基于智能传感器的雷达水位计分析方法与流程

本发明涉及雷达水位测量，具体为基于智能传感器的雷达水位计分析方法。

背景技术：

1、雷达水位计通过发射线性调频连续波并接收水面反射回波，经混频、低通滤波和模数转换得到差频基带信号。对差频基带信号沿距离维做快速傅里叶变换，由距离幅度谱中的峰位置确定粗测距离，由距离相位谱中的相位值进行距离细分，是雷达水位测量中的常见处理流程。实际水域中，水面波浪、漂浮物、堤岸边缘和闸门结构均可能产生反射回波，距离幅度谱中常出现多个局部峰值，且各峰幅度随水面起伏和环境变化不断改变。现有技术通常以幅度最大峰、固定检测阈值或简单局部极大值作为水面反射峰识别依据，当水面回波不是幅度最大峰或旁瓣与杂波幅度接近水面回波时，容易误选其他反射峰，使粗测距离偏离真实水面位置。水面波动还会使同一距离单元在相邻调制周期内的相位发生变化，单周期相位包含随机抖动分量，直接用于相位细分时精测距离出现跳变，连续测量结果不稳定。环境温度、环境气压改变雷达波在空气中的传播速度，天线倾斜改变波束入射角，未加校正会给最终水位带来系统性偏差。多峰距离幅度谱下的水面反射峰筛选，以及水面波动条件下的稳定相位提取，是当前雷达水位计距离解算中需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有雷达水位计在多峰距离幅度谱中水面反射峰识别不可靠，以及水面波动时相位抖动影响精测距离稳定性的问题，本发明提供一种基于智能传感器的雷达水位计分析方法，利用峰左右邻域幅度差对称性指标筛选水面反射峰确定粗测距离，对相邻调制周期相位序列进行线性拟合和残差平均得到稳定相位，由稳定相位进行相位细分得到精测距离，并根据环境温度、环境气压和天线倾角数据对距离进行修正，以抑制反射峰误选和距离抖动对水位测量的影响。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于智能传感器的雷达水位计分析方法，包括：

3、获取差频基带信号及环境温度、环境气压和天线倾角数据；

4、对差频基带信号沿距离维进行快速傅里叶变换得到距离幅度谱和距离相位谱，在距离幅度谱中检测候选峰，利用峰左右邻域幅度差对称性指标筛选水面反射峰，确定粗测距离；

5、提取粗测距离在相邻调制周期的相位序列，线性拟合得到相位漂移速率，根据相位漂移速率校正水面波动引起距离抖动，得到稳定相位；

6、根据稳定相位对粗测距离相位细分得到精测距离；

7、根据环境温度和环境气压计算雷达波传播速度修正系数，利用修正系数对精测距离波速修正得到波速修正距离；

8、根据天线倾角数据计算波束入射偏角，利用波束入射偏角对波速修正距离倾斜校正得到校正距离，将校正距离作为最终水位。

9、优选的，获取差频基带信号及环境温度、环境气压和天线倾角数据的过程包括：控制雷达水位计在连续多个调制周期内发射线性调频连续波，将接收回波与本地参考信号混频，对混频输出进行低通滤波和模数转换得到差频基带信号；通过温度传感器、气压传感器和倾角传感器分别采集环境温度、环境气压和天线倾角数据，将差频基带信号与环境温度、环境气压和天线倾角数据按时间戳对齐。该过程使雷达回波与辅助传感器数据保持时间同步，降低时间偏差对测量精度的影响。

10、优选的，在距离幅度谱中检测候选峰并筛选水面反射峰的过程包括：将差频基带信号按调制周期重排为二维矩阵，对二维矩阵的每一行加窗后进行快速傅里叶变换，得到距离幅度谱和距离相位谱；在距离幅度谱中搜索局部极大值点作为候选峰，记录每个候选峰的频率位置；对每个候选峰，取左右各预设数量个频率点的幅度值，计算左侧幅度均值与右侧幅度均值的差值的绝对值作为对称性指标；选取对称性指标最小的候选峰作为水面反射峰，根据该峰的频率位置和调频斜率计算粗测距离。利用峰左右邻域幅度差对称性指标能够抑制非水面反射形成的干扰峰，提高水面反射峰识别的准确性。

11、进一步地，在距离幅度谱中搜索局部极大值点作为候选峰的过程包括：在距离幅度谱上对每一个频率点，比较该点与左右相邻频率点的幅度值；若该点幅度值大于等于左右两点幅度值且大于预设幅度阈值，则将该点标记为局部极大值点；对相邻的局部极大值点进行合并，取幅度值最大的点作为候选峰。通过合并相邻局部极大值点，避免同一反射峰被重复识别。

12、优选的，提取粗测距离在相邻调制周期的相位序列并得到稳定相位的过程包括：从距离相位谱中提取粗测距离对应的频率单元在连续预设数量个调制周期上的相位值，组成相位序列；采用最小二乘法对相位序列进行线性拟合，得到斜率和截距，将斜率作为相位漂移速率；将相位序列减去拟合直线上的对应值，得到残差相位序列；对残差相位序列进行平均得到平均残差相位，将平均残差相位作为稳定相位。通过去除相位序列中的线性漂移并对残差相位取平均，能够抑制水面波动引入的距离抖动，获得更稳定的相位信息。

13、进一步地，采用最小二乘法对相位序列进行线性拟合的过程包括：以调制周期序号为自变量，相位值为因变量，构造线性方程；计算自变量均值和因变量均值，根据最小二乘正规方程计算斜率估计值；计算每个相位值的残差，若最大残差绝对值超过预设阈值，则剔除该相位值后重新拟合，直到最大残差绝对值小于等于预设阈值，将最终斜率估计值作为相位漂移速率。异常残差值的剔除可降低个别干扰相位对拟合结果的影响。

14、优选的，根据稳定相位对粗测距离相位细分得到精测距离的过程包括：计算稳定相位相对于粗测距离对应的整周相位的相位差；根据相位差和雷达信号波长计算距离修正量；当相位差绝对值大于等于半周期相位时，根据相邻调制周期稳定相位的变化连续性进行相位解缠；将解缠后的相位差对应的距离修正量与粗测距离相加，得到精测距离。利用稳定相位进行相位细分，能够在不增加发射带宽的情况下提升距离测量分辨率。

15、进一步地，根据相邻调制周期稳定相位的变化连续性进行相位解缠的过程包括：计算当前调制周期的稳定相位与前一调制周期的稳定相位的差值；若差值大于半周期相位，则将当前稳定相位减去整周期相位；若差值小于负半周期相位，则将当前稳定相位加上整周期相位；重复上述操作直至所有相邻差值在半周期相位之间，得到解缠后的连续相位；根据连续相位与起始相位的差值计算相位差。通过相位解缠解决相位跨整周跳变问题，保证相位差连续且可用于距离修正。

16、优选的，根据环境温度和环境气压计算雷达波传播速度修正系数并对精测距离进行波速修正的过程包括：获取环境温度和环境气压，根据雷达波在空气中的传播速度与温度、气压的关系式计算当前环境下的实际波速；将实际波速与标准大气条件下的标准波速的比值作为传播速度修正系数；将精测距离除以传播速度修正系数，得到波速修正距离。引入温度和气压修正可补偿环境变化引起的波速偏差，使距离测量值更接近实际值。

17、优选的，根据天线倾角数据计算波束入射偏角并对波速修正距离进行倾斜校正的过程包括：获取天线倾角传感器输出的横向倾角和纵向倾角；根据横向倾角和纵向倾角计算天线波束中心线与重力垂直方向的夹角，作为波束入射偏角；计算波束入射偏角的余弦值，将波速修正距离乘以余弦值，得到校正距离；将校正距离作为最终水位。通过天线倾角校正消除雷达波束倾斜引起的距离投影误差，提高最终水位测量精度。

18、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

19、利用峰左右邻域幅度差对称性指标筛选水面反射峰时，在距离幅度谱中检测局部极大值点作为候选峰，对每个候选峰取左右各预设数量个频率点的幅度值，计算左侧幅度均值与右侧幅度均值差值的绝对值作为对称性指标，选取对称性指标最小的候选峰作为水面反射峰。水面反射峰在距离幅度谱中的主瓣和左右邻域幅度变化相对于峰值位置具有对称趋势，而旁瓣、非水面目标或杂波形成的峰在左右邻域内幅度分布通常不对称。采用该指标进行筛选，不依赖单峰幅度绝对大小，能够在水面回波幅度不占优或旁瓣与水面回波幅度接近的条件下识别真实水面反射峰，减少误选其他峰造成的粗测距离偏差，使粗测距离更接近实际水面位置。提取粗测距离对应的频率单元在连续预设数量个调制周期上的相位值组成相位序列，由最小二乘法线性拟合得到相位漂移速率，将相位序列减去拟合直线得到残差相位序列，再对残差相位序列平均得到稳定相位。水面波动会使相位序列包含缓慢变化的漂移分量和随机抖动分量，线性拟合能够估计并去除相位漂移速率对应的波动趋势，残差平均抑制随机相位抖动。以稳定相位进行相位细分计算精测距离时，先由稳定相位与粗测距离对应整周相位得到相位差，再按波长换算距离修正量，相邻周期之间的相位值不会因水面起伏产生大幅跳变，相位解缠后的距离修正量连续，精测距离在波浪条件下的波动幅度减小，连续测量结果更稳定。与直接对单周期相位进行细分相比，该方式利用多个调制周期的相位信息，不依赖单次相位采样值，能够避免水面起伏导致精测距离在相邻周期间出现随机跳变。