基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及雷達(dá)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)測(cè)距技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域的各個(gè)方面。隨著電子科學(xué)技術(shù)的飛速 進(jìn)步，特別是微波集成電路W及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展更是為精密測(cè)距雷達(dá)的快速發(fā)展 提供了有力的技術(shù)保障。
[000引 線性調(diào)頻連續(xù)波(Xinear Rrequen巧 Modulation Continuous Wave,簡(jiǎn)稱(chēng) LFMCW) 雷達(dá)具有許多其他雷達(dá)不具備的優(yōu)點(diǎn)；無(wú)距離盲區(qū)、距離分辨力高、福射功率小，線性調(diào)頻 連續(xù)波雷達(dá)正因?yàn)榫邆渖鲜鰞?yōu)點(diǎn)，所W通常被裝備成為工業(yè)物位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表，用來(lái)測(cè)量 罐體、倉(cāng)庫(kù)等區(qū)域中的物料高度，從而獲取相關(guān)的工業(yè)測(cè)量參數(shù)。隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平的 提高，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制和管理水平的要求越來(lái)越高，在工業(yè)自動(dòng)化控制和管理中，物料的 料位是一個(gè)很重要的參數(shù)，準(zhǔn)確地測(cè)量物料的料位，是計(jì)算物料儲(chǔ)量和運(yùn)行管理的主要依 據(jù)。
[0004] 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)的頻率間接獲取料位距離信息，所 W精確計(jì)算出雷達(dá)回波信號(hào)的頻率，就能精確測(cè)出距離信息。由于物位測(cè)距要求的精度較 高，但是離散傅里葉變換具有柵欄效應(yīng)，選取的峰值點(diǎn)只在測(cè)量距離為測(cè)量精度整數(shù)倍時(shí) 才是準(zhǔn)確的，其他距離時(shí)都會(huì)出現(xiàn)固有的系統(tǒng)誤差。
[0005] 為了減小柵欄效應(yīng)帶來(lái)的誤差，研究人員提出頻譜細(xì)化方法；ZFFT、CZT或者通過(guò) 補(bǔ)零來(lái)細(xì)化頻譜，從而找到頻譜最大值所對(duì)應(yīng)的精確頻率值。然而，該些頻譜細(xì)化技術(shù)需要 進(jìn)行自適應(yīng)性預(yù)處理和抗噪聲處理才能滿(mǎn)足LFMCW雷達(dá)測(cè)距精度的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法，W對(duì)雷達(dá) 目標(biāo)距離的變化具有自適應(yīng)性，同時(shí)滿(mǎn)足了 LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
[000引（二）技術(shù)方案
[0009] 本發(fā)明基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法包括：步驟A ;接收目標(biāo)的雷達(dá)回波中頻信 號(hào)X (n)，并將其分為兩路；步驟B ;對(duì)兩路雷達(dá)中頻回波信號(hào)分別進(jìn)行加窗處理，得到加窗 處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)fi(n)和f2(n);步驟C;對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)f2(n)進(jìn)行FFT處理得到回波數(shù)據(jù) F化)，進(jìn)而得到該回波數(shù)據(jù)F(k)的頻率估計(jì)值F(Nm");步驟D;基于頻率估計(jì)值F(Nm")確 定頻譜細(xì)化的初始化參數(shù)，其中，該初始化參數(shù)包括頻譜細(xì)化的起始頻點(diǎn)值、結(jié)束頻點(diǎn)值和 頻譜細(xì)化倍數(shù)；步驟E ;基于頻譜細(xì)化的初始化參數(shù)，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)fi(n)進(jìn)行頻譜細(xì)化處理， 得到頻譜細(xì)化后的序列X(Zk);步驟F ;尋找序列X(Zk)中的最大值對(duì)應(yīng)的序號(hào)i，由該序號(hào) i得到雷達(dá)中頻回波信號(hào)的頻率估計(jì)值fiP;化及步驟G ;由雷達(dá)中頻回波信號(hào)x(n)的頻率 估計(jì)值fiP，計(jì)算目標(biāo)的精確距離r。
[0010] (s)有益效果
[0011] 從上述技術(shù)方案可W看出，本發(fā)明基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法具有W下有益效 果：
[0012] (1)本發(fā)明雷達(dá)測(cè)距方法具有自適應(yīng)性的特點(diǎn)，能夠根據(jù)LFMCW雷達(dá)回波信號(hào)的 特性調(diào)整頻譜細(xì)化的初始化參數(shù)；
[0013] (2)本發(fā)明雷達(dá)測(cè)距方法具有很好的抗噪聲性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明LFMCW雷達(dá)能夠 滿(mǎn)足實(shí)際場(chǎng)合的應(yīng)用條件.
[0014] (3)基于FPGA的測(cè)距方法具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，通過(guò)在FPGA中采用并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)測(cè) 距方法，提高了方法的運(yùn)算時(shí)間，滿(mǎn)足了 LFMCW雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距實(shí)時(shí)性的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例LFMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法的流程圖；
[0017] 圖3為采用基于FPGA實(shí)現(xiàn)CZT方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
[001引【主要元件符號(hào)說(shuō)明】
[0019] 1-收發(fā)卿趴天線； 2-射頻信號(hào)源單元；
[0020] 3-模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 4-參考信號(hào)源產(chǎn)生單元；
[0021] 5-顯示單元； 6-FPGA單元；
[0022] 7-系統(tǒng)時(shí)鐘； 8-電源管理單元；
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等 于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的 方向用語(yǔ)，例如"上V嚇"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024] 在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提出了一種基于頻譜細(xì)化的雷達(dá)測(cè)距方法。如 圖1所示，本實(shí)施例雷達(dá)測(cè)距方法基于W FPGA為核屯、的雷達(dá)回波信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0025] 該雷達(dá)回波信號(hào)處理系統(tǒng)包括；模數(shù)轉(zhuǎn)換器3 ;顯示單元5 ;FPGA單元6 ;系統(tǒng)時(shí)鐘 7 ;參考信號(hào)源產(chǎn)生單元4。測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)還包括；電源管理單元8 ;收發(fā)卿趴天線1 ;射頻信 號(hào)源單元2。其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器3、參考信號(hào)源產(chǎn)生單元4、顯示單元5、FPGA單元6和系統(tǒng)時(shí) 鐘7位于一 PCB板上。收發(fā)卿趴天線1、射頻信號(hào)源單元2和電源管理單元8設(shè)置于該P(yáng)CB 板之外。
[0026] 電源管理單元8提供整個(gè)雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的電源，在該雷達(dá)系統(tǒng)中，電源管理單元 是獨(dú)立的一層電源電路板，與系統(tǒng)的其他單機(jī)電路板通過(guò)板間接插件進(jìn)行連接。
[0027] 收發(fā)卿趴天線1是K波段雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)LFMCW信號(hào)的收發(fā)天線，用于K波段射頻 信號(hào)的發(fā)射和對(duì)反射后的電磁波信號(hào)進(jìn)行接收。
[0028] 射頻信號(hào)源單元2是產(chǎn)生K波段LFMCW信號(hào)源的單元，該射頻信號(hào)源采用化L (鎖 相環(huán)）結(jié)構(gòu)，對(duì)射頻參考信號(hào)源產(chǎn)生單元4產(chǎn)生的窄帶LFM信號(hào)進(jìn)行倍頻，得到K波段LFMCW 射頻信號(hào)源，最后通過(guò)卿趴天線1進(jìn)行發(fā)射。
[0029] 參考信號(hào)源產(chǎn)生單元4主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9736構(gòu)成，該AD9736巧片和FPGA單 元6中的孤S IP核一起構(gòu)成孤S (數(shù)字頻率綜合器）信號(hào)產(chǎn)生器，在FPGA單元6的控制下， 參考信號(hào)源產(chǎn)生單元4通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9736產(chǎn)生射頻參考信號(hào)源信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)射頻信 號(hào)源單元2產(chǎn)生K波段射頻信號(hào)源。
[0030] 系統(tǒng)時(shí)鐘7是雷達(dá)回波信號(hào)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘，所選擇的時(shí)鐘巧片是AD9518， 該巧片可W為AD9736提供1. 2GHz的差分時(shí)鐘信號(hào)源，F(xiàn)PGA單元6通過(guò)AD9736的同步時(shí) 鐘輸出端獲取同源時(shí)鐘信號(hào)，保證信號(hào)處理系統(tǒng)的時(shí)鐘同源性。
[0031] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器3完成測(cè)距雷達(dá)中頻回波信號(hào)的采樣工作，本實(shí)施例中所用的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器巧片為ADS62P48,在FPGA單元6控制下實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸，其中采樣時(shí)鐘是系 統(tǒng)時(shí)鐘7經(jīng)過(guò)分頻后的同源時(shí)鐘。
[0032] 顯示單元5是測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距結(jié)果顯示單元，并且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)置功能 和與用戶(hù)通過(guò)菜單進(jìn)行交互的功能。
[003引 FPGA單元6是測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)回波信號(hào)處理的核屯、，承擔(dān)了系統(tǒng)的多任務(wù)操作控 制、孤S信號(hào)源產(chǎn)生和回波信號(hào)的測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)功能。該里基于FPGA單元6的雷達(dá)測(cè)距方 法首先在XILINX公司的System Generator軟件中建立測(cè)距方法的仿真模型，并進(jìn)行了仿 真測(cè)試和系統(tǒng)實(shí)測(cè)。在FPGA資源中，主要用到了 FFT IP核、DDS IP核、FIFO IP核和乘法 器W及加法器等FPGA資源。
[0034] 本實(shí)施例雷達(dá)測(cè)距方法由FPGA單元實(shí)現(xiàn)，圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例基于頻譜細(xì)化 的雷達(dá)測(cè)距方法的流程圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2,本實(shí)施例雷達(dá)測(cè)距方法包括：
[0035] 步驟A ;接收目標(biāo)的雷達(dá)回波中頻信號(hào)x(n)，并將其分為兩路；
[0036] 其中，雷達(dá)中頻回波信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器3采集后被送入FPG