《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高精度調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距算法的研究
2017年微型機(jī)與應(yīng)用第9期
邱菁,黃繼偉,陳阿輝,柯玉山
福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州350002
摘要: 在調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)測(cè)距算法中,快速傅里葉(FFT)算法頻譜分析的誤差是由FFT頻譜線之間間隔造成的。因此,為了提高FFT算法的測(cè)距精度,減少頻譜分析的誤差,提出了頻移補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)措施。頻移補(bǔ)償?shù)念l譜搬移因子的獲取是利用頻譜圖對(duì)稱性與最值和鄰近兩個(gè)譜線點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離差得到的。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明,該措施在不大幅提高測(cè)距時(shí)間的情況下得到的最值更接近實(shí)際峰值,可以較好地改進(jìn)雷達(dá)的測(cè)距精度。
Abstract:
Key words :

        邱菁,黃繼偉,陳阿輝,柯玉山

 ?。ǜV荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州350002)

  摘要:在調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)測(cè)距算法中,快速傅里葉(FFT)算法頻譜分析的誤差是由FFT頻譜線之間間隔造成的。因此,為了提高FFT算法的測(cè)距精度,減少頻譜分析的誤差,提出了頻移補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)措施。頻移補(bǔ)償?shù)念l譜搬移因子的獲取是利用頻譜圖對(duì)稱性與最值和鄰近兩個(gè)譜線點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離差得到的。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明,該措施在不大幅提高測(cè)距時(shí)間的情況下得到的最值更接近實(shí)際峰值,可以較好地改進(jìn)雷達(dá)的測(cè)距精度。

  關(guān)鍵詞傅里葉變換;雷達(dá);譜最大值估計(jì)算法;測(cè)距精度;頻譜偏移

  中圖分類號(hào):TN953+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.007

  引用格式:邱菁,黃繼偉,陳阿輝,等.高精度調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距算法的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(9):22-24,27.

0引言

  *基金項(xiàng)目: 福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014H0026)

  常用的雷達(dá)測(cè)距有調(diào)頻連續(xù)波和單脈沖雷達(dá),其中調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)具有較高的距離分辨率、低功率以及無測(cè)量盲區(qū)等特點(diǎn)[1 4]。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中,通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和FFT算法分析進(jìn)而提取測(cè)量距離的信息。由于FFT本身的“柵欄效應(yīng)”,存在著較大的誤差。而工業(yè)上如油罐的液位測(cè)量等應(yīng)用中[5 6],對(duì)測(cè)量的精度有很高的要求。人們常用提高頻率細(xì)化率來提高精度,卻增加了計(jì)算時(shí)間。因而產(chǎn)生了擬合法[7]、Rife算法[8]、譜最大值估計(jì)算法[8 11]、CZT[10 15]等方法來提高測(cè)距精度。其中CZT算法精度最高。本文對(duì)這些方法進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一個(gè)利用坐標(biāo)中最值和鄰近兩個(gè)譜線點(diǎn)坐標(biāo)之間距離差的方法與CZT相結(jié)合來改進(jìn)測(cè)距精度,并對(duì)此進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。

1FMCW雷達(dá)測(cè)距原理分析和誤差分析

  文獻(xiàn)[10 18]對(duì)雷達(dá)測(cè)量原理進(jìn)行了分析。雷達(dá)測(cè)距原理是混頻器通過雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的天線獲得發(fā)射和接收信號(hào),從而得到差頻信號(hào)[16 18],通過差頻信號(hào)的主頻來提取距離信息,然后對(duì)距離信息進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理獲得目標(biāo)距離。圖1是發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)域關(guān)系。

 

001.jpg

  圖1中實(shí)線為雷達(dá)信號(hào)發(fā)射器發(fā)出的發(fā)射信號(hào)頻率與時(shí)間的關(guān)系,虛線則為接收到的回波信號(hào)。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的本振信號(hào)與接收信號(hào)經(jīng)過混頻器混頻之后可以得到差頻信號(hào)。要獲得所測(cè)量的距離就需要利用差頻信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,獲取頻譜圖的最大采樣值。

  傅里葉變換就是把連續(xù)的時(shí)間利用加窗函數(shù)進(jìn)行截?cái)?,截?cái)喑蒒點(diǎn)滿足DFT在時(shí)域和頻域上的離散信號(hào)的要求。而這些離散點(diǎn)之間存在著間隔,會(huì)受到柵欄效應(yīng)的影響,所以FFT處理后采樣點(diǎn)之間的間隔△R使得信號(hào)處理后的峰值會(huì)相對(duì)理論峰值偏左或者偏右。所以通過最大采樣點(diǎn)的頻率值計(jì)算出來的距離會(huì)產(chǎn)生△R/2的測(cè)距誤差。其中這N個(gè)離散的譜線包絡(luò)可以近似為一條曲線,但與理論的曲線相比,并不是對(duì)稱的。為了減少誤差,可以通過增加N點(diǎn)的大小,當(dāng)大量增加N點(diǎn)的值時(shí),采樣點(diǎn)間隔會(huì)越來越密,包絡(luò)的峰值也會(huì)不斷增大,兩側(cè)的值也就越來越接近,逐步形成一個(gè)類似拋物線的對(duì)稱曲線,而測(cè)得的距離誤差也隨之降低。但是運(yùn)算量會(huì)大大增加,處理的速度也會(huì)變慢,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性造成不少影響[812]。

2利用頻譜圖坐標(biāo)估計(jì)最大采樣點(diǎn)

  對(duì)于譜最大值估計(jì)算法,文獻(xiàn)[910]提到當(dāng)理論的采樣點(diǎn)與實(shí)際的采樣點(diǎn)一致時(shí),次大值就為0。但該方法也無法保證理論與實(shí)際的采樣點(diǎn)的最大值是一樣的,所以次大值不為零。由于FFT頻譜圖是對(duì)稱的,也就可以近似認(rèn)為頻譜圖中最大采樣值點(diǎn)到相鄰的兩點(diǎn)的距離是相等的。由于FFT存在的柵欄效應(yīng)兩邊的距離不一致,即存在最大值兩邊的次大值不一樣。根據(jù)排序分為3個(gè)大小不一樣的幅度值,以最大值為圓心,最大值與次大值的距離為半徑畫圓可以交于最大值與第三大值兩點(diǎn)所在的直線上,兩者之間會(huì)有距離差,而當(dāng)兩者之間的距離差小于某個(gè)值時(shí),可以認(rèn)為此時(shí)最大值點(diǎn)就是所要找的最大采樣點(diǎn),如圖2所示。

 

002.jpg

  取頻譜圖上最大值及相鄰兩邊的值B(f1,k1)、C(f3,k3)、D(f2,k2),其中B對(duì)應(yīng)的譜線是頻譜線上的最大值,D是譜線的次大值,C是第三大值。則頻譜的最大值A(chǔ)在B~D之間,由于距離譜是關(guān)于最大值對(duì)稱的,因此可以認(rèn)為當(dāng)B與A重合時(shí),D的對(duì)稱點(diǎn)為C。

  首先設(shè)定誤差為Δf1,然后通過對(duì)最大值點(diǎn)到兩個(gè)相鄰序列的距離差Δk的分析,取BC、BD在坐標(biāo)軸上線段距離的差值即距離差的一半作為估值點(diǎn)帶入距離公式獲得相應(yīng)的值Δf,再通過比較BD、BC距離的大小來判斷B點(diǎn)相對(duì)于最大值偏左還是偏右,把頻譜左右移動(dòng)Δf就可以獲得B的新坐標(biāo)值,可以得到新的距離差Δk以及Δf,對(duì)比Δf,若Δf1<Δf,需要重新對(duì)頻譜進(jìn)行移動(dòng),重復(fù)上面的方法,直到細(xì)分的Δf小于誤差為止。該方法就是通過縮小距離差來獲得最大值點(diǎn)。設(shè)D、B、C分別是頻譜的次大值、峰值和第三大值,A為實(shí)際的頻譜峰值,則線段BC與線段BD相等,B在D的左側(cè)。若B與主瓣實(shí)際的峰值一樣,根據(jù)距離相等可得:

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  若B與主瓣的實(shí)際峰值不一樣,可以設(shè)兩者的距離差為Δk,有:

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  設(shè)B點(diǎn)與主瓣峰值中心點(diǎn)的差值為Δf。設(shè)主瓣的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(f1+Δf,k1+Δk1),由式(1)可得:

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  其中對(duì)于頻譜上最大的3個(gè)點(diǎn)是序列號(hào)相鄰的3個(gè)值,則可得f1、f2相差2個(gè)序列且f1+f2=2×f3。當(dāng)整個(gè)頻譜左右移動(dòng)時(shí),B、C、D所在的點(diǎn)的幅值也會(huì)相應(yīng)增加或減少,設(shè)Δk1、Δk/2近似相等,則把式(2)結(jié)果帶入到式(5)即可解出Δf。

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  然后整個(gè)頻譜平移Δf,至于平移的方向需要依靠最大值和次大值的序列號(hào)的大小來決定。若次大值f2<f3,則整個(gè)頻譜左移d;若f2>f3,則整個(gè)頻譜右移。

  再次獲得此時(shí)的B、C、D 3個(gè)點(diǎn)的新坐標(biāo),設(shè)誤差為Δf1,當(dāng)BC、BD的距離誤差大于這個(gè)值則重復(fù)上面的步驟;當(dāng)BC、BD的距離誤差小于這個(gè)值,結(jié)束運(yùn)行。所得到的B點(diǎn)就是峰值點(diǎn)。圖3為改進(jìn)后的算法流程圖。

  

003.jpg

3仿真與驗(yàn)證

  對(duì)上述所述的方法進(jìn)行仿真和驗(yàn)證,并對(duì)比不同距離下不同方法的仿真程序運(yùn)行的精度。雷達(dá)發(fā)射波的仿真條件為:

  調(diào)頻信號(hào)的帶寬B為109 Hz;

  鋸齒波調(diào)制信號(hào)的周期T為0.2 s;

  中心頻率為24×109 Hz。

  對(duì)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、回波信號(hào)、差頻信號(hào)進(jìn)行仿真,如圖4、圖5所示。

  

004.jpg

  設(shè)定目標(biāo)的位置為100 m,得到如圖6所示的頻譜。根據(jù)FFT法,取N=1 024,目標(biāo)所在的位置為99.61 m,誤差為0.39%,然而經(jīng)過最大值法得到目標(biāo)所在的位置為99.98 m,誤差為0.02%。

  設(shè)定距離范圍為10~100 m,目標(biāo)為單目標(biāo)時(shí)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果見表1。

005.jpg

4結(jié)束語(yǔ)

  本文對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)距過程和原理進(jìn)行分析,對(duì)測(cè)距算法進(jìn)行一定改進(jìn),利用坐標(biāo)的距離差提出了一種簡(jiǎn)單估計(jì)目標(biāo)真實(shí)位置的方法,并將該方法與傳統(tǒng)的快速傅里葉變換進(jìn)行了對(duì)比。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該方法可以較好地改進(jìn)雷達(dá)的測(cè)距精度。經(jīng)過對(duì)時(shí)間的測(cè)量,F(xiàn)FT算法用時(shí)0.02 s,改進(jìn)后用時(shí)0.034 s,頻譜平移的次數(shù)在10次以內(nèi),對(duì)時(shí)間的影響不大。

  參考文獻(xiàn)

 ?。?] 包敏.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)研究與硬件實(shí)現(xiàn)[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2009.

 ?。?] 郭云,余奎,陳堅(jiān).幾種連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方法[J].電子科技,2015,28(2):158-163.

 ?。?] 孫艷敏,周長(zhǎng)林,常青美,等.減少防撞雷達(dá)虛假目標(biāo)的信號(hào)處理研究[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2011,30(18):46-51.

 ?。?] 胡玉蘭,趙子銘,片兆宇.高分辨雷達(dá)一維距離像的融合特征識(shí)別[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(4):52-57.

 ?。?] ZHU L, DONG L, LIU S D, et al. Selfadaptive frequency estimation algorithm of improving liquid level measurement precision of LFMCW radar[C]. 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT), IEEE, 2010:16261628.

 ?。?] 王保華.近程LFMCW 雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 重慶:重慶大學(xué),2012.

 ?。?] 周清晨,徐海洲,常城,等.基于拋物線擬合方法的提高雷達(dá)測(cè)距精度研究[J].信息通信,2016(6):8-9.

 ?。?] 于衛(wèi)東,涂亞慶,詹啟東,等,基于改進(jìn)Rife算法的LFMCW雷達(dá)測(cè)距方法及實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2015,29(4):550-557.

 ?。?] 徐軍榮,于盛林.提高FMCW雷達(dá)測(cè)距精度的譜最大值估值算法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2009,19(4):73-79.

 ?。?0] 王琨.調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在雷達(dá)測(cè)距中的算法研究[D]. 天津:河北工業(yè)大學(xué),2013.

 ?。?1] 韓輝,冷建偉,安飛.FMCW雷達(dá)物位系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,27(4):27-31.

 ?。?2] 朱愷,秦軼煒,許建中,等.四種提高FMCW測(cè)距精度的方案及性能分析[J].無線電工程,2015,45(1):20-25.

 ?。?3] 譚曉衡,周帥,黃振林.基于小波包的24 GHz LFMCW雷達(dá)測(cè)距方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2013,35(3):522-526.

 ?。?4] 陳璟.數(shù)字信號(hào)處理中加窗插值FFT算法的研究[J].黑龍江科學(xué),2013,4(4):40-42.


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