CN113687345A - 一种多普勒雷达水流测速的方法及装置 - Google Patents

一种多普勒雷达水流测速的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达检测技术领域，提供了一种多普勒雷达水流测速的方法及装置。该方法包括，将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路进入高采样频率ADC，另一路进入低采样频率ADC；对经过采样频率的两路信号分别进行FFT变换，对经FFT变换后的两路信号分别搜索频率谱的最大值，基于设定的规则得到多普勒频率的无模糊估计值；采用频率差值方法对所述多普勒频率的无模糊估计值进行细化补偿，得到多普勒频率的估计值；基于多普勒频率的估计值得到水流径向速度，再结合陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面的夹角，获得水流速度。

Description

一种多普勒雷达水流测速的方法及装置
技术领域
本发明属于雷达检测技术领域，尤其涉及一种多普勒雷达水流测速的方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
根据水速传感器的技术标准，要求水流测速雷达有效测量范围为0.01m/s-20m/s，误差范围为0.003m/s或实际速度的±1％。测速范围跨度达到2000倍，即单次测量采样点数不低于2000点。已知M点的FFT计算量为M/2log2M，2000点基-2复FFT计算量约为10240次复浮点数乘法。若要使速度分辨率达到最小误差要求的0.003m/s，则单测测量的采样点数将达到6000点以上，众多采样点数引起的计算量也大大增加，这对于低廉的嵌入式系统的计算带来巨大的挑战。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种多普勒雷达水流测速的方法及装置，其能够以较小的设备成本和计算量完成高精度、大范围的频率测量，设计出一种双FFT算法，可以达到常规FFT的频率测量精度和范围，但所需采样点数和计算量远小于常规FFT。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种多普勒雷达水流测速的方法。
一种多普勒雷达水流测速的方法，包括：
将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路进入高采样频率ADC，另一路进入低采样频率ADC；
对经过采样频率的两路信号分别进行FFT变换，对经FFT变换后的两路信号分别搜索频率谱的最大值，基于设定的规则得到多普勒频率的无模糊估计值；
采用频率差值方法对所述多普勒频率的无模糊估计值进行细化补偿，得到多普勒频率的估计值；
基于多普勒频率的估计值得到水流径向速度，再结合陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面的夹角，获得水流速度。
进一步的，所述将多普雷达输出的I、Q信号分成两路包括：将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路包括第一I信号和第一Q信号，另一路包括第二I信号和第二Q信号。
进一步的，将分成两路的多普雷达输出的I、Q信号存储在RAM中。
进一步的，所述高采样频率ADC的采样频率为fs，采样时间为Tsamp/N；低采样频率ADC的采样频率为fs/N，采样时间为Tsamp，采样点数为N。
进一步的，所述设定的规则包括：
(1)当
Figure BDA0003177539430000021
时，
令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))，此时
Figure BDA0003177539430000022
(2)
Figure BDA0003177539430000023
且P1·N2/(fs·Tsamp)为整数时，
令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))+1，此时
Figure BDA0003177539430000024
其中，P1和P2表示最大值对应的谱线序号，fs表示高采样频率ADC的采样频率，Tsamp表示低采样频率ADC的采样时间，函数floor(·)表示数值向下求整，多普勒频率的无模糊估计值
Figure BDA0003177539430000031
本发明的第二个方面提供一种多普勒雷达水流测速的装置。
一种多普勒雷达水流测速的装置，包括：
分路单元，用于将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路进入高采样频率ADC，另一路进入低采样频率ADC；
第一计算单元，用于对经过采样频率的两路信号分别进行FFT变换，对经FFT变换后的两路信号分别搜索频率谱的最大值，基于设定的规则得到多普勒频率的无模糊估计值；
第二计算单元，用于采用频率差值方法对所述多普勒频率的无模糊估计值进行细化补偿，得到多普勒频率的估计值；
输出单元，用于基于多普勒频率的估计值得到水流径向速度，再结合陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面的夹角，获得水流速度。
进一步的，所述分路单元包括：将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路包括第一I信号和第一Q信号，另一路包括第二I信号和第二Q信号。
进一步的，所述设定的规则包括：
(1)当
Figure BDA0003177539430000032
时，
令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))，此时
Figure BDA0003177539430000033
(2)
Figure BDA0003177539430000034
且P1·N2/(fs·Tsamp)为整数时，
令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))+1，此时
Figure BDA0003177539430000041
其中，P1和P2表示最大值对应的谱线序号，fs表示高采样频率ADC的采样频率，Tsamp表示低采样频率ADC的采样时间，函数floor(·)表示数值向下求整，多普勒频率的无模糊估计值
Figure BDA0003177539430000042
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的多普勒雷达水流测速的方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的多普勒雷达水流测速的装置中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将多普勒雷达输出的I、Q信号分成两路，对两路采样数据分别进行复FFT，能够实现利用较少的计算量获得较高的精度。
本发明能够以较小的设备成本和计算量完成高精度、大范围的频率测量。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明多普勒雷达水流测速的方法的流程图；
图2是本发明两路信号幅度谱图；
图3是本发明幅度谱差值细化补偿示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种多普勒雷达水流测速的方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务CDN、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：
(1)将多普勒雷达输出的I、Q信号分成两路，其中一路进入高采样频率ADC，其采样频率为fs，采样时间为Tsamp/N，另一路进入低采样频率ADC，其采样频率为fs/N，采样时间为Tsamp。其中N为正整数，满足
Figure BDA0003177539430000061
且fs/N为整数。
(2)对两路采样数据分别进行复数FFT，如图2所示，第一路信号的最大频率为fs，频率分辨率单元为N/Tsamp；第一路信号的最大频率为fs/N，频率分辨率单元为1/Tsamp。第一路信号频率估计无模糊，但是分辨率不够，第二路信号满足分辨率要求但是存在频率估计模糊。对两路信号做FFT。
(3)分别搜索频率谱的最大值，设最大值对应的谱线序号分别为P1和P2，可以根据以下规则得到信号频率的无模糊估计值
Figure BDA0003177539430000062
1.当
Figure BDA0003177539430000063
时，令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))，此时
Figure BDA0003177539430000064
2.当
Figure BDA0003177539430000071
且P1·N2/(fs·Tsamp)为整数，令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))+1，此时
Figure BDA0003177539430000072
函数floor(·)表示数值向下求整。
(4)为提高频率估计的精度，利用频率谱插值的方法对频率估计值
Figure BDA0003177539430000073
进行细化补偿，如图3所示，P2对应频谱的最大值位置，
Figure BDA0003177539430000074
和
Figure BDA0003177539430000075
分别为P2相邻谱线位置，三个谱线的幅度分别表示为A-、A和A+，谱线的间距为频率分辨率单元Δfd。根据rife算法的原理，插值细化后的频率补偿值
Figure BDA0003177539430000076
可以近似表示为
Figure BDA0003177539430000077
(5)多普勒频率的估计值
Figure BDA0003177539430000078
计算出目标径向速度估计为V′＝fd/160，利用陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面夹角θ，则水流速度为V＝V′/cosθ。
作为本实施例的一种应用方式，将雷达输出的I、Q信号分成两路，一路高采样频率，一路低采样频率，两路采样数据分别进行复FFT计算。分别搜索频率谱的最大值，根据设定规则得到信号频率的无模糊估计值
Figure BDA0003177539430000079
为提高频率估计的精度，利用频率谱插值的方法对频率估计值
Figure BDA00031775394300000710
进行细化补偿，插值细化后的频率补偿值
Figure BDA00031775394300000711
得到多普勒频率的估计值fd。对于24GHz多普勒雷达，目标径向速度估计为V′＝fd/160，利用陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面夹角θ，则水流速度为V＝V′/cosθ。
实施例二
本实施例提供了一种多普勒雷达水流测速的装置。
分路单元，用于将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路进入高采样频率ADC，另一路进入低采样频率ADC；
第一计算单元，用于对经过采样频率的两路信号分别进行FFT变换，对经FFT变换后的两路信号分别搜索频率谱的最大值，基于设定的规则得到多普勒频率的无模糊估计值；
第二计算单元，用于采用频率差值方法对所述多普勒频率的无模糊估计值进行细化补偿，得到多普勒频率的估计值；
输出单元，用于基于多普勒频率的估计值得到水流径向速度，再结合陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面的夹角，获得水流速度。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的多普勒雷达水流测速的方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的多普勒雷达水流测速的方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多普勒雷达水流测速的方法，其特征在于，包括：
将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路进入高采样频率ADC，另一路进入低采样频率ADC；
对经过采样频率的两路信号分别进行FFT变换，对经FFT变换后的两路信号分别搜索频率谱的最大值，基于设定的规则得到多普勒频率的无模糊估计值；
采用频率差值方法对所述多普勒频率的无模糊估计值进行细化补偿，得到多普勒频率的估计值；
基于多普勒频率的估计值得到水流径向速度，再结合陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面的夹角，获得水流速度。
2.根据权利要求1所述的多普勒雷达水流测速的方法，其特征在于，所述将多普雷达输出的I、Q信号分成两路包括：将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路包括第一I信号和第一Q信号，另一路包括第二I信号和第二Q信号。
3.根据权利要求1所述的多普勒雷达水流测速的方法，其特征在于，将分成两路的多普雷达输出的I、Q信号存储在RAM中。
4.根据权利要求1所述的多普勒雷达水流测速的方法，其特征在于，所述高采样频率ADC的采样频率为fs，采样时间为Tsamp/N；低采样频率ADC的采样频率为fs/N，采样时间为Tsamp，采样点数为N。
5.根据权利要求1所述的多普勒雷达水流测速的方法，其特征在于，所述设定的规则包括：
(1)当
Figure FDA0003177539420000011
时，令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))，此时
Figure FDA0003177539420000012
(2)当
Figure FDA0003177539420000021
且P1·N2/(fs·Tsamp)为整数，令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))+1，此时
Figure FDA0003177539420000022
函数floor(·)表示数值向下求整；
其中，P1和P2表示最大值对应的谱线序号，fs表示高采样频率ADC的采样频率，Tsamp表示低采样频率ADC的采样时间，函数floor(·)表示数值向下求整，多普勒频率的无模糊估计值
Figure FDA0003177539420000023
6.一种多普勒雷达水流测速的装置，其特征在于，包括：
分路单元，用于将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路进入高采样频率ADC，另一路进入低采样频率ADC；
第一计算单元，用于对经过采样频率的两路信号分别进行FFT变换，对经FFT变换后的两路信号分别搜索频率谱的最大值，基于设定的规则得到多普勒频率的无模糊估计值；
第二计算单元，用于采用频率差值方法对所述多普勒频率的无模糊估计值进行细化补偿，得到多普勒频率的估计值；
输出单元，用于基于多普勒频率的估计值得到水流径向速度，再结合陀螺仪测量雷达天线轴向与水平面的夹角，获得水流速度。
7.根据权利要求6所述的多普勒雷达水流测速的装置，其特征在于，所述分路单元包括：将多普雷达输出的I、Q信号分成两路，一路包括第一I信号和第一Q信号，另一路包括第二I信号和第二Q信号。
8.根据权利要求6所述的多普勒雷达水流测速的装置，其特征在于，所述设定的规则包括：
(1)当
Figure FDA0003177539420000031
时，令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))，此时
Figure FDA0003177539420000032
(2)当
Figure FDA0003177539420000033
且P1·N2/(fs·Tsamp)为整数，令W＝floor(P1·N2/(fs·Tsamp))+1，此时
Figure FDA0003177539420000034
函数floor(·)表示数值向下求整；
其中，P1和P2表示最大值对应的谱线序号，fs表示高采样频率ADC的采样频率，Tsamp表示低采样频率ADC的采样时间，函数floor(·)表示数值向下求整，多普勒频率的无模糊估计值
Figure FDA0003177539420000035
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的多普勒雷达水流测速的方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的多普勒雷达水流测速的方法中的步骤。
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