’，否则令f₁＝f₁’，且f₂＝f₂’，回到步骤307。

3.如权利要求2所述的机场场面异物检测雷达的高精度测距方法，其特征在于，所述预设阈值根据情况进行设置。