CN118244256A - 基于相位估计的fmcw雷达高精度测距方法 - Google Patents
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Abstract
基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，该方法通过采集FMCW雷达的差拍信号，对采集到的差拍信号进行FFT变换得到频谱信号，将频谱信号幅值最高处谱线的频率作为初始估计频率，接着对初始估计频率的预设区间内进行频谱细化，通过多项式拟合得到最终的估计频率；利用最终的估计频率和相位展开以及插值得到相关的相位信息，结合FMCW雷达的相关参数，可以精准测量雷达和被测物体之间的距离。该方法结合了频率法和相位法，有效解决了栅栏效应和相位模糊的问题，提高了FMCW雷达的测距精度。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法。
背景技术
调频连续波(FMCW)雷达在工业液位测量中有着非常明显的优势。其非接触性测量特性使其能够避免与液体直接接触，适用于各种液体类型，包括腐蚀性和高粘度液体；其连续测量能力和高分辨率确保了高精度的液位数据，而且能够应对复杂液体环境；FMCW雷达的远程测量能力适用于大型容器或深井等场景，而其优秀的抗干扰能力使其在工业环境中表现出色。实时监测能力和扫频信号的准确性使其成为工业液位监测的重要选择，为生产控制和优化提供了可靠的数据支持。
目前的FMCW雷达一般利用发射的扫频信号和回波信号之间频率差进行测距，但是测距精度不高。目前大多数处理差拍信号的方法都是利用FFT得到频谱信号，接着对信号进行归一化处理，得到信号的频率谱。通过找到频率谱的最高点来估计差拍信号的频率。在实际应用中，当信号频率不是整数倍的采样频率，频谱泄露会导致主要峰值模糊，从而降低了距离分辨率和测距精度。此外，在信号频率恰好处于FFT频率网格的间隙时，会出现栅栏效应，相邻的谱线之间的真实谱线可能丢失，这会造成一定的频率测量误差，进而导致测距误差。与频率测量的方法相比较，相位法测量距离的精度更高，一般高两个数量级，而且稳定性更好，但是相位法存在相位模糊的问题。
发明内容
为了克服传统方法中的频谱泄露和栅栏效应以及相位模糊的问题。本发明提出了一种基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，该方法在利用高速AD采集回波信号后与发送的扫频信号进行混频得到差拍信号后，首先利用FFT获得频率信息，然后通过相位法来提取相关的相位信息；通过结合这两种信息，可以减小误差，提高系统的测距精度，更准确地确定目标距离，适用于工业高精度测量。
本发明采取的技术方案为：
基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，包括以下步骤：
S1：获取扫频信号经过目标反射后的第一回波信号，经过目标反射后的第一回波信号和扫频信号混频得到差拍信号sif(t)；
S2：基于S1中得到的差拍信号sif(t)，获取目标反射相位分量φr；
S3：基于S1中得到的差拍信号sif(t)，在进行AD采集后得到离散信号sif(n)；
S4：基于S3得到的离散信号sif(n)，去除波导色散对离散信号sif(n)的相位影响，得到离散差拍信号sif +(n)；
S5：基于S4得到的离散差拍信号sif +(n)，对其进行FFT变换得到频谱信号，接着对频谱信号进行归一化处理，得到频谱图，找到幅度谱峰值处的频率F0，在F0两侧的预设频率区间内，对频谱进行CZT细化，得到细化频率F1；
S6：在S5得到的细化频率F1附近寻找两个幅度最接近的频率点，利用这三个点进行多项式拟合，并利用拟合曲线估计第一估计频率
S7：估计频谱的最高点处的频率，分析在第一估计频率附近的相位谱，在其附近的相位谱中进行线性插值，接着对估计频谱最高点的相位进行展开并进行插值处理，求得第一估计相位/>
S8：基于S7中得到的第一估计频率和FMCW雷达的参数，根据距离估计公式，求出第一估计距离/>
S9：基于S8中求得的第一估计距离，根据公式求得时间延迟/>根据求出第二估计相位/>
S10：基于S7中得到的第一估计相位和S9中得到的第二估计相位/>求得相位间隔nui,根据相位间隔nui，求出第三估计相位/>
S11：根据相位估计和频率估计距离公式，求出第二估计距离
所述S1中，经过目标反射后的第一回波信号和扫频信号混频后的差拍信号表达式为：
其中：Aif为差拍信号的幅值，为发送的扫频信号的带宽与信号频率上升时间之比，τ为时间延迟，ω0为扫频信号的中心频率，φr为目标反射相位分量。
所述S2中，目标反射相位分量φr表示发射的扫频信号遇到物体之后反射造成的相位变化。所述S3中，离散信号sif(n)＝sif(t)|t＝nT，其中，T为采样间隔。
所述S4中，在电磁波传播过程中，由于波导色散的影响，产生相位速度，造成相位误差，会造成一定程度的传播延迟，利用矩形波导来模拟波导色散造成的影响。
雷达系统射频路径相位响应的主要影响是天线馈电波导中的传播延迟色散；在长度为lwg矩形波导中，由于相速度vp(t)引起的额外传播延迟公式如下：
其中，ωwg是波导截止频率；
波导色散干扰的解析差拍信号为：
频谱为：
S′if(jω)＝S if(jω)*W rf(jω)
为了消去色散的影响，利用如下公式：
得到的sif +(n)为消除色散之后的差拍信号。
所述S4中，离散差拍信号
所述S5中，预设频率区间为F0±f，在预设频率区间内进行频率细化，其中，f为频率细化带宽的一半，细化分辨率为Δf，带宽长度为f2-f1，f1为CZT细化频率带宽的起始频率，f2为CZT细化频率带宽的终点频率，Δf＝(f2-f1)/M，M为细化频段的频点数。所述S6中，离散的频率点经过多项式拟合之后近似抛物线，抛物线的表达式为y＝ax2+bx+c；将三个点带入抛物线表达式中求得拟合曲线，对抛物线进行求导y′＝2ax0+b＝0，通过求导公式求得x0的值即为第一估计频率
基于频率估计的第一估计距离其中，cm为电磁波传播的速度，/>为第一估计频率。
所述S7中，相位谱可能存在折叠的现象，在相位区间内存在相位跳跃；
其中：为展开的信号，/>为要展开的信号，如果要展开的信号和前一个信号之间的差值大于π，那么前一个信号加上2π；如果要展开的信号与后一个信号的差值大于π，那么后一个信号减去2π；/>是频率估计的索引值；/>是向下取整数，假如/>为5.2，那么为5；/>是向上取整数，假如/>为6.2，那么为/>为6。
所述S8中，基于频率估计求得的第二估计距离其中，cm为电磁波传播的速度。
所述S9中，第二估计相位其中，ω0是载波信号的角频率；为时间延迟；φr是经过物体得到的相位分量。
所述S10中，相位间隔其中，/>为目标相位的值，
为求出第二估计相位/>在整数采样点上寻找一个值，使得估计相位值与目标相位值的差最小；
第三估计相位具体表达式：
其中：为第一估计相位；nui为相位间隔。
所述S11中，相位估计距离公式为：频率估计公式：
其中：为第一估计频率；/>B为带宽，TR为T为扫频信号扫频时间，cm为光速。
本发明一种基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，技术效果如下：
1)本发明所提供的FMCW雷达高精度测距方法，在进行傅里叶变换之后，进行CZT细分，接着进行抛物线拟合，利用拟合曲线估计最高点的频率。相比于直接利用CZT细分后得到的最高点频率值，该方法减少了栅栏效应的影响，具有更高的精度。
2)本发明所提供的FMCW雷达高精度测距方法，在处理差拍信号的时候考虑到了波导色散的影响，在进行频率估计和相位估计之前去除波导色散的影响，进一步地提高了测量的精度；
3)本发明提出了一种频率法和相位法结合的方法，在进行频率法测量之后，利用频率法估计的距离求出时间延迟和第二估计相位/>利用频率法得到的参数进行相位估计，最终求得测量的距离。与单一的频率法测量距离相比较，频率法和相位法相结合的方法具有更高的测量精度。
附图说明
图1为基于频率法和相位法相结合的估计距离算法流程图。
图2为基于频率法和相位法相结合的估计距离的流程说明图。
图3为频率估计的FMCW雷达测量距离误差图。
图4为相位估计的FMCW雷达测量距离误差图。
具体实施方式
基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，该方法结合频率估计法和相位估计法来解决频率法的频谱泄露和栅栏效应的影响以及相位法的相位模糊的问题。该方法通过高速AD采集FMCW雷达的差拍信号，对采集到的差拍信号进行FFT变换得到频谱信号，将频谱信号幅值最高处谱线的频率作为初始估计频率；接着对初始估计频率的预设区间内进行频谱细化，通过多项式拟合得到最终的估计频率；利用最终的估计频率和相位展开以及插值得到相关的相位信息，结合FMCW雷达的相关参数，可以精准测量雷达和被测物体之间的距离。该方法结合了频率法和相位法，有效解决了栅栏效应和相位模糊的问题，提高了FMCW雷达的测距精度。
步骤1：首先对差拍信号进行处理，该步骤包括：
步骤1.1：分析发射信号经过目标反射后的回波信号和发射信号混频后的差拍信号为时间延迟，ω0为扫频信号的中心频率，φr为目标反射相位分量；cm为电磁波的传播速度；
步骤1.2：使用高速AD采集发送的扫频信号与回波信号混频之后的差拍信号sif(t)，得到离散的差拍信号sif(n)；
步骤1.3：在电磁波传播过程中，由于波导色散的影响，会造成一定程度的传播延迟，利用矩形波导来模拟波导色散造成的影响；
步骤1.4：将步骤1.1和步骤1.3中的公式结合，得到受到波导色散影响造成的差拍信号
其中：是一种由波导色散引起的连续复合窗函数；
步骤1.5：将步骤1.4中的连续复合窗函数进行离散化处理，得到离散信号ωrf(n)，将步骤1.2得到的离散差拍信号与其逆相乘，得到消除波导色散影响的离散差拍信号sif +(n)；
步骤1.6：对得到离散差拍信号sif +(n)进行FFT变换，得到频谱信号，对所述的频谱信号进行归一化处理，得到频谱图，找到幅值最大处谱线的频率F0；
步骤1.7：设置细化频率的初始值为f1，终值为f2，细化频段的频点数为M，计算细化频段的步长ω和起始点a，在[f1,f2]的频段内使用CZT函数对进行细化频谱计算，得到细化频率值F1；
步骤1.8：在细化频率值F1的前后再取一个频率点，利用这三个频率点进行抛物线拟合，对表达式进行求导计算，得到y′＝2ax0+b＝0，x0即为第一估计频率的值；
步骤1.9：利用频率法进行距离估计，频率法估计FMCW的测距公式为将步骤1.1中的/>和cm以及步骤1.8中的第一估计频率/>带入测距公式，得到第一估计距离
步骤2：对得到的相位信息进行处理，该步骤包括：
步骤2.1：对步骤1.6得到的相位谱进行处理，利用相位谱进行相位估计，在估计的相位区间内进行插值处理和相位展开，得到第一估计相位
步骤2.2：将步骤1.9求得的第一估计距离带入步骤1.1中的公式τ＝2R/cm，得到时间延迟/>
步骤2.3：将步骤2.2中的时间时间延迟和步骤1.1中的差拍信号的相位信息结合，得到第二估计相位/>
步骤2.4：将步骤2.1得到的第一估计相位和步骤2.3得到的第二估计相位/>结合，得到相位间隔/>
步骤2.5：将步骤2.1得到第一估计相位的和步骤2.3得到的第二估计相位/>以及步骤2.4得到的相位间隔nui结合，得到第三估计相位/>
步骤2.6：将步骤1.1和步骤2.5中得到的第三估计相位带入公式：
中，得到相位估计FMCW雷达测量距离。
验证实施例：
将上述过程进行3000次仿真实验，得到的频率估计和相位估计的FMCW雷达测量距离误差图如图3、图4所示。由图3、图4可知，频率估计的最大误差2*10-3米，相位估计的最大误差为9.5*10-4米。相比于频率估计法，相位估计法精度更高，效果更好。
本发明提出了一种FMCW高精度测距方法，该方法结合频率估计法和相位估计法来解决频率法的频谱泄露和栅栏效应的影响以及相位法的相位模糊的问题。该方法通过高速AD采集FMCW雷达的差拍信号，对采集到的差拍信号进行FFT变换得到频谱信号，将频谱信号幅值最高处谱线的频率作为初始估计频率；接着对初始估计频率的预设区间内进行频谱细化，通过多项式拟合得到最终的估计频率；利用最终的估计频率和相位展开以及插值得到相关的相位信息，结合FMCW雷达的相关参数，可以精准测量雷达和被测物体之间的距离。该方法结合了频率法和相位法，有效解决了栅栏效应和相位模糊的问题，提高了FMCW雷达的测距精度。
Claims (10)
1.基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：获取扫频信号经过目标反射后的第一回波信号，经过目标反射后的第一回波信号和扫频信号混频得到差拍信号sif(t)；
S2：基于S1中得到的差拍信号sif(t)，获取目标反射相位分量φr；
S3：基于S1中得到的差拍信号sif(t)，在进行AD采集后得到离散信号sif(n)；
S4：基于S3得到的离散信号sif(n)，去除波导色散对离散信号sif(n)的相位影响，得到离散差拍信号sif +(n)；
S5：基于S4得到的离散差拍信号sif +(n)，对其进行FFT变换得到频谱信号，接着对频谱信号进行归一化处理，得到频谱图，找到幅度谱峰值处的频率F0，在F0两侧的预设频率区间内，对频谱进行CZT细化，得到细化频率F1；
S6：在S5得到的细化频率F1附近寻找两个幅度最接近的频率点，利用这三个点进行多项式拟合，并利用拟合曲线估计第一估计频率
S7：估计频谱的最高点处的频率，分析在第一估计频率附近的相位谱，在其附近的相位谱中进行线性插值，接着对估计频谱最高点的相位进行展开并进行插值处理，求得第一估计相位/>
S8：基于S7中得到的第一估计频率和FMCW雷达的参数，根据距离估计公式，求出第一估计距离/>
S9：基于S8中求得的第一估计距离，根据公式求得时间延迟/>根据求出第二估计相位/>
S10：基于S7中得到的第一估计相位和S9中得到的第二估计相位/>求得相位间隔nui,根据相位间隔nui，求出第三估计相位/>
S11：根据相位估计和频率估计距离公式，求出第二估计距离
2.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S1中，经过目标反射后的第一回波信号和扫频信号混频后的差拍信号表达式为：
其中：Aif为差拍信号的幅值，为发送的扫频信号的带宽与信号频率上升时间之比，τ为时间延迟，ω0为扫频信号的中心频率，φr为目标反射相位分量。
3.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S4中，在电磁波传播过程中，利用矩形波导来模拟波导色散造成的影响，具体如下：
雷达系统射频路径相位响应的主要影响是天线馈电波导中的传播延迟色散，在长度为lwg矩形波导中，由于相速度vp(t)引起的额外传播延迟公式如下：
其中，ωwg是波导截止频率；
波导色散干扰的解析差拍信号为：
频谱为：
S′if(jω)＝S if(jω)*W rf(jω)
为了消去色散的影响，利用如下公式：
得到的sif +(n)为消除色散之后的差拍信号。
4.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S5中，预设频率区间为F0±f，在预设频率区间内进行频率细化，其中，f为频率细化带宽的一半，细化分辨率为Δf，带宽长度为f2-f1，f1为CZT细化频率带宽的起始频率，f2为CZT细化频率带宽的终点频率，Δf＝(f2-f1)/M，M为细化频段的频点数。
5.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：
所述S6中，离散的频率点经过多项式拟合之后近似抛物线，抛物线的表达式为y＝ax2+bx+c；将三个点带入抛物线表达式中求得拟合曲线，对抛物线进行求导y′＝2ax0+b＝0，通过求导公式求得x0的值即为第一估计频率
基于频率估计的第一估计距离其中，cm为电磁波传播的速度，/>为第一估计频率。
6.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S7中，相位谱可能存在折叠的现象，在相位区间内存在相位跳跃；
其中：为展开的信号，/>为要展开的信号，如果要展开的信号和前一个信号之间的差值大于π，那么前一个信号加上2π；如果要展开的信号与后一个信号的差值大于π，那么后一个信号减去2π；/>是频率估计的索引值；/>是向下取整数；/>是向上取整数。
7.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S8中，基于频率估计求得的第二估计距离其中，cm为电磁波传播的速度。
8.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S9中，第二估计相位
其中，ω0是载波信号的角频率；为时间延迟；φr是经过物体得到的相位分量。
9.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：所述S10中，相位间隔其中，/>为目标相位的值，/>为求出第二估计相位/>在整数采样点上寻找一个值，使得估计相位值与目标相位值的差最小；
第三估计相位具体表达式：
其中：为第一估计相位；nui为相位间隔。
10.根据权利要求1所述基于相位估计的FMCW雷达高精度测距方法，其特征在于：
所述S11中，相位估计距离公式为：频率估计公式：
其中：为第一估计频率；/>B为带宽，TR为T为扫频信号扫频时间，cm为光速。
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