CN110672875A - 基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法 - Google Patents

基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于Chirp‑Z变换的表面水流速度检测方法，包括如下步骤：输入多普勒雷达信号，所述多普勒雷达信号来源于连续波雷达的回波，经过前端滤波和下变频后的基带信号的数字化采样；对输入的多普勒雷达信号进行信号预处理；使用预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，粗略计算频率点；在所述频率点附近取一区间，对所述区间进行Chirp‑Z变换频谱细化，计算水面速度；将计算得到的水面速度输入到卡尔曼滤波器中，以平滑速度数据，由此得到所述的表面水流速度。本发明方法使用Chirp‑Z变换进行频谱细化，减少了离散傅里叶变换带来的栅栏效应，提高了频率的准确度，间接提高速度信息的精度。

Description

基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法
技术领域
本发明涉及水流速度测量的技术领域，尤其涉及一种基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法。
背景技术
水文监测活动对水资源的管理和开发有着重要的意义。河流的水文特征包括水位、流速、流量、汛期、冰期、含沙量等。其中，水流速度的测量是水流量计算和监测的重要组成部分。传统的接触式测量仪器不仅安装费时费力，而且维护起来十分困难，因而对非接触式测量方法的需求也越来越大，对它研究和应用也越来越广泛。目前非接触式测量通常通过超声波、激光、雷达等方式进行。其中雷达式流速仪相较其他方式表现出了较大的优势，是目前较为先进的非接触式测量方法。
雷达流速仪的基本原理是多普勒效应，雷达和待测目标之间产生相对速度时，会在雷达回波中产生多普勒频移，其频率值与相对速度成正比。因此为了获得水流速度值，需要从雷达回波中提取多普勒频移。常见的提取方法便是传统的数字信号处理算法。对回波信号采样后直接进行离散傅里叶变换即可获得频率信息。该方法虽然简单，但是受到离散傅里叶变换自身的缺陷影响，其精度不高，并且很容易受到环境因素的影响。
在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：
(1)回波中存在的噪声会影响离散傅里叶变换效果，在低速低频时速度信息容易被噪声所淹没；
(2)离散傅里叶变换自身存在的缺陷会使速度计算结果精度降低；
(3)环境中的某些干扰足以造成回波数据的异常，传统的数字信号处理方法难以对这些异常干扰进行处理。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法，包括以下步骤：
输入多普勒雷达信号，所述多普勒雷达信号来源于连续波雷达的回波，经过前端滤波和下变频后的基带信号的数字化采样；
对输入的多普勒雷达信号进行信号预处理；
使用预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，粗略计算频率点；
在所述频率点附近取一区间，对所述区间进行Chirp-Z变换频谱细化，计算水面速度；
将计算得到的水面速度输入到卡尔曼滤波器中，以平滑速度数据，由此得到所述的表面水流速度。
其中，所述数字化采样的采样率需要满足奈奎斯特采样定律。
其中，所述信号预处理包括数字低通滤波、最小均方误差滤波、去均值、加时域窗、归一化。
其中，所述频率点为在目标频段内使用峰值检测法获得幅度最大处的频率点。
其中，在计算所述水面速度时需要一多普勒频率，所述多普勒频率是指在进行频谱细化之后再次使用峰值检测法求得细化区间内的峰值频率。
其中，根据所述多普勒频率计算水面速度的公式如下所示：
Figure BDA0002241143450000021
其中，v是水面速度，fD是所述多普勒频率，fc是雷达载波频率，c是光速，θ是雷达安装俯仰角。
其中，在方法最后还包括如下步骤：将速度数据发送到上位机进行观察和保存，以达到监测水流表面速度的目的。
基于上述技术方案可知，本发明的基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)本发明方法使用快速傅里叶变换计算信号频谱，实现了对雷达回波信号数据进行频谱分析，并能够给出大致的水面速度；
(2)本发明方法使用Chirp-Z变换进行频谱细化，减少了离散傅里叶变换带来的栅栏效应，提高了频率的准确度，间接提高速度信息的精度；
(3)本发明方法使用卡尔曼滤波器来对速度数据进行预测和平滑，减少了由于环境和测量因素带来的数据波动，能够更准确地对流速数据进行监测。
附图说明
图1是本发明基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法的测量流程框图；
图2是本发明基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法的示意图；
图3是本发明利用Chirp-Z变换进行频谱细化的变换原理；
图4是本发明实施例中的雷达信号；
图5是本发明实施例中雷达回波的FFT频谱；
图6是本发明实施例中进行Chirp-Z变换的频谱细化后的细化频谱图；
图7是本发明实施例中的利用Chirp-Z变换进行表面水流速度检测的测速结果。
具体实施方式
本发明方法使用快速傅里叶变换计算信号频谱，实现了对雷达回波信号数据进行频谱分析，并能够给出大致的水面速度；使用Chirp-Z变换进行频谱细化，减少了离散傅里叶变换带来的栅栏效应，提高了频率的准确度，间接提高速度信息的精度；使用卡尔曼滤波器来对速度数据进行预测和平滑，减少了由于环境和测量因素带来的数据波动，能够更准确地对流速数据进行监测。其中，检测方法的流程框图如图1所示。
测量方法如图2所示，将雷达以一定高度和角度照射水面，照射方向与水流方向相反。当入射角度、水面波浪的波长和雷达信号的波长满足布拉格条件时，会发生布拉格散射。此时雷达回波的能量会显著增大，并且散射回波当中会携带多普勒频率信息。只需要提取出雷达回波中的多普勒频率，就可以求出水面的速度。
具体的，本发明提供了一种基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法，包括以下步骤：
输入多普勒雷达信号，所述多普勒雷达信号来源于连续波雷达的回波，经过前端滤波和下变频后的基带信号的数字化采样；
对输入的多普勒雷达信号进行信号预处理；
使用预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，粗略计算频率点；
在所述频率点附近取一区间，对所述区间进行Chirp-Z变换频谱细化，计算水面速度；
将计算得到的水面速度输入到卡尔曼滤波器中，以平滑速度数据，由此得到所述的表面水流速度。
其中，所述数字化采样的采样率需要满足奈奎斯特采样定律。
其中，所述信号预处理包括数字低通滤波、最小均方误差滤波、去均值、加时域窗、归一化。
其中，所述频率点为在目标频段内使用峰值检测法获得幅度最大处的频率点。
其中，在计算所述水面速度时需要一多普勒频率，所述多普勒频率是指在进行频谱细化之后再次使用峰值检测法求得细化区间内的峰值频率。
其中，根据所述多普勒频率计算水面速度的公式如下所示：
Figure BDA0002241143450000041
其中，v是水面速度，fD是所述多普勒频率，fc是雷达载波频率，c是光速，θ是雷达安装俯仰角。图3所示为利用Chirp-Z变换进行频谱细化的变换原理。
其中，在方法最后还包括如下步骤：将速度数据发送到上位机进行观察和保存，以达到监测水流表面速度的目的。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本实施例中，通过所阐述的基于频域变换和卡尔曼滤波器的水面流动速度检测方法，检测示例数据中的速度信息。
(1)输入原始数据进行预处理，包括数字低通滤波、最小均方误差滤波、去均值、加时域窗、归一化。使用的数据为n*1024长度，其中n为计算速度的长度，1024为每道数据处理流程的长度，如图4所示是其中一道示例数据。
(2)使用上述经过预处理的数据进行N点DFT，这里采用FFT来快速计算DFT。计算结果如图5所示。利用峰值检测法获得最大值所在的频点作为粗算频率值。
(3)在粗算频率值的周围取一定范围，对该频率区间使用D点CZT变换进行频率细化，细化后的频谱如图6所示。再次使用峰值检测法得到最大值所在频点，该频点即为多普勒频率值。
(4)根据多普勒原理，通过(3)中所获得的多普勒频率值计算水面和雷达的相对速度。按照图4所示，测量频率值为327.2Hz，根据上述公式即可计算出速度值为2.89m/s，与预设速度3.0m/s误差在4％以内。
(5)将(4)中计算的速度值输入卡尔曼滤波器，通过卡尔曼滤波器的预测和更新两个阶段计算出最终滤波后的速度值，该速度值将作为水流表面的当前速度值。图7中红色三角形表示卡尔曼滤波器处理的结果。结果显示，卡尔曼滤波器能够有效降低数据的波动，提高测量精度。
(6)重复上述过程可以获得一段时间内的水流表面速度信息，将这些信息发送到上位机，完成整个检测过程。最终结果如图7所示。结果显示，该方法能够有效测量雷达信号中的速度值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于Chirp-Z变换的表面水流速度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
输入多普勒雷达信号，所述多普勒雷达信号来源于连续波雷达的回波，经过前端滤波和下变频后的基带信号的数字化采样；
对输入的多普勒雷达信号进行信号预处理；
使用预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，粗略计算频率点；
在所述频率点附近取一区间，对所述区间进行Chirp-Z变换频谱细化，计算水面速度；
将计算得到的水面速度输入到卡尔曼滤波器中，以平滑速度数据，由此得到所述的表面水流速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字化采样的采样率需要满足奈奎斯特采样定律。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号预处理包括数字低通滤波、最小均方误差滤波、去均值、加时域窗、归一化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率点为在目标频段内使用峰值检测法获得幅度最大处的频率点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算所述水面速度时需要一多普勒频率，所述多普勒频率是指在进行频谱细化之后再次使用峰值检测法求得细化区间内的峰值频率。
6.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述多普勒频率计算水面速度的公式如下所示：
Figure FDA0002241143440000011
其中，v是水面速度，fD是所述多普勒频率，fc是雷达载波频率，c是光速，θ是雷达安装俯仰角。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法最后还包括如下步骤：将速度数据发送到上位机进行观察和保存，以达到监测水流表面速度的目的。
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