CN114942053A - 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法 - Google Patents

一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114942053A
CN114942053A CN202210461866.7A CN202210461866A CN114942053A CN 114942053 A CN114942053 A CN 114942053A CN 202210461866 A CN202210461866 A CN 202210461866A CN 114942053 A CN114942053 A CN 114942053A
Authority
CN
China
Prior art keywords
estimation
czt
distance
phase
fft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210461866.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114942053B (zh
Inventor
吴小川
张鑫
邓维波
杨昌群
胡衍墨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhongyi Zhilian Suzhou Industrial Automation Co ltd
Harbin Institute of Technology
China Oil and Gas Pipeline Network Corp South China Branch
Original Assignee
Zhongyi Zhilian Suzhou Industrial Automation Co ltd
Harbin Institute of Technology
China Oil and Gas Pipeline Network Corp South China Branch
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhongyi Zhilian Suzhou Industrial Automation Co ltd, Harbin Institute of Technology, China Oil and Gas Pipeline Network Corp South China Branch filed Critical Zhongyi Zhilian Suzhou Industrial Automation Co ltd
Priority to CN202210461866.7A priority Critical patent/CN114942053B/zh
Publication of CN114942053A publication Critical patent/CN114942053A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114942053B publication Critical patent/CN114942053B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，属于雷达测距技术领域。包括以下步骤：S100、进行基于FFT+CZT的频率粗估计，得到粗估计距离值；S200、进行基于CZT相位估值的精估计，得到调整距离值；S300、根据粗估计距离值和调整距离值，得到最终估计结果。本发明的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，其估计结果相比于单纯利用FFT估计结果，精度提高了2个数量级，相比于FFT+CZT估计结果，精度提高1个数量级。且计算复杂度低，环境适应性较好。

Description

一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法
技术领域
本发明涉及一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，属于雷达测距技术领域。
背景技术
雷达物位计是工业上广泛使用的电子测量设备，主要用于测量物体相对于雷达的距离信息。目前，雷达物位计主要采用线性调频连续波(FMCW)作为发射信号，测距原理是雷达发射信号与目标的回波信号混频后获得差频信号，利用离散傅里叶变换(FFT)转换到频域，通过谱峰搜索找到此时最大谱峰对应的频率值，然后通过距离-频率计算公式获得物体位置信息。由于差频信号频率较低，可以用较低的采样率采集信号，硬件成本相对较低；FMCW波形平均功率等于峰值功率，因此功耗相对更低、安全性更好，有利于特定场合的应用。随着工业的不断发展，越来越多的应用场景对测距精度提出了更高要求，因为在信号带宽一定的条件下，目标的距离分辨也是固定的，如何在有效的硬件条件下突破这种距离限制是需要解决的关键问题。
常用的提高距离测量精度的方法包括：(1)频谱最小频率间隔表示为
Figure BDA0003622425770000011
其中Fs表示采样率，N表示采样点数，Ts表示采样间隔。因此，可以通过提高A/D数据采样率或者增加信号长度的方法提高频谱分辨力和频率测量精度，即对应距离分辨力和距离精度。但缺点也是非常明显，增加A/D器件成本；FFT运算点数增加，增加硬件存储空间，同时也提高了计算复杂度。(2)利用线性调频Z变换(CZT算法)，CZT是一种基于离散傅里叶变换的频谱加密处理方法，利用数据拟合的方式在不增加FFT计算点数的前提下拟合出谱峰的位置，提高距离估计精度。该方法可以提高距离估计精度，但不能提高距离分辨力。该方法是在FFT基础上，按照拟合点数需要额外增加2次FFT计算和1次逆FFT计算，因此，拟合点数增加也会提高计算复杂度。(3)利用超分辨技术，如MUSIC、压缩感知等方法实现频谱稀疏信号的恢复，这种方法需要首先估计出测量目标的数量，利用凸优化或者贪婪算法求解欠定方程，环境适应性较差。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，以解决本发明申请要解决的技术问题。
一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法包括以下步骤：
S100、进行基于FFT+CZT的频率粗估计，得到粗估计距离值；
S200、进行基于CZT相位估值的精估计，得到调整距离值；
S300、根据粗估计距离值和调整距离值，得到最终估计结果。
进一步的，S100包括以下步骤：
S110、获取差频信号：
Figure BDA0003622425770000021
S120、对x(t)做N点FFT，搜索谱峰获得最大值对应频率作为一次粗估计频率fFFT，此时谱线间隔为fs/N；
S130、在fFFT左右选取
Figure BDA0003622425770000022
范围作为CZT求解区域，计算M点CZT，搜索谱峰获得二次粗估计频率fCZT，此时，要求M点对应的距离分辨小于等于半波长，即
Figure BDA0003622425770000023
得到
Figure BDA0003622425770000024
fCZT对应的粗估计距离值为
Figure BDA0003622425770000025
进一步的，在S200中，具体的：基于fCZT计算相位
Figure BDA0003622425770000026
Figure BDA0003622425770000027
其中，imag(·)表示虚部，real(·)表示实部，相位
Figure BDA0003622425770000031
对应的调整距离表示为，
Figure BDA0003622425770000032
进一步的，在S300中，具体的：距离估计结果：
Figure BDA0003622425770000033
利用步骤一得到的粗估计距离值Rf和步骤二得到的调整距离值
Figure BDA0003622425770000034
得到最终的估计结果Rest。
本发明的有以下有益效果：本发明的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，其估计结果相比于单纯利用FFT估计结果，精度提高了2个数量级，相比于FFT+CZT估计结果，精度提高1个数量级。且计算复杂度低，环境适应性较好。
附图说明
图1为本发明的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法的方法流程图；
图2为采用本发明所述方法计算的距离与现有FFT算法、FFT+CZT算法的距离对比图及放大结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所述的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，包括两个阶段：基于频率的粗估计和基于相位的精估计。
阶段一、基于频率的粗估计。
(1)雷达发射线性调频信号为ST(t)：
Figure BDA0003622425770000041
其中，B/T为线性调频信号ST(t)的调频斜率，B为带宽，T为扫频周期，t为时间，j为虚数单位，f0为扫频的起始频率。
(2)由于物体介质参数与自由空间不同，一部分电磁能量会返回到雷达被接收，接收的回波信号为SR(t)：
Figure BDA0003622425770000042
其中，τ＝2R/c，表示信号的回波时延，R表示物体相对于雷达的距离，c＝3×108m/s表示电磁波在自由空间中的传播速度。
(3)将发射信号ST(t)与接收信号SR(t)进行混频、滤波处理后，获取的差频信号为x(t)：
Figure BDA0003622425770000043
物体距离的粗估计可通过式(3)第二项中的差频fb计算，即
Figure BDA0003622425770000044
因为T、B对于系统是固定值，因此，距离估计精度与差频fb的估计精度直接相关。而fb受限于FFT的频谱间隔
Figure BDA0003622425770000051
N为采样点数，Ts为采样间隔，因此，估计精度有限。
阶段二、基于相位的精估计。
通过公式(3)发现，差频信号除了和第二项频率fb相关，还与第一项相位
Figure BDA0003622425770000052
有关，即，
Figure BDA0003622425770000053
与距离关系可表示为
Figure BDA0003622425770000054
从式(4)、式(5)可以发现基于频率的距离估计与带宽B成反比，基于相位的距离估计与起始频率f0成反比。由于毫米波雷达带宽B要远低于起始频率f0，因此理论上利用与起始频率相关的相位
Figure BDA0003622425770000055
估计距离精度要远高于利用与带宽相关的差频fb的估计精度。
基于相位信息的距离估计受相位缠绕的影响存在模糊距离限制，即
Figure BDA0003622425770000056
所以为了实现距离的高精度估计，首先要利用步骤一中的差频fb粗估计出目标的距离Rf，为了实现精估计，要求距离分辨单元小于半波长，
Figure BDA0003622425770000057
即B≥f0，这与毫米波雷达物位计工作参数(即B＜＜f0)相矛盾。因此，只用FFT实现距离的粗估计精度不满足距离无模糊的前提条件，本发明采用FFT+CZT距离粗估计将距离单元限定在半波长以内，然后再利用相位估值精估计的方式。
参照图1所示，本发明提出了一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法的，基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法包括以下步骤：
S100、进行基于FFT+CZT的频率粗估计，得到粗估计距离值；
S200、进行基于CZT相位估值的精估计，得到调整距离值；
S300、根据粗估计距离值和调整距离值，得到最终估计结果。
进一步的，S100包括以下步骤：
S110、获取差频信号：
Figure BDA0003622425770000061
S120、对x(t)做N点FFT，搜索谱峰获得最大值对应频率作为一次粗估计频率fFFT，此时谱线间隔为fs/N；
S130、在fFFT左右选取
Figure BDA0003622425770000062
范围作为CZT求解区域，计算M点CZT，搜索谱峰获得二次粗估计频率fCZT，此时，要求M点对应的距离分辨小于等于半波长，即
Figure BDA0003622425770000063
得到
Figure BDA0003622425770000064
fCZT对应的粗估计距离值为
Figure BDA0003622425770000065
进一步的，在S200中，具体的：基于fCZT计算相位
Figure BDA0003622425770000066
Figure BDA0003622425770000067
其中，imag(·)表示虚部，real(·)表示实部，相位
Figure BDA0003622425770000068
对应的调整距离表示为，
Figure BDA0003622425770000069
进一步的，在S300中，具体的：距离估计结果：
Figure BDA00036224257700000610
利用步骤一得到的粗估计距离值Rf和步骤二得到的调整距离值
Figure BDA00036224257700000611
得到最终的估计结果Rest。
参照图2所示，为了验证本发明的效果，进行了如下仿真实验：
设定目标距离：13.333333m
设定雷达工作参数：带宽6.5GHz，扫频时间4ms，起始频率119.75GHz，采样率512KHz，FFT计算点数2048点，CZT计算点数128点。
利用频率粗估计结果：
FFT一次粗估计频率：fFFT＝144.5KHz
FFT一次粗估计距离：RFFT＝13.338462m
CZT二次粗估计频率：fCZT＝144.445313KHz
CZT二次粗估计距离：Rf＝13.333413m
利用相位精估计结果：
CZT估计相位：
Figure BDA0003622425770000071
基于CZT相位的精估计距离：
Figure BDA0003622425770000072
最终估计距离：
Figure BDA0003622425770000073
估计结果相比于单纯利用FFT估计结果，精度提高2个数量级，相比于FFT+CZT估计结果，精度提高1个数量级。

Claims (4)

1.一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，其特征在于，所述基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法包括以下步骤：
S100、进行基于FFT+CZT的频率粗估计，得到粗估计距离值；
S200、进行基于CZT相位估值的精估计，得到调整距离值；
S300、根据所述粗估计距离值和调整距离值，得到最终估计结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，其特征在于，S100包括以下步骤：
S110、获取差频信号：
Figure FDA0003622425760000011
S120、对x(t)做N点FFT，搜索谱峰获得最大值对应频率作为一次粗估计频率fFFT，此时谱线间隔为fs/N；
S130、在fFFT左右选取
Figure FDA0003622425760000012
范围作为CZT求解区域，计算M点CZT，搜索谱峰获得二次粗估计频率fCZT，此时，要求M点对应的距离分辨小于等于半波长，即
Figure FDA0003622425760000013
得到
Figure FDA0003622425760000014
fCZT对应的粗估计距离值为
Figure FDA0003622425760000015
3.根据权利要求2所述的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，其特征在于，在S200中，具体的：基于fCZT计算相位
Figure FDA0003622425760000016
Figure FDA0003622425760000017
其中，imag(·)表示虚部，real(·)表示实部，相位
Figure FDA0003622425760000018
对应的调整距离表示为，
Figure FDA0003622425760000021
4.根据权利要求3所述的一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法，其特征在于，在S300中，具体的：距离估计结果：
Figure FDA0003622425760000022
利用步骤一得到的粗估计距离值Rf和步骤二得到的调整距离值
Figure FDA0003622425760000023
得到最终的估计结果Rest。
CN202210461866.7A 2022-04-28 2022-04-28 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法 Active CN114942053B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210461866.7A CN114942053B (zh) 2022-04-28 2022-04-28 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210461866.7A CN114942053B (zh) 2022-04-28 2022-04-28 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114942053A true CN114942053A (zh) 2022-08-26
CN114942053B CN114942053B (zh) 2024-05-31

Family

ID=82907296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210461866.7A Active CN114942053B (zh) 2022-04-28 2022-04-28 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114942053B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101446439B1 (ko) * 2013-07-30 2014-10-06 재단법인대구경북과학기술원 Fmcw 레이더의 고정밀 주파수 추정 방법 및 고정밀 주파수 추정 장치
CN105629219A (zh) * 2015-12-29 2016-06-01 大连楼兰科技股份有限公司 均衡测距精度与运算量的方法
CN106840310A (zh) * 2017-02-17 2017-06-13 水利部南京水利水文自动化研究所 一种连续调频波制雷达水位计测量方法
CN107390210A (zh) * 2017-06-22 2017-11-24 电子科技大学 一种物位测量中差拍信号的数字处理方法
CN110824439A (zh) * 2019-11-20 2020-02-21 中国人民解放军国防科技大学 一种雷达目标快速长时间相参积累方法
CN114114231A (zh) * 2021-12-20 2022-03-01 天津光电通信技术有限公司 一种基于fft-czt的雷达测距方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101446439B1 (ko) * 2013-07-30 2014-10-06 재단법인대구경북과학기술원 Fmcw 레이더의 고정밀 주파수 추정 방법 및 고정밀 주파수 추정 장치
CN105629219A (zh) * 2015-12-29 2016-06-01 大连楼兰科技股份有限公司 均衡测距精度与运算量的方法
CN106840310A (zh) * 2017-02-17 2017-06-13 水利部南京水利水文自动化研究所 一种连续调频波制雷达水位计测量方法
CN107390210A (zh) * 2017-06-22 2017-11-24 电子科技大学 一种物位测量中差拍信号的数字处理方法
CN110824439A (zh) * 2019-11-20 2020-02-21 中国人民解放军国防科技大学 一种雷达目标快速长时间相参积累方法
CN114114231A (zh) * 2021-12-20 2022-03-01 天津光电通信技术有限公司 一种基于fft-czt的雷达测距方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张亚伟;佟仕忠;赵希凤;: "Chirp-Z变换在LFMCW雷达液位测量中的应用", 电子设计工程, no. 08, 20 April 2013 (2013-04-20) *
潘琳;王辉;糜江;周天图;王代君;: "基于调频连续波雷达交通结构物微形变高精度频率估计", 公路交通科技(应用技术版), no. 11, 15 November 2018 (2018-11-15) *
韩辉;冷建伟;安飞;: "FMCW雷达物位系统的算法设计", 天津理工大学学报, no. 04, 20 August 2011 (2011-08-20) *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114942053B (zh) 2024-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8305257B2 (en) Method and apparatus for coherent marine radar measurements of properties of ocean waves and currents
CN102628937B (zh) 基于广义keystone变换和非相参积累的雷达检测方法
Barrick Accuracy of parameter extraction from sample-averaged sea-echo Doppler spectra
Franke Pulse compression and frequency domain interferometry with a frequency‐hopped MST radar
CN104569961B (zh) 基于频谱细化的雷达测距方法
CN110275158A (zh) 基于贝叶斯压缩感知的宽带雷达回波信号参数估计方法
CN109375206B (zh) 一种基于速度搜索的运动目标测速方法
CN109085556B (zh) 一种基于一二阶峰比值的高频地波雷达浪场形成方法
Yamaguchi et al. Synthetic aperture FM-CW radar applied to the detection of objects buried in snowpack
CN113805166A (zh) 一种雷达物位计的目标跟踪测距方法及系统
CN102540153B (zh) 一种基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法
Li et al. KT and azimuth sub‐region deramp‐based high‐squint SAR imaging algorithm mounted on manoeuvring platforms
CN104880697A (zh) 基于稀疏约束的线性调频信号参数估计方法
CN114942053A (zh) 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法
Xiong et al. High-precision frequency estimation for FMCW radar applications based on parameterized de-alternating and modified ICCD
Hashimoto et al. Verification of a Bayesian method for estimating directional spectra from HF radar surface backscatter
CN114280594A (zh) 一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法
CN114879174A (zh) 基于雷达的多目标测距方法以及形变监测方法
CN110231590B (zh) 一种基于dft变换的阵列目标角度测量方法
CN112731392A (zh) 高效的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法
CN109581319A (zh) 基于多扫描递归的海杂波多普勒偏移和带宽估计方法
CN117647811B (zh) 运动目标参数估计与重定位方法、系统、终端及存储介质
Chengge et al. A method for target estimation of level radar
Hou et al. Two‐Dimensional River Flow Patterns Observed with a Pair of UHF Radar System
US7545325B1 (en) Method of signal processing

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant