CN110109089A - 一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法 - Google Patents

一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法 Download PDF

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    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated

Abstract

一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法。本发明中线性调频连续波探测系统有着低发射功率、高接收灵敏度、高距离分辨率和结构简单等突出优点，具有比脉冲体制更强的目标辨识、抗背景杂波及抗干扰能力；另外在非同步采样情况下，通过快速傅里叶变换FFT得到的频谱以频率分量为中心的频率范围内都有离散频谱出现，信号频率分量外的谱线可以理解为从信号分量出泄露出去的，存在频谱泄露；并且，各离散频谱线所对应的频率与信号频率分量存在偏差，存在栅栏效应。本发明针对这些现象，利用频谱泄漏造成的信号幅度分布，提出了一种在FFT的点数N不变的基础上提高信号频率的测量精度、进而提高距离的测量精度的方法。

Description

一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法
技术领域
本发明涉及一种线性调频连续波探测系统提高距离探测精度的改进方法。
背景技术
线性调频连续波探测系统有着低发射功率、高接收灵敏度、高距离分辨率和结构简单等突出优点，不存在距离盲区、具有比脉冲体制更强的目标辨识、抗背景杂波及抗干扰能力，近年来得到了较快发展。
线性调频连续波探测系统的工作频率以线性方式连续变化，在一个扫描周期内，发射天线辐射出一组等幅度调频连续波，信号频率从起始频率线性增加到终止频率。接收天线接收来自目标的反射信号，由于发射波的传输延迟，反射信号与发射信号有一个时间差和频率差，该时间差和频率差与探测目标的距离正相关。如果将发射信号作为本振与反射信号进行混频，给出混频后差频信号的频谱，就会分离出目标的反射信号，不同距离的目标会在不同的频点出现。目标反射信号与发射信号之间的延迟时间是确定的，而延迟时间与差拍信号的瞬时频率相对应。离散傅里叶变换DFT是数字信号处理中应用最广泛的离散变换，FFT是DFT的有效实现，是数字信号处理的核心技术，其获得广泛应用。只需要对差频信号进行快速傅里叶FFT变换处理，然后检测频谱峰值点，可得到差拍信号的瞬时频率，即可计算目标距离。目标距离探测精度受差频信号采样间隔的影响，通常的方法是增加FFT的点数N，但增大FFT的点数N，会使运算量大大增加，在实时信号处理中难以实现。而且，受系统线性变频系数、变频范围、扫描重复周期、探测距离的综合影响，也限制了FFT的点数N的增加。
发明内容
本发明针对线性调频连续波探测系统，在相关系统参数确定的基础上如何进一步提高信号频谱的测量精度，从而提高距离探测精度的方法。在非同步采样情况下，通过快速傅里叶变换FFT得到的频谱不只是存在一个离散频谱，而是在以频率分量为中心的频率范围内都有离散频谱出现，信号频率分量外的谱线可以理解为从信号分量泄露出去的，存在频谱泄露；并且，各离散频谱线所对应的频率与信号频率分量存在偏差，存在栅栏效应。本发明针对这些现象，利用频谱泄漏造成的频谱幅度分布，提出了一种在FFT的点数N不变的基础上提高信号频谱的测量精度、进而提高距离测量精度的方法。
假设时域A/D采样时钟为f0，采样数据个数为N＝2n，其中n为整数，通过快速傅里叶FFT变换，可以获得f0/N、2*f0//N、3*f0/N、…、(N-1)*f0/N各个离散频率上的频谱信号，探测系统根据信号处于离散频谱的位置计算出距离。很明显，采样时钟频率f0以及采样个数N与距离单元的大小密切相关。当信号频率正好等于采样频率f0/N的m整数倍时，时域的采样数据通过FFT变换到离散频谱后，信号正好落在第m个离散频谱上；当回波信号频率不等于采样频率f0/N的整数倍时，即信号频率介于m*f0/N以及(m+1)*f0/N之间时(其中m为整数)，时域的采样数据通过FFT变换到离散频谱后，主要分布于第m与第(m+1)个离散频谱上。并且第m、m+1个离散频谱上的幅度分布与信号频率有关；当信号频率更靠近m*f0/N离散频点时，第m个离散频谱幅度大于第(m+1)个离散频谱的幅度；当信号频率更靠近(m+1)*f0/N离散频点时，第m+1个离散频谱的幅度大于第m个离散频谱的幅度；通过比较频域的m与m+1个离散频谱的幅度的相对大小，就判断出信号频率是更靠近m*f0/N还是更靠近(m+1)*f0/N离散频点，这样将m*f0/N、(m+1)*f0/N两个离散频点进一步2分之一细分，并确定出信号频率在细分离散频谱中的位置，从而将信号频率检测精度提高一倍，距离探测精度随之提高一倍。
本发明的具体方法操作步骤如下：
包括如下步骤：
步骤1、将差频信号进行模数转换A/D采样，获得N＝2n的序列数据，其中n为整数；
步骤2、进行快速傅里叶变换FFT，生成频域的离散频谱矢量数据；
步骤3、将步骤2的各个离散频谱矢量计算出矢量模，即获各个离散频谱信号幅度；
步骤4、从步骤3频域的各个离散频谱信号幅度中找出离散频谱的峰值位置m；
步骤5、用步骤4获得的离散频谱的峰值信号幅度A0以及前一个相邻离散频谱的信号幅度A-1、后一个相邻离散频谱的信号幅度A+1；
步骤6、将步骤5的三个离散频谱信号幅度A0、A-1、A+1计算目标信号相对于离散频谱m的频率精细信息：
频率精细信息＝(A+1-A-1)/(A0+A-1+A+1)，
步骤7、用步骤6获得的频率精细信息来确定信号频率的细分离散频谱位置：
若频谱精细信息大于等于0.5，则目标信号频率＝(m+0.5)*f0/N；
若频谱精细信息小于等于-0.5，则目标信号频率＝(m-0.5)*f0/N；
若频谱精细信息介于-0.5与0.5之间，则目标信号频率＝m*f0/N；
其中m是步骤4寻找到的峰值离散频谱位置；
步骤8、根据步骤7获得的目标信号频率计算出目标距离。
另外，步骤3包括：对步骤2得到的各个离散频谱矢量，矢量的正交分量为I、Q；采用公式sqrt(I*I+Q*Q)，计算出其信号幅度A。
另外，步骤4包括：根据步骤3处理后的离散频谱信号幅度，从中寻找出峰值离散频谱的位置，并且该位置为从左边数第m个离散频谱。
另外，步骤5包括：根据步骤4获得离散频谱中的峰值所处位置，取出该离散频谱的峰值幅度，再加上前后相邻离散频谱的幅度，共取相邻的三个离散频谱的信号幅度A-1、A0、A+1。
另外，其特征在于，步骤6包括：根据步骤4获得的三个离散频谱信号幅度A-1、A0、A-1，用公式(A+1-A-1)/(A0+A-1+A+1)拟合出信号频率在离散频谱m附近的精细信息。
另外，步骤7包括：将原有的离散频谱的步进量一分为二，将每一个离散频谱的间隔细分为前后两个部分；根据步骤6获得的信号频率的精细信息，判断出信号频率处于其离散频谱间隔的前半部分还是后半部分，即确定信号频谱在细分后的离散频谱上的位置。
另外，步骤8包括：由于细分离散频谱，降低了离散频谱的间隔大小，步骤7得到的信号频率的测量精度随着提高一倍，而基于信号频率测量的目标测距精度也随着提高。
在线形调频连续波探测系统中，绝大部分情况都处于非同步采样，在通过快速傅里叶变换FFT后获得离散频谱的过程中，存在严重的频谱泄漏和栅栏效应，影响信号频率的测量，进而影响距离的测量精度。
本发明的有益效果：本发明针对该情况，提出一种利用频谱泄漏和栅栏效应，采用频谱峰值附近三个离散频谱的幅度，通过简单的公式计算，计算出信号频谱的精细部分，再分析该精细部分的数值大小，从而获得更精细的信号离散频谱位置，距离测量精度将更为精确。该方法基于原有的工作流程，易于管道流水线作业(pipeline)，且计算公式简单，在不改变原有系统参数的条件下，提供了一种快速提高信号频谱测量精度，从而提高距离测量精度的改进方法。
具体实施方式
下面实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，具体方法操作步骤如下：
步骤1、将差频信号进行模数转换A/D采样，获得N＝2n的序列数据，其中n为整数；探测系统将反射信号与发射信号混频，通过滤波器滤出差频信号，并根据系统的距离探测范围过滤掉探测范围外的差频信号，保留探测距离范围内的反射差频信号；将差频信号放大到数模转换芯片A/D对应的合适电压范围，将模拟信号转化为数字信号，以进行后续数字信号处理。
步骤2、进行快速傅里叶变换FFT，生成频域的离散频谱矢量数据；线性调频连续波探测系统的特点是发射信号的差频信号的频率与距离正相关，用A/D连续采样的数字信号分析出信号频谱，再用信号频谱计算出探测距离；FFT变换是数字信号从时域变换到离散频谱的最佳实现工具，用FFT可以将A/D连续采样数据直接变换到信号的离散频谱。
步骤3、将步骤2的各个离散频谱矢量计算出矢量模，即获各个离散频谱信号幅度；FFT变换中的信号是复数，含有I、Q正交分量，包含幅度和相位信息；幅度代表信号大小，可用公式sqrt(I*I+Q*Q)计算。
步骤4、从步骤3频域的各个离散频谱信号幅度中找出离散频谱的峰值位置m；当某一距离上存在反射信号时，在相应的频谱上将出现峰值，通过分析离散频谱上的峰值位置，可以获得反射信号的所处距离。由于频谱是离散的，存在离散误差，离散间隔越大离散误差越大。
步骤5、用步骤4获得的离散频谱的峰值信号幅度A0以及前一个相邻离散频谱的信号幅度A-1、后一个相邻离散频谱的信号幅度A+1；由于频谱泄漏的原因，在峰值附近的多个离散频谱上都可能存在频谱分布，提取频谱峰值处前后连续3个离散频谱幅度值，用公式可以获得信号频谱的详细部分信息，用于改善栅栏相应造成的信号频谱测量误差。
步骤6、将步骤5的三个离散频谱信号幅度A0、A-1、A+1计算目标信号相对于离散频谱m的频率精细信息：
频率精细信息＝(A+1-A-1)/(A0+A-1+A+1)，这是本发明的关键公式，通过相邻的三个离散频谱幅度拟合出信号在离散频谱峰值附近的详细信息。
步骤7、用步骤6获得的频率精细信息来确定信号频率的细分离散频谱位置：
若频谱精细信息大于等于0.5，则目标信号频率＝(m+0.5)*f0/N；
若频谱精细信息小于等于-0.5，则目标信号频率＝(m-0.5)*f0/N；
若频谱精细信息介于-0.5与0.5之间，则目标信号频率＝m*f0/N；
其中m是步骤4寻找到的峰值离散频谱位置；这是一种根据三个离散频谱幅度来拟合信号频谱详细信息，将离散频谱的离散间距降低一倍后再用该频谱详细信息确定信号频谱位置的方法。
步骤8、根据步骤7获得的目标信号频率计算出目标距离；性调频连续波探测系统的特点是发射信号的差频信号的频率与距离正相关，探测系统的工作参数决定了频率距离正相关的系数，用该系数乘以信号频率就可以获得探测距离。
另外，步骤3包括：对步骤2得到的各个离散频谱矢量，矢量的正交分量为I、Q；采用公式sqrt(I*I+Q*Q)，计算出其信号幅度A。
另外，步骤4包括：根据步骤3处理后的离散频谱信号幅度，从中寻找出峰值离散频谱的位置，并且该位置为从左边数第m个离散频谱。
另外，步骤5包括：根据步骤4获得离散频谱中的峰值所处位置，取出该离散频谱的峰值幅度，再加上前后相邻离散频谱的幅度，共取相邻的三个离散频谱的信号幅度A-1、A0、A+1。
另外，其特征在于，步骤6包括：根据步骤4获得的三个离散频谱信号幅度A-1、A0、A-1，用公式(A+1-A-1)/(A0+A-1+A+1)拟合出信号频率在离散频谱m附近的精细信息。
另外，步骤7包括：将原有的离散频谱的步进量一分为二，将每一个离散频谱的间隔细分为前后两个部分；根据步骤6获得的信号频率的精细信息，判断出信号频率处于其离散频谱间隔的前半部分还是后半部分，即确定信号频谱在细分后的离散频谱上的位置。
另外，步骤8包括：由于细分离散频谱，降低了离散频谱的间隔大小，步骤7得到的信号频率的测量精度随着提高一倍，而基于信号频率测量的目标测距精度也随着提高。
本发明的关注重点是步骤6、步骤7，即如何提高目标信号的频率测量精度，从而提高距离测量精度的问题。信号频率处于快速傅里叶变换FFT后相邻离散频点之间时，会造成在该相邻离散频点上都存在频谱分布。利用这种频谱分布，本发明的方法能进一步提高了信号频率的探测精度，进而提高距离探测精度。本方法简单易行，具有实用价值。

Claims (7)

1.一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将差频信号进行模数转换A/D采样，获得N＝2n的序列数据，其中n为整数；
步骤2、进行快速傅里叶变换FFT，生成频域的离散频谱矢量数据；
步骤3、将步骤2的各个离散频谱矢量计算出矢量模，即获各个离散频谱信号幅度；
步骤4、从步骤3频域的各个离散频谱信号幅度中找出离散频谱的峰值位置m；
步骤5、用步骤4获得的离散频谱的峰值信号幅度A0以及前一个相邻离散频谱的信号幅度A-1、后一个相邻离散频谱的信号幅度A+1；
步骤6、将步骤5的三个离散频谱信号幅度A0、A-1、A+1计算目标信号相对于离散频谱m的频率精细信息：
频率精细信息＝(A+1-A-1)/(A0+A-1+A+1)，
步骤7、用步骤6获得的频率精细信息来确定信号频率的细分离散频谱位置：
若频谱精细信息大于等于0.5，则目标信号频率＝(m+0.5)*f0/N；
若频谱精细信息小于等于-0.5，则目标信号频率＝(m-0.5)*f0/N；
若频谱精细信息介于-0.5与0.5之间，则目标信号频率＝m*f0/N；
其中m是步骤4寻找到的峰值离散频谱位置；
步骤8、根据步骤7获得的目标信号频率计算出目标距离。
2.根据权利要求1所述的一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，步骤3包括：对步骤2得到的各个离散频谱矢量，矢量的正交分量为I、Q；采用公式sqrt(I*I+Q*Q)，计算出其信号幅度A。
3.根据权利要求1所述的一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，步骤4包括：根据步骤3处理后的离散频谱信号幅度，从中寻找出峰值离散频谱的位置，并且该位置为从左边数第m个离散频谱。
4.根据权利要求1所述的一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，步骤5包括：根据步骤4获得离散频谱中的峰值所处位置，取出该离散频谱的峰值幅度，再加上前后相邻离散频谱的幅度，共取相邻的三个离散频谱的信号幅度A-1、A0、A+1。
5.根据权利要求3、4所述的一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，步骤6包括：根据步骤4获得的三个离散频谱信号幅度A-1、A0、A-1，用公式(A+1-A-1)/(A0+A-1+A+1)拟合出信号频率在离散频谱m附近的精细信息。
6.根据权利要求5所述的一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，步骤7包括：将原有的离散频谱的步进量一分为二，将每一个离散频谱的间隔细分为前后两个部分；根据步骤6获得的信号频率的精细信息，判断出信号频率处于其离散频谱间隔的前半部分还是后半部分，即确定信号频谱在细分后的离散频谱上的位置。
7.根据权利要求6所述的一种线性调频连续波探测系统距离测量精度的改进方法，其特征在于，步骤8包括：由于细分离散频谱，降低了离散频谱的间隔大小，步骤7得到的信号频率的测量精度随着提高一倍，而基于信号频率测量的目标测距精度也随着提高。
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