CN114942053B - 一种基于相位估值的高精度雷达物位计测距方法 - Google Patents

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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：
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，即得到/>fCZT对应的粗估计距离值为/>
进一步的，在S200中，具体的：基于fCZT计算相位
其中，imag(·)表示虚部，real(·)表示实部，相位对应的调整距离表示为，
进一步的，在S300中，具体的：距离估计结果：
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)：
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)：
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)：
物体距离的粗估计可通过式(3)第二项中的差频fb计算，即
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，还与第一项相位有关，即，/>与距离关系可表示为
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
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，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：
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，即得到/>fCZT对应的粗估计距离值为/>
进一步的，在S200中，具体的：基于fCZT计算相位
其中，imag(·)表示虚部，real(·)表示实部，相位对应的调整距离表示为，
进一步的，在S300中，具体的：距离估计结果：
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：
基于CZT相位的精估计距离：
最终估计距离：
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 (1)

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；
S100包括以下步骤：
S110、获取差频信号：
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，即得到/>fCZT对应的粗估计距离值为/>
在S200中，具体的：基于fCZT计算相位
其中，imag(·)表示虚部，real(·)表示实部，相位对应的调整距离表示为，
在S300中，具体的：距离估计结果：
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得到最终的估计结果Rest。
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