本發(fā)明涉及雷達信號處理，具體涉及一種基于改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)調(diào)頻波雷達(fmcw)作為近年來重要的感知技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并在自動駕駛、工業(yè)測距、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其相對于傳統(tǒng)脈沖型雷達的優(yōu)勢在于對溫度、壓力和化學(xué)性質(zhì)的變化不敏感、穩(wěn)定性強以及抗干擾能力高等特點。因此，在工業(yè)測距應(yīng)用中，連續(xù)調(diào)頻波雷達(fmcw)正在逐漸取代傳統(tǒng)的脈沖型雷達。在連續(xù)調(diào)頻波雷達(fmcw)測距系統(tǒng)中，雷達發(fā)射信號一般為鋸齒波或三角波調(diào)制的掃頻信號。發(fā)射的信號達到目標物體之后反射回的信號被雷達接收。由于接收到的反射信號與發(fā)射信號之間存在時間延遲。這兩個信號在同一個時間點時這兩種信號存在頻率差，經(jīng)過混頻后輸出的差拍信號中含有頻率信息，根據(jù)求解的頻率信息可得到目標距離。

2、差拍信號的頻率一般通過快速傅里葉變換(fft)來獲取，但是該方法受到頻率分辨率的限制，嚴重影響差拍信號頻率估計的精度和雷達測距的精度，為解決精度問題，后續(xù)提出了窄帶頻譜細化技術(shù)，只需對部分頻譜進行細化插值，該方法提高了頻率估計和測距的精度，但是會進一步的提高計算量，影響fmcw雷達測距系統(tǒng)的實時性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決fft頻率估計精度較低和窄帶頻譜細化技術(shù)計算量較大的問題。本發(fā)明提出了一種改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，該方法結(jié)合fft和窄帶頻譜細化技術(shù)，首先根據(jù)fft求得信號的頻譜，接著利用改進的二分法對頻譜進行插值。該方法結(jié)合了fft計算量小和窄帶頻譜細化技術(shù)精度高的優(yōu)點，提高了頻率估計的精度和測距精度，提升了系統(tǒng)的實時性。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，包括以下步驟：

4、步驟1：fmcw雷達向目標物體發(fā)射線性變換的載波信號，并接收到目標反射的回波信號；步驟2：將步驟1中fmcw雷達發(fā)射的載波信號與接收到的回波信號進行混頻，得到差拍信號x(t)；

5、步驟3：利用高速ad對步驟2中的連續(xù)的差拍信號x(t)進行采樣，得到離散的差拍信號x(n)；

6、步驟4：對步驟3中的離散的差拍信號x(n)進行快速傅里葉變換(fft)，得到差拍信號的幅度譜|x(k)|；

7、步驟5：根據(jù)步驟4中的差拍信號的幅度譜|x(k)|，得到初始最大幅值|x(km)|和初始次大幅值|x(ks)|、以及對應(yīng)的頻率點km和ks，最終的頻率估計結(jié)果范圍區(qū)間位于km和ks之間。

8、步驟6：根據(jù)步驟5中得到的最終的頻率估計結(jié)果范圍區(qū)間，利用改進的二分法在該區(qū)間內(nèi)進行插值迭代，將km和ks之間按照黃金分割率0.382：0.618進行分段，在黃金分割點kui處進行插值，比較黃金分割點的幅值|x(kui)|和初始最大幅值|x(km)|；

9、步驟7：根據(jù)步驟6中的比較結(jié)果，繼續(xù)在黃金分割點處進行插值，得到黃金分割點處的幅值|x(kui)|，不斷重復(fù)步驟6的操作，逐漸逼近最終的頻率估計結(jié)果；

10、步驟8：當(dāng)黃金分割點處的幅值|x(kui)|和初始最大幅值|x(km)|相等時，黃金分割點與初始最大幅值對應(yīng)的頻率點的中點，即為最終的頻率結(jié)果fc；

11、步驟9：根據(jù)最終的頻率結(jié)果fc，fmcw雷達測距公式如下：

12、

13、式中：c為光速，t為調(diào)制信號掃頻時間，b為調(diào)制信號掃頻帶寬，f0為差拍信號的頻率。所述步驟2中，差拍信號x(t)在時域中的表示如下：

14、

15、其中，a為信號的幅值；為信號的初始相位；w(t)為噪聲信號，無確定表達式；f0表示為信號的真實頻率。

16、所述步驟3中，離散的差拍信號x(n)為：

17、

18、其中：fs為高速ad的采樣率；n為采樣點數(shù)；n為序列索引；w(n)為離散的噪聲信號；a表示信號的幅值；表示離散信號的表達式，也可寫為當(dāng)n取不同的值時，不同。

19、所述步驟4中，快速傅里葉變換(fft)公式如下：

20、

21、其中：k為頻率值的索引，ke為幅值最大處的頻率索引，為信號的初始相位，a為信號的幅值；

22、傅里葉變換幅值如下：

23、

24、其中：||表示取模值。

25、所述步驟5中，初始最大幅值和初始次大幅值由步驟4中的傅里葉變換幅值公式得到，最終的頻率估計結(jié)果位于km和ks之間。

26、所述步驟6中，將初始最大幅值|x(km)|和初始次大幅值|x(ks)|對應(yīng)的頻率點分別為km和ks之間按照0.382：0.618的黃金比例進行割分，

27、在黃金割分點kui＝km+0.382(km-ks)處進行插值，如圖3所示，具體如下：km-ks＝1，在kui＝km+0.382處進行插值，求得幅值得到的插值點為(kui,|x(kui))，此時最大幅值和次大幅值變?yōu)閨x(km)|和|x(kui)|，對應(yīng)的索引為km和kui。此時真實頻率的索引位于km和kui之間，通過該方法迭代插值，不斷縮小插值區(qū)間，直到最大幅值和次大幅值相等。

28、黃金分割點處的幅值為所述步驟8中，最終的頻率結(jié)果fc＝fs/n×(kui+km)/2，fs為高速ad的采樣率，n為采樣點數(shù)。

29、本發(fā)明一種基于改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，技術(shù)效果如下：

30、1)本發(fā)明方法提供的fmcw雷達高精度測距方法，基于頻譜細化的思想，在傅里葉變換之后頻譜上進行插值細化，得到細化之后的頻譜，通過搜尋細化之后的頻譜，可以更準確的找到最終的頻率fc，提高頻率估計的精度和雷達測距的精度。

31、2)本發(fā)明方法提供的fmcw雷達高精度測距方法，利用改進的二分法進行插值，無需對整個區(qū)間進行插值細化，該方法計算量較小，滿足實時性的要求，另外經(jīng)過實驗驗證，該方法可以提高抗干擾能力。

32、3)該方法結(jié)合fft和改進二分法插值細化，提高了頻率估計和測距的精度，相較于傳統(tǒng)的細化方法，本發(fā)明計算量更小，提高了雷達系統(tǒng)測距的實時性。

技術(shù)特征：

1.改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：所述步驟2中，差拍信號x(t)在時域中的表示如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：所述步驟3中，離散的差拍信號x(n)為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：所述步驟4中，快速傅里葉變換公式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：所述步驟5中，初始最大幅值和初始次大幅值由步驟4中的傅里葉變換幅值公式得到，最終的頻率估計結(jié)果位于km和ks之間。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：所述步驟6中，將初始最大幅值|x(km)|和初始次大幅值|x(ks)|對應(yīng)的頻率點分別為km和ks之間按照0.382：0.618的黃金比例進行割分，

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：在黃金割分點kui＝km+0.382(km-ks)處進行插值，具體如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進二分法插值的fmcw雷達高精度測距方法，其特征在于：所述步驟8中，最終的頻率結(jié)果fc＝fs/n×(kui+km)/2，fs為高速ad的采樣率，n為采樣點數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
基于改進的二分法的FMCW高精度測距方法，旨在解決傳統(tǒng)FFT頻率估計精度不高和窄帶頻譜細化技術(shù)計算量大的問題。該方法基于FFT和改進二分法插值細化結(jié)合的頻率分析方法。先利用FFT進行初始頻率估計，求得信號的初始幅度譜，然后在初始最大幅值和初始次大幅值之間利用改進的二分法進行迭代插值細化，不斷迭代縮小頻率估計的區(qū)間，從而求得最終的頻率估計結(jié)果，根據(jù)最終的頻率估計結(jié)果和雷達參數(shù)可以精準的計算出雷達與物體之間的實際距離。該方法結(jié)合FFT和改進二分法插值細化，提高了頻率估計和測距的精度，相較于傳統(tǒng)的細化方法，本發(fā)明計算量更小，提高了雷達系統(tǒng)測距的實時性。

技術(shù)研發(fā)人員：張曉龍,譚超,施保華,劉偉,朱成昂,譚文瑞,孫夢浩
受保護的技術(shù)使用者：三峽大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10