CN110763302A - 一种基于迭代频率估计的fmcw高精度液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，属于雷达液位计领域。首先将雷达对目标发射的电磁波信号以及接收的回波信号进行混频，得到差频信号；然后对差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号功率谱，找到功率谱的峰值点并记录位置m；以峰值点m为中心，左右各插入一个插值点，通过不断迭代得到插值点的位置偏移量δ_Q。根据最后一次迭代的位置偏移量δ_Q，计算差频信号的最优频谱分量。最后使用最优频谱分量测量雷达与被测液面之间的高精度距离；雷达与参考液面之间的距离减去雷达与被测液面之间的高精度距离，即得到高精度的待测液位。本发明仅通过两次迭代插值得到最优频谱分量，测量精度精确到1mm，运算复杂度小，运算速度快。

Description

一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法

技术领域

本发明属于雷达液位计领域，涉及一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法。

背景技术

液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低，用来测量液位的仪表称为液位计。在如食品、饮料、日化、医药和半导体等行业自动化生产过程中，为了保障产品质量的一致性，液位测量和监控逐渐取代了过去人工监控和干预的生产方式，成为生产过程中举足轻重的角色，可以说，液位的测量和监控直接影响着产品的质量，甚至关系到生产的过程是否能够顺利进行。

由于液体检测环境复杂多变，需要根据测量条件的不同而研发、设计不同的测量技术和液位测量方式，常见的液位检测方式有浮球式测量，音叉振动测量，超声波测量，时域反射测量，激光测量，光电折射式测量，电容式测量和静压式测量等。从液位检测技术的发展过程可看出，简单的粗略式测量日益被高精度、高可靠性和高稳定性的测量方式所取代。实际上，高精度液位测量对于保证各种液位自动控制系统的正常运行，保证液体货物的安全储运以及保证液体货物贸易的公平公正具有重要意义。

雷达液位计是一种非接触式液位测量装置，采用发射-反射-接收的工作模式探测液位高度，具有安全、可靠、精度高、寿命长和适应各种工作环境的优点，被广泛应用于石油、冶金以及化工等领域。

雷达液位计主要分为脉冲雷达液位计和连续调频波(FMCW)雷达液位计两类。脉冲雷达液位计受脉冲宽度和高速计时器的限制，测量精度一般在10mm～3m，为中低端雷达液位计。与脉冲雷达液位计相比，FMCW雷达液位计通过测量发射和目标反射的FMCW信号的频率差来获得距离信息，可以形成大带宽的FMCW信号，虽然测量精度可达3mm；但在各应用场景中，这个精度仍不满足标准。因此，对于FMCW雷达液位计，提高测距精度必须提高差频信号的频率测量精度。

研究者们提出了多种提高FMCW雷达测距精度的方法，例如：现有技术文献1：JainV K,Collins W L,Davis D C.通过内插傅里叶变换实现的高精度模拟测量[J].IEEETransactions on Instrumentation and Measurement,1979,28(2):113-122.提出了利用最大谱线和相邻谱线幅度的比值进行频率插值，从而估计信号的频率在这两条谱线之间的位置，该方法简单易实现，但受噪声影响较大，提高频率估计精度的能力有限；

文献2：齐国清,贾欣乐.基于DFT相位的正弦波频率和初相的高精度估计方法[J].电子学报,2001,29(9):1164-1167.提出了利用DFT频谱相位信息实现高精度测距，该方法存在相位测量模糊问题，且对硬件要求高，工程化难度较大；

文献3：王元恺,孙伟,许建中.毫米波雷达液位计高精度测距算法研究[J].测试技术学报,2015,29(6):529-533.提出了利用zoom FFT对频率进行局部细化，逐步找到频谱实际峰值的位置，该方法可在所选择的频带内利用较短的FFT达到较长FFT运算相同的频率分辨率，实质上是通过减少FFT点数达到减少运算量的目的，提高频率分辨率仍然需要足够长的信号观测时间。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，可在雷达系统带宽受限的情况下，实现毫米级别的液位测量精度，且具有运算复杂度小、运算速度快的特点。

所述的基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，具体步骤如下：

步骤一、将雷达对目标发射的电磁波信号以及接收的回波信号进行混频，得到差频信号；

混频是指：将回波信号和发射信号在时域上相乘，经过低通滤波后得到的输出信号即为差频信号。

步骤二、对差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号功率谱，找到功率谱的峰值点并记录位置m；

差频信号功率谱反应了信号功率在频域内的分布情况；针对差频信号，进行N点傅里叶变换，输出N点数据，其中幅度值最大的数据所占的排序，即位置m。

步骤三、以峰值点的位置m为中心，在峰值点左右各插入一个插值点，通过不断迭代得到最终插值点的位置偏移量δ_Q。

具体过程如下：

步骤301、在位置m左右分别间隔p₁和p₂处各插入一个迭代插值点；

p₁和p₂的初始位置人为设定。

步骤302、分别计算第q次迭代下两个插值点对应的傅里叶系数和

傅里叶系数的计算公式为：

s(n)表示差频信号，n表示离散时间；j表示虚数；δ_q-1为第q-1次迭代对应的位置偏移量；δ初始值设为0；q＝1,…,Q，Q表示总迭代次数。

步骤303、根据第q次迭代的傅里叶系数计算位置偏移增量h(δ_q-1)；

位置偏移增量h(δ_q-1)的计算公式为：

步骤304、根据第q次迭代得到的位置偏移增量h(δ_q-1)更新位置偏移量δ_q；

更新公式如下：

δ_q＝δ_q-1+h(δ_q-1) (3)

步骤305、令迭代次数q自增1，利用位置偏移量δ_q得到新的左右插值位置为m+δ_q-1+p；

步骤306、重复计算新的插值位置处的傅里叶系数和位置偏移增量，并更新位置偏移量；直至q＝Q，得到最终插值点的位置偏移量δ_Q。

步骤四、根据最后一次迭代的位置偏移量δ_Q，计算差频信号的最优频谱分量；

最优频谱分量f计算公式为：

f_s表示差频信号的采样频率。

步骤五、使用最优频谱分量测量雷达与被测液面之间的高精度距离。

其中，c表示光速，S表示雷达发射的调频连续波的斜率。

步骤六，雷达与参考液面之间的距离减去雷达与被测液面之间的高精度距离，即得到高精度的待测液位。

参考液面选取液位＝0的情况，即没有液体。

本发明的优点如下：

1)、一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，提供了一种高精度液位测量方法，可以将雷达液位计的液位距离测量精度提高到1mm。

2)、一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，相比现有的液位测量方法，仅通过两次迭代插值步骤就可以得到最优频谱分量，运算复杂度小，运算速度快。

附图说明

图1是本发明基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法流程图；

图2是本发明实施例雷达液位计垂直安装示意图；

图3是本发明实施例雷达液位计待测液位示意图；

图4是本发明单个差频信号的功率谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，在本实施例中通过77GHz调频连续波，雷达发射调频连续波信号并接收回波信号，发射信号和回波信号经相干混频后输出差频信号。对差频信号进行傅里叶变换得到功率谱，然后找到差频信号功率谱中峰值点所在的位置并进行两次迭代插值，获得最优频谱分量，从而计算出液位距离。经实施例验证，本发明可实现毫米级别的测量精度，且运算复杂度小，运算速度快，满足工程应用要求。

一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、将雷达对目标发射的电磁波信号以及接收的回波信号进行混频，得到差频信号；

混频是指：将回波信号和发射信号在时域上相乘，经过低通滤波后得到的输出信号即为差频信号。

步骤二、对差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号功率谱，找到功率谱的峰值点并记录位置m；

差频信号功率谱反应了信号功率在频域内的分布情况；针对差频信号，进行N点傅里叶变换，输出N点数据，其中幅度值最大的数据所占的排序，即位置m。

步骤三、以峰值点的位置m为中心，在峰值点左右各插入一个插值点，通过不断迭代得到最终插值点的位置偏移量δ_Q。

具体过程如下：

步骤301、在位置m左右分别间隔p₁和p₂处各插入一个迭代插值点；

p₁和p₂的初始位置人为设定。

步骤302、分别计算第q次迭代下两个插值点对应的傅里叶系数和

傅里叶系数的计算公式为：

s(n)表示差频信号，n表示离散时间；j表示虚数；δ_q-1为第q-1次迭代对应的位置偏移量；δ初始值设为0；q＝1,…,Q，Q表示总迭代次数。

步骤303、根据第q次迭代的傅里叶系数计算位置偏移增量h(δ_q-1)；

位置偏移增量h(δ_q-1)的计算公式为：

或者

步骤304、根据第q次迭代得到的位置偏移增量h(δ_q-1)更新位置偏移量δ_q；

更新公式如下：

δ_q＝δ_q-1+h(δ_q-1)

步骤305、令迭代次数q自增1，利用位置偏移量δ_q得到新的左右插值位置为m+δ_q-1+p；

步骤306、重复计算新的插值位置处的傅里叶系数和位置偏移增量，并更新位置偏移量；直至q＝Q，得到最终插值点的位置偏移量δ_Q。

步骤四、根据最后一次迭代的位置偏移量δ_Q，计算差频信号的最优频谱分量；

最优频谱分量计算公式为：

f_s表示差频信号的采样频率。

步骤五、使用最优频谱分量测量雷达与被测液面之间的高精度距离。

其中，c表示光速，S表示雷达发射的调频连续波的斜率。

步骤六，雷达与参考液面之间的距离减去雷达与被测液面之间的高精度距离，即得到高精度的待测液位。

参考液面选取液位＝0的情况，即没有液体。

实施例：

本发明实现的硬件包括77GHz调频连续波雷达、数据采集模块和计算机，结构如图2所示，安装并固定77GHz调频连续波雷达，使雷达与待测液面相距一定高度，且保持雷达辐射电磁波方向垂直于待测液面。

具体实施步骤如下：

步骤1，连接电源，使雷达处于工作状态，雷达沿液面垂直方向连续发射20个线性调频脉冲。对雷达的发射信号和回波信号进行混频，得到差频信号，并输出给数据采集模块，数据采集模块通过以太网将20个差频信号的数据发送至计算机。

设置线性调频脉冲的带宽B＝1535.1MHz，斜率

脉冲周期为10ms。假设在该观测时间内，待测液位保持不变，如图3所示。

步骤2，在计算机上对差频信号进行2048点快速傅里叶变换，得到差频信号的功率谱如图4所示，其中，功率谱峰值点对应的位置为第1130点。

步骤3，以峰值点所在位置m＝1129为中心，在左右0.5格处分别插入一个迭代插值点，计算插值点所对应的傅里叶系数，分别为92.0449+949.7230i和-1525.0256+17300.7051i。

步骤4，由公式(2)计算得到位置偏移增量h(δ)＝0.6837，并更新位置偏移量δ＝0.6837。

步骤5，在左右0.5格处结合偏移量0.6837得到新的距离峰值点0.1837和1.1837格，分别插入一个迭代插值点，插值点所对应的傅里叶系数分别为-1313.7994-256.5179i和1588.7974+1740.44426i。

步骤6，计算得到位置偏移增量h(δ)＝0.1515和位置偏移量δ＝0.8352。

步骤7，由位置偏移量δ＝0.8352计算出差频信号的最优频谱分量f＝258386.7978Hz，相应的雷达距离被测液面的高度为1.291815309639300m。

本实施例仅通过两次迭代插值就可以得到最优频谱分量。通过改变实施例中容器内液体的高度，分别为55mm、59mm、70mm和80mm，在不同液位条件下采集多组雷达数据，计算雷达与液面之间的距离，验证该高精度液位测量方法的精度。

本实施例中的液位为55mm，得到20个差频信号中的一个，因为没有测量不加水时雷达与液面(水盆底)之间的距离，所以没有参考值计算误差。

第一次观测过程中，液面高度为55mm，由20个线性调频脉冲计算得到的雷达-液面距离均值为1.291581071492244m；第二次观测过程中，液面高度为59mm，雷达-液面距离均值为1.288507354104554m，实际液面高度变化为5mm，雷达实测液面高度变化为0.003073717387690m即3.1mm，误差为1.7mm。第三次观测过程中，液面高度为70mm，雷达-液面距离均值为1.277536869779147m，实际液面高度变化为11mm，雷达实测液面高度变化为0.010970484325407m即11.1mm，误差为0.1mm。第四次观测过程中，液面高度为80mm，雷达-液面距离均值为1.267150009648632m，实际液面高度变化为10mm，雷达实测液面高度变化为0.010386860130515m即10.4mm，误差为0.4mm。

通过以上实施例以及多组实验数据，可判定本发明提供的一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法可将液位变化测量误差控制在毫米级别，保证了调频连续波雷达液位计对于液位距离测量高精度的要求。同时，本方法完成一次测量仅需要四次傅里叶变换，运算量小，计算速度快，易于工程实现，可满足工程应用对于实时测量的需求。

Claims (6)

1.一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、将雷达对目标发射的电磁波信号以及接收的回波信号进行混频，得到差频信号；

步骤二、对差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号功率谱，找到功率谱的峰值点并记录位置m；

步骤三、以峰值点的位置m为中心，在峰值点左右各插入一个插值点，通过不断迭代得到最终插值点的位置偏移量δ_Q；

具体过程如下：

步骤301、在位置m左右分别间隔p₁和p₂处各插入一个迭代插值点；

步骤302、分别计算第q次迭代下两个插值点对应的傅里叶系数

和

傅里叶系数的计算公式为：

s(n)表示差频信号，n表示离散时间；j表示虚数；δ_q-1为第q-1次迭代对应的位置偏移量；δ初始值设为0；q＝1,…,Q，Q表示总迭代次数；

步骤303、根据第q次迭代的傅里叶系数计算位置偏移增量h(δ_q-1)；

位置偏移增量h(δ_q-1)的计算公式为：

步骤304、根据第q次迭代得到的位置偏移增量h(δ_q-1)更新位置偏移量δ_q；

更新公式如下：

δ_q＝δ_q-1+h(δ_q-1) (3)

步骤305、令迭代次数q自增1，利用位置偏移量δ_q得到新的左右插值位置为m+δ_q-1+p；

步骤306、重复计算新的插值位置处的傅里叶系数和位置偏移增量，并更新位置偏移量；直至q＝Q，得到最终插值点的位置偏移量δ_Q；

步骤四、根据最后一次迭代的位置偏移量δ_Q，计算差频信号的最优频谱分量；

最优频谱分量f计算公式为：

f_s表示差频信号的采样频率；

步骤五、使用最优频谱分量测量雷达与被测液面之间的高精度距离；

步骤六，雷达与参考液面之间的距离减去雷达与被测液面之间的高精度距离，即得到高精度的待测液位。

2.如权利要求1所述的一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，其特征在于，步骤一中所述的混频是指：将回波信号和发射信号在时域上相乘，经过低通滤波后得到的输出信号即为差频信号。

3.如权利要求1所述的一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，其特征在于，所述的步骤二中，差频信号功率谱反应了信号功率在频域内的分布情况；针对差频信号，进行N点傅里叶变换，输出N点数据，其中幅度值最大的数据所占的排序，即位置m。

4.如权利要求1所述的一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，其特征在于，所述的位置偏移增量h(δ_q)的计算公式另一个选择为：

5.如权利要求1所述的一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，其特征在于，步骤五中所述的雷达与被测液面之间的高精度距离计算公式为：

其中，c表示光速，S表示雷达发射的调频连续波的斜率。

6.如权利要求1所述的一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，其特征在于，所述步骤六中参考液面选取液位＝0的情况，即没有液体。

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