CN114070352A - 一种用于无线电高度表的调频周期切换方法 - Google Patents

一种用于无线电高度表的调频周期切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，涉及调频连续波无线电高度表的技术领域，具体包括如下步骤：首先进行调频周期搜索，在chirp参数集中搜索对应的chirp，使用该chirp参数设置频率综合器，进行高度测量；进而进行调频周期切换；采用迟滞比较的调频周期切换算法实现调频周期的平滑切换；然后进入调频周期监控；每隔dt时间运行一次步骤S1；本发明旨在解决调频连续波无线电高度表在切换点附近频繁来回切换，高度测量值抖动的问题，能使无线电高度表在工作范围内的高度测量值平滑有效，降低切换点处测量误差，提高测高精度。

Description

一种用于无线电高度表的调频周期切换方法
技术领域
本发明涉及调频连续波无线电高度表的技术领域，具体涉及一种用于无线 电高度表的调频周期切换方法。
背景技术
无线电高度表于1930年首次研制成功并被用来测量地面上空的飞行器高 度，随后无线电高度表广泛应用于军事和民用领域；由于无线电高度表不受天 气和季候的影响，并具有体积小，重量轻，功耗低等优点，其常被应用于飞行 器精确导航、快速修正、减小再入误差、辅助雷达制导、地形匹配、自动着陆 以及垂直测高，同时还可以用于精确测量地表粗糙度、海洋波浪高度等多种参 数；与激光测距仪相比，无线电高度表不受航姿系统自身误差的影响，在不同 飞行姿态以及不同地形变换的条件下均能获得准确的对地距离。
调频连续波高度表中调频周期的调整方法是高度测量算法中的关键问题之 一，目前主要有两种方法；一种方法是在高度测量过程中调整调频周期以使在 不同的高度上中频信号频率始终处于固定点，高度信息可以通过调频周期间接 获得。这种方法的优点是中频滤波器可以设计为一个恒定的窄通带，这使得在 整个测高范围内不需要额外的噪声抑制电路便可以完成工作。然而，上述方法 的缺点是在遇到复杂地形时需要不间断调整调频周期，而且在测高误差存在的 情况下，可能会引起高度误差变大甚至引起高度跳变；另一种方法是预设若干 个固定的调频周期，调频周期随高度的变化在预设值间切换，中频信号频率限 定在一定范围内，高度信息通过中频信号频率获得，这种方法的优点是可以避免高度表一直改变调频周期，缺点是调频周期在切换点附近可能会频繁来回切 换，从而造成高度值抖动，导致后续测量误差进一步加大。
因此，如何解决在复杂地形或各种飞行姿态下，调频周期调整时，高度均 能平滑测量是目前无线电高度表研究中的一个热点问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前调频周期在切换点附近频繁来回切换，从而 造成高度测量抖动的问题，提供了一种用于无线电高度表的调频周期切换方法， 解决了在调频周期切换时，高度测量结果仍然平滑连续的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，包括如下步骤：
S1：调频周期搜索；在chirp参数集中搜索对应的chirp，使用该chirp 参数设置频率综合器，进行高度测量；由于系统上电时，高度表所处高度未知， 此时需从预设chirp参数集中选取一组合适的调频参数，以使该初始高度对应 的IF信号频率能够满足ADC采样率要求；另外，在高度测量出现错误时，也需 要重新搜索调频周期；
S2：调频周期切换；采用迟滞比较的调频周期切换算法实现调频周期的平 滑切换；具体的，在上电搜索完成后，高度表随即进入调频周期正常切换工作 状态；为使调频周期在切换点附近能够平滑切换，减小切换点附近高度测量抖 动和误差，采用了基于迟滞比较的调频周期切换算法；
S3：调频周期监控；每隔dt时间运行一次步骤S1；为避免高度表实际高 度大于调频周期正常高度区间时，IF信号折返而给出错误高度信息，引入调频 周期监控。
进一步地，chirp为一组特定的调频周期tm和调频带宽bw；一组特定的调 频周期tm和调频带宽bw为一组chirp参数；chirp参数集中包括n个chirp； chirp参数集以链表形式进行存储，形成chirp链表；由于在起始频率一定的 情况下，FMCW无线电高度表测高主要与调频周期tm，调频带宽bw等参数有关， 因此将一组特定的(tm,bw)称为一个chirp，而chirp参数集中则包括n个 chirp。
进一步地，步骤S1的详细步骤为：
S11：将chirp参数集初始化；
S12：开始搜索chirp；
S13：确定对应的chirp。
其中步骤S11的详细步骤为：根据调频周期tm，按照从小到大的顺序对 chirp链表进行排列，初始化后的chirp链表中的chirp依次表达为：chirp1、 chirp2、chirp3、……chirpn-2、chirpn-1、chirpn；计算每个chirp对应的 理论测高区间等。
进一步地，步骤S12的详细步骤为：首先依次从chirp链表中取出一个 chirp并使用该chirp参数设置频率综合器，然后进行高度测量、功率计算和 距离有效性判断。
进一步地，步骤S13中确定的chirp应满足在该chirp参数下所测的距离 有效，且距离对应的峰值功率为chirp参数集中最大；否则，调频周期搜索失 败，以chirpn作为确定的chirp，即以最后chirp链表上的最后一个chirp作 为确定的chirp。
进一步地，步骤S2的详细步骤为：
S21：高度测量；使用步骤S1中确定的chirp参数设置频率综合器，并测 量高度，得出高度表的当前高度h；将步骤S1中确定的chirp定为chirp_now， 即使用当前调频参数chirp_now设置频率综合器，并测量高度，得出高度表当 前高度h；
S22：进行迟滞比较，确定高度表的高度变化后的chirp；在本实施例中， 将变化后的chirp定为chirp_next；
S23：周期切换；当经过步骤S22后，chirp发生变化的，使用新的chirp 参数设置频率综合；若未发生变化，调频周期不进行切换；即在本实施例中当 chirp_now与chirp_next不同时，则需要进行周期切换，将新的调频参数设置 为chirp_next；当chirp_now与chirp_next相同时，在本次算法执行完成后， 调频周期不进行切换。
进一步地，其中步骤S22首先将每一个chirp的理论测高区间均依次分割 成实际测高区间、比较宽度和保护宽度；chirpn的实际测高区间等于chirpn 的理论测高区间减去chirpn-1的理论测高区间加上chirpn-1的保护宽度。
高度表的高度h增加至h1，当高度表的高度h1落入chirpn的实际测高区间 内时，将chirpn确认为对应的chirp；高度表的高度h减小至h2，当高度表的 高度h2落入chirpn-1的比较宽度内时，将chirpn确认为对应的chirp；当高 度表的高度h2落入chirpn-1的实际测高区间内时，将chirpn-1确认为对应的 chirp。
进一步地，步骤S3的详细步骤为：每隔dt时间运行一次步骤S1，进行一 次调频周期搜索，若在某一时刻调频周期切换出现错误，则最迟在dt时间后， 对错误进行纠正；即在本实施例中假设定时时间设定为dt，即每隔dt运行一 次图2所示的周期搜索功能；若在某一时刻调频周期切换出现错误，则最迟在 dt时间后，通过监控功能即可对错误进行纠正，进一步提高了系统的可靠性。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1、一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，包括如下步骤：首先进行 调频周期搜索，在chirp参数集中搜索对应的chirp，使用该chirp参数设置 频率综合器，进行高度测量；进而进行调频周期切换；采用迟滞比较的调频周 期切换算法实现调频周期的平滑切换；然后进入调频周期监控；每隔dt时间运 行一次步骤S1；本发明旨在解决调频连续波无线电高度表在切换点附近频繁来 回切换，高度测量值抖动的问题，能使无线电高度表在工作范围内的高度测量 值平滑有效，降低切换点处测量误差，提高测高精度。
附图说明
图1为一种用于无线电高度表的调频周期切换方法的流程图；
图2为步骤S1的调频周期搜索的流程图；
图3为步骤S2的调频周期切换的流程图；
图4为实施例中chirp1、chirp2和chirp3的理论测高区间分割后的示意 图；
图5为步骤S3的调频周期监控的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一 个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实 体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含” 或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过 程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他 要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有 更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所 述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
请参阅图1-4，一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，包括如下步 骤：
S1：调频周期搜索；在chirp参数集中搜索对应的chirp，使用该chirp 参数设置频率综合器，进行高度测量；由于系统上电时，高度表所处高度未知， 此时需从预设chirp参数集中选取一组合适的调频参数，以使该初始高度对应 的IF信号频率能够满足ADC采样率要求；另外，在高度测量出现错误时，也需 要重新搜索调频周期；
S2：调频周期切换；采用迟滞比较的调频周期切换算法实现调频周期的平 滑切换；具体的，在上电搜索完成后，高度表随即进入调频周期正常切换工作 状态；为使调频周期在切换点附近能够平滑切换，减小切换点附近高度测量抖 动和误差，采用了基于迟滞比较的调频周期切换算法；
S3：调频周期监控；每隔dt时间运行一次步骤S1；为避免高度表实际高 度大于调频周期正常高度区间时，IF信号折返而给出错误高度信息，引入调频 周期监控。
chirp为一组特定的调频周期tm和调频带宽bw；一组特定的调频周期tm和 调频带宽bw为一组chirp参数；chirp参数集中包括n个chirp；chirp参数集 以链表形式进行存储，形成chirp链表；由于在起始频率一定的情况下，FMCW 无线电高度表测高主要与调频周期tm，调频带宽bw等参数有关，因此将一组特 定的(tm,bw)称为一个chirp，而chirp参数集中则包括n个chirp。
具体的，请参阅图2，图2所示为调频周期搜索流程图，步骤S1的详细步 骤为：
S11：将chirp参数集初始化；
S12：开始搜索chirp；
S13：确定对应的chirp。
其中步骤S11的详细步骤为：根据调频周期tm，按照从小到大的顺序对 chirp链表进行排列，初始化后的chirp链表中的chirp依次表达为：chirp1、 chirp2、chirp3、……chirpn-2、chirpn-1、chirpn；计算每个chirp对应的 理论测高区间等；本实施例设定chirp1、chirp2和chirp3共三组chirp参数， 如图4所示。
步骤S12的详细步骤为：首先依次从chirp链表中取出一个chirp并使用 该chirp参数设置频率综合器，然后进行高度测量、功率计算和距离有效性判 断；再本实施例中即依次使用chirp1、chirp2和chirp3参数设置频率综合器， 然后进行高度测量，最后进行功率计算和距离有效性判断。
步骤S13中确定的chirp应满足在该chirp参数下所测的距离有效，且距 离对应的峰值功率为chirp参数集中最大；否则，调频周期搜索失败，以chirpn 作为确定的chirp，即以最后chirp链表上的最后一个chirp作为确定的chirp。
在本实施例高度表IF带通滤波器截止频率分别设计为fc1和fc2(fc2>fc1)， 在步骤S11给出的参数下，3个chirp对应的最大测高分别为chirp1_hmax，chirp2_hmax和chirp3_hmax；
(1)假如高度表初始高度h0满足0<h0≤chirp1_hmax，chirp1对应的最 大IF为大于fc2，chirp2对应的最大IF小于fc1，chirp3对应的最大IF小于fc1； 因此，在搜索结束后，chirp1对应的功率值最大，同时，若chirp1对应的高 度值有效，则chirp1为搜索结果，即chirp1为确定的chirp。
(2)假如高度表初始高度h0满足chirp1_hmax<h0≤chirp2_hmax，则 chirp1对应的最小IF大于fc2，chirp2对应的IF介于fc1和fc2之间；chirp3对 应的最小IF小于fc1，最大IF介于fc1和fc2之间，因此在搜索结束后，取chirp2 和chirp3中高度对应的功率值较大者作为搜索结果，即chirp2和chirp3中高 度对应的功率值较大者为确定的chirp。
(3)假如高度表初始高度h0满足chirp2_hmax<h0≤chirp3_hmax，则 chirp1对应的最小IF大于fc2，chirp2对应的最小IF介于fc1和fc2之间，最大 IF大于fc2；chirp3对应的IF介于fc1和fc2之间；因此在搜索结束后，取chirp2 和chirp3中高度对应的功率值较大者作为搜索结果，即chirp2和chirp3中高 度对应的功率值较大者为确定的chirp。
(4)假如高度表初始高度h0>chirp3_hmax，显然chirp3为搜索结果， 即chirp3为确定的chirp。
具体的，请参阅图3，图3所示为调频周期切换流程图，步骤S2的详细步 骤为：
S21：高度测量；使用步骤S1中确定的chirp参数设置频率综合器，并测 量高度，得出高度表的当前高度h；在本实施例中，将步骤S1中确定的chirp 定为chirp_now，即使用当前调频参数chirp_now设置频率综合器，并测量高 度，得出高度表当前高度h；
S22：进行迟滞比较，确定高度表的高度变化后的chirp；在本实施例中， 将变化后的chirp定为chirp_next；
S23：周期切换；当经过步骤S22后，chirp发生变化的，使用新的chirp 参数设置频率综合；若未发生变化，调频周期不进行切换；即在本实施例中当 chirp_now与chirp_next不同时，则需要进行周期切换，将新的调频参数设置 为chirp_next；当chirp_now与chirp_next相同时，在本次算法执行完成后， 调频周期不进行切换。
具体的，其中步骤S22首先将每一个chirp的理论测高区间均依次分割成 实际测高区间、比较宽度和保护宽度；chirpn的实际测高区间等于chirpn的 理论测高区间减去chirpn-1的理论测高区间加上chirpn-1的保护宽度；在本 实施例中chirp1、chirp2和chirp3的理论测高区间分割成如图4所示。
高度表的高度h增加至h1，当高度表的高度h1落入chirpn的实际测高区间 内时，将chirpn确认为对应的chirp；高度表的高度h减小至h2，当高度表的 高度h2落入chirpn-1的比较宽度内时，将chirpn确认为对应的chirp；当高 度表的高度h2落入chirpn-1的实际测高区间内时，将chirpn-1确认为对应的 chirp。
在本实施例中，步骤22的具体实施方式如下：
(1)若初始时刻h处于区间[A,B]，则调频周期搜索结果为chirp1；当h增 加到[B,C]区间时，此时参数不变，仍为chirp1；当h继续增加至C时，调频周期 切换为chirp2；当h处于[C,E]区间时，参数仍为chirp2。
(2)若初始时刻h处于区间[C,E]，则搜索结果为chirp2；当h减小至[B,C]区 间时，此时参数不变，仍为chirp2；当h继续减小至B时，周期切换为chirp1； 当h处于[A,B]区间时，参数为chirp1。
(3)当初始高度处于其他区间时，同理。
在迟滞比较中，保护宽度的作用是当h增加到切换点(例如C点)时，仍处 于当前参数的理论工作区间内，以保证调频周期能够顺利切换。
具体的，请参阅图5，图5所示为调频周期监控流程图，步骤S3的详细步 骤为：每隔dt时间运行一次步骤S1，进行一次调频周期搜索，若在某一时刻 调频周期切换出现错误，则最迟在dt时间后，对错误进行纠正；即在本实施例 中假设定时时间设定为dt，即每隔dt运行一次图2所示的周期搜索功能；若 在某一时刻调频周期切换出现错误，则最迟在dt时间后，通过监控功能即可对 错误进行纠正，进一步提高了系统的可靠性。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若 干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：调频周期搜索；在chirp参数集中搜索对应的chirp，使用该chirp参数设置频率综合器，进行高度测量；
S2：调频周期切换；采用迟滞比较的调频周期切换算法实现调频周期的平滑切换；
S3：调频周期监控；每隔dt时间运行一次步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，所述chirp为一组特定的调频周期tm和调频带宽bw；一组特定的调频周期tm和调频带宽bw为一组chirp参数。
3.根据权利要求2所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，所述chirp参数集中包括n个chirp；chirp参数集以链表形式进行存储，形成chirp链表。
4.根据权利要求3所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S1的详细步骤为：
S11：将chirp参数集初始化；
S12：开始搜索chirp；
S13：确定对应的chirp。
5.根据权利要求4所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S11的详细步骤为：根据调频周期tm，按照从小到大的顺序对chirp链表进行排列，初始化后的chirp链表中的chirp依次表达为：chirp1、chirp2、chirp3、……chirpn-2、chirpn-1、chirpn；计算每个chirp对应的理论测高区间。
6.根据权利要求5所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S12的详细步骤为：首先依次从chirp链表中取出一个chirp并使用该chirp参数设置频率综合器，然后进行高度测量、功率计算和距离有效性判断。
7.根据权利要求6所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S13中确定的chirp应满足在该chirp参数下所测的距离有效，且距离对应的峰值功率为chirp参数集中最大；否则，调频周期搜索失败，以chirpn作为确定的chirp。
8.根据权利要求7所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S2的详细步骤为：
S21：高度测量；使用步骤S1中确定的chirp参数设置频率综合器，并测量高度，得出高度表的当前高度h；
S22：进行迟滞比较，确定高度表的高度变化后的chirp；
S23：周期切换；当经过步骤S22后，chirp发生变化的，使用新的chirp参数设置频率综合；若未发生变化，调频周期不进行切换。
9.根据权利要求8所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S22首先将每一个chirp的理论测高区间均依次分割成实际测高区间、比较宽度和保护宽度；
chirpn的实际测高区间等于chirpn的理论测高区间减去chirpn-1的理论测高区间加上chirpn-1的保护宽度；
高度表的高度h增加至h1，当高度表的高度h1落入chirpn的实际测高区间内时，将chirpn确认为对应的chirp；
高度表的高度h减小至h2，当高度表的高度h2落入chirpn-1的比较宽度内时，将chirpn确认为对应的chirp；当高度表的高度h2落入chirpn-1的实际测高区间内时，将chirpn-1确认为对应的chirp。
10.根据权利要求1所述的一种用于无线电高度表的调频周期切换方法，其特征在于，步骤S3的详细步骤为：每隔dt时间运行一次步骤S1，进行一次调频周期搜索，若在某一时刻调频周期切换出现错误，则最迟在dt时间后，对错误进行纠正。
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