一种雷达物位计的目标跟踪测距方法及系统与流程

1.本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种雷达物位计的目标跟踪测距方法及系统。


背景技术：

2.雷达测距是一种非接触式测量技术，可在恶劣环境下稳定工作，不易受雨雪等天气条件的影响，并具有穿透烟雾和灰尘的能力。雷达物位计按使用微波可分为调频连续波雷达物位计和脉冲波雷达物位计，调频连续波(frequency modulation continuous wave,简称fmcw)雷达物位计具有容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点，在民用/军事领域均得到了广泛的应用。
3.现有调频连续波雷达物位计的工作原理中，在测量过程中应用按照线性变化的高频信号，雷达物位计的信号从天线发出，在被测面反射，回波被天线接收。雷达物位计信号的发出与回波接收的频率差被进一步处理，使频率差对应于测量距离。比如，一个大的频率差应对于一个较大的测量距离。利用快速傅里叶变换(fft)将频率差转化为频谱差，进而换算出测量距离。但是在被测面工况比较复杂的情况下，比如被测面处于连续小幅度变化状态存在虚假回波，或者被测变存在干扰物的情况下，无法稳定获取跟踪测量数据。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种雷达物位计的目标跟踪测距方法及系统，解决了现有技术中由于目标物处于连续小幅度变化导致存在虚假回波、且存在随机干扰物的场景而无法稳定跟踪测量的技术问题，实现了基于选带傅里叶变换zfft，雷达物位计跟踪连续不断小幅度变化且存在随机干扰的目标物，以较低的计算量稳定跟踪测量目标物的距离。
5.第一方面，本技术提供了一种雷达物位计的目标跟踪测距方法，将雷达物位计接收的回波混频后利用选带傅里叶变换进行运算处理，以实时跟踪目标物实现测距的方法包括如下步骤：
6.s110：发射调频连续波信号向量，接收含有目标物、干扰物在内的回波向量；
7.s120：将接收的回波向量与发射信号向量相乘进行混频后，再进行第一低通滤波处理，得到差频信号；
8.s130：对差频信号进行ad采样，得到差频信号的离散的信号序列；
9.s140：对离散时间信号序列进行快速傅里叶变换，得到离散时间信号序列的离散频谱，并根据离散频谱绘制出功率谱图；
10.s150：根据所述功率谱图形状，找出目标物对应的波峰位置，并将波峰位置作为选带傅里叶变换的选带中心，进行信号频移；
11.s160：将信号频移后的离散时间信号序列进行第二低通滤波处理，获取滤波信号向量，对滤波信号向量进行重采样；
12.s170：对重采样后的滤波信号进行快速傅里叶变换，计算波峰位置在功率谱上的
横坐标值，利用横坐标值计算雷达物位计到达目标物的距离；
13.s180：将波峰横坐标值作为下一次选择的波峰位置，重复步骤s150
‑
步骤s170，以此持续跟踪移动变化的目标物。
14.进一步地，所述步骤s110中，发射的调频连续波信号向量为发射频率连续不断变化的高频电磁波；所述步骤s120中，将接收的回波向量与发射信号向量相乘进行混频后，进行的第一低通滤波处理方式为模拟信号滤波，以此得到差频信号。
15.进一步地，对离散时间信号序列进行快速傅里叶变换之后，还包括计算离散时间信号序列的频率，且频率与雷达物位计距离目标物的距离成正比。
16.进一步地，所述步骤s160中，将信号频移后的离散时间信号序列进行第二低通滤波处理时，采用抗混叠滤波处理技术。
17.第二方面，本技术提供了一种雷达物位计的目标跟踪测距系统，采用第一方面任意一项所述的方法，包括：信号收发模块、信号获取模块、信号采样模块、功率谱绘制模块、信号频移模块、滤波采样模块、距离计算模块、目标跟踪模块；
18.所述信号收发模块配置为发射调频连续波信号向量，接收含有目标物、干扰物在内的回波向量；
19.所述信号获取模块配置为将接收的回波向量与发射信号向量相乘进行混频后，再进行第一低通滤波处理，得到差频信号；
20.所述信号采样模块配置为对差频信号进行ad采样，得到差频信号的离散时间信号序列；
21.所述功率谱绘制模块配置为对离散时间信号序列进行快速傅里叶变换，得到差频信号的离散频谱，并根据离散频谱绘制出功率谱图；
22.所述信号频移模块配置为根据所述功率谱图形状，找出目标物对应的波峰位置，并将波峰位置作为选带傅里叶变换的选带中心，进行信号频移；
23.所述滤波采样模块配置为将信号频移后的离散时间信号序列进行第二低通滤波处理，获取滤波信号向量，对滤波信号向量进行重采样；
24.所述距离计算模块配置为对重采样后的滤波信号进行快速傅里叶变换，计算波峰位置在功率谱上的横坐标值，利用横坐标值计算雷达物位计到达目标物的距离；
25.所述目标跟踪模块配置为将波峰横坐标值作为下一次选择的波峰位置，依次重复运行所述信号频移模块、所述滤波采样模块、所述距离计算模块，以此持续跟踪移动变化的目标物。
26.第三方面，本技术提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序代码，当所述计算机程序代码在计算设备上运行时，导致所述计算设备执行第一方面任一项所述雷达物位计的目标跟踪测距方法。
27.第四方面，本技术提供了一种计算设备，包括：
28.处理器；
29.存储有计算机程序代码的存储器；
30.当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行第一方面任一项所述雷达物位计的目标跟踪测距方法。
31.本技术实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：
32.对于fmcw的雷达物位计中连续不断小幅度变化的液位场景，且有随机干扰物的情况下，本发明利用选带傅里叶变换zfft减少快速傅里叶变换中的计算量，且将频谱细化后，提高计算分辨率，实时跟踪需要计算的目标物距离。
附图说明
33.图1为本技术实施例一的雷达物位计的目标跟踪测距方法流程示意图；
34.图2为本技术实施例一的不同状态下的功率谱形状趋势示意图；
35.图3为本技术实施例二中雷达物位计的目标跟踪测距系统的模块框图。
具体实施方式
36.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
37.实施例一
38.参考附图1所示，本技术实施例提供了一种雷达物位计的目标跟踪测距方法，将雷达物位计接收的回波混频后利用选带傅里叶变换进行运算处理，以实时跟踪目标物实现测距的目的。具体方法包括如下步骤：
39.步骤s110：发射调频连续波信号向量，接收含有目标物、干扰物在内的回波向量。
40.步骤s120：将接收的回波向量与发射信号向量相乘进行混频后，再进行第一低通滤波处理，得到差频信号。
41.本实施例中，所述步骤s110中，发射的调频连续波信号向量为发射频率连续不断变化的高频电磁波；所述步骤s120中，将采集的回波向量与发射信号向量相乘进行混频后，进行的第一低通滤波处理方式为模拟信号滤波，以此得到差频信号。也可以理解为由于差频信号频率低，发射信号频率高，通过混频后获取到带有差频信号的回波向量，该些回波向量、差频信号等信号均为模拟信号，通过第一低通滤波处理后，获取得到差频信号。
42.进一步地，雷达物位计通过发射天线发射调频连续波fmcw，且调频连续波fmcw为频率连续不断变化的高频电磁波，调频的方式包括但不局限于三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调频，本实施例中的雷达物位计不仅可以测距还可以测速。本实施例中的雷达物位计在扫频周期内连续发射频率不断变化的高频电磁波，使得被目标物或干扰物反射后的回波向量与发射信号向量有一定的频率差，通常通过频率差即可获得目标物与雷达物位计之间的距离信息，但基于本实施例中的目标物处于连续不断小幅度变化的状态，导致无法稳定的获取仅含有目标物信息的回波向量，本实施例中通过接收天线采集含有目标物、干扰物在内的回波向量。
43.步骤s130：对差频信号进行ad采样，得到差频信号的离散时间信号序列。
44.步骤s140：对离散时间信号序列进行快速傅里叶变换，得到离散时间信号序列的离散频谱，并根据离散频谱绘制出功率谱图。
45.本实施例中得到的离散傅里叶变换的离散频谱表达式为：
46.且w
n
＝e
‑
j2π/n
47.其中，k为混频后输出时域的连续信号，x0(n)为ad采样获取得到时域的离散信号
序列，x0(k)为离散傅里叶变换的离散频谱。
48.本步骤中对时域离散信号序列进行快速傅里叶变换之后，还包括计算时域离散信号序列的频率，且频率与雷达物位计距离目标物的距离成正比。
49.步骤s150：根据所述功率谱图形状，找出目标物对应的波峰位置，并将波峰位置作为选带傅里叶变换的选带中心，进行信号频移。
50.本实施例中对x0(n)以进行复调制(频移)，得到信号频移后的序列为：
[0051][0052]
根据离散傅里叶变换的频移原理中，以序列x(n)的离散频谱x(k)，与x0(n)的关系为x(k)＝x0(k n0)。
[0053]
步骤s160：将信号频移后的离散时间信号序列进行第二低通滤波处理，获取滤波信号向量，对滤波信号向量进行重采样。
[0054]
在所述步骤s160中，将信号频移后的离散时间信号序列进行第二低通滤波处理中，采用抗混叠滤波处理技术。
[0055]
本实施例中采用抗混叠滤波技术滤出所需分析的频段信号。且第二低通滤波处理用于对数字信号的离散时间信号序列进行滤波处理。假设放大倍数为d，则第二低通滤波归一化截止频率为1/2d，滤波输出为y(k)＝x(k)h(k)(k＝0,1,2,...n
‑
1)，其中，当h(k)为理想低通滤波的频率响应时，滤波输出为
[0056]
本步骤中，经过频移和第二低通滤波以后，信号频带变窄，本实施例进行选抽重采样，接收的差频信号每隔d点再做一次抽样，重采样后的序列表达式为：
[0057][0058]
步骤s170：对重采样后的滤波信号进行快速傅里叶变换，计算波峰位置在功率谱上的横坐标值，利用横坐标值计算雷达物位计到达目标物的距离。
[0059]
本步骤中对重采样后的n点复数序列再次进行快速傅里叶变换，得到n条谱线，使其分辨率提高d倍，r(m)的频谱函数为：
[0060][0061]
放大后的谱线映射回原实际谱线位置，则有
[0062]
映射回去的波峰横坐标值最小刻度成了1/d，若映射回频谱的横坐标为d，d可能已经不在是整数，d乘以一个系
数以后就是测量得到的目标物距离。
[0063]
s180：将波峰横坐标值作为下一次选择的波峰位置，重复步骤s150
‑
步骤s170，以此持续跟踪移动变化的目标物。
[0064]
进一步地，波峰的横坐标值乘以系数纪委目标物的距离，本实施例中将得到的波峰横坐标值作为下一次选择的波峰位置，以此实现目标跟踪测距的目的。
[0065]
本实施例中将频谱细化，提高计算分辨率，选带选取频谱一部分放大的特性跟踪目标物。
[0066]
参考附图2所示，多种功率谱图的结构示意图。
[0067]
参考附图2(a)，在没有干扰，也没有目标物的情况下，雷达物位计所接收回波的功率谱趋势线形状。
[0068]
参考附图2(b)，在没有干扰，有目标物的情况下，雷达物位计所接收回波的功率谱趋势线形状。
[0069]
参考附图2(c)，通过选带傅里叶变换后，雷达物位计所接收回波的功率谱趋势线形状。功率谱的局部放大，更准确的找到波峰位置，获取横坐标值，以此提高计算分辨率，没有干扰的情况下，只有一个波峰，可以很容易确定选带放大的位置。
[0070]
参考附图2(d)，把选带放大后的功率谱趋势线形状。
[0071]
参考附图2(e)，有干扰，有目标物的情况下，雷达物位计所接收回波的功率谱趋势线形状。雷达物位计的功率谱趋势线形状示意图中，虚线部分是干扰，可能存在、可能不存在，干扰信息会导致无法确定放大区域，也无法获悉波峰所在位置，通过绘制功率谱，可以判断需要放大的是第一个波峰位置。
[0072]
参考附图2(f)，液位移动情况下，雷达物位计所接收回波的功率谱趋势线形状示意图。液位会移动，但移动的不多，以一上次的选带为中心，移动后的液位波峰仍然在选带之内。
[0073]
参考附图2(g)，液位移动后，把选带放大的功率谱趋势线形状示意图。计算出频移后的波峰位置，下一次的选带以频移后的波峰位置为中心选带，实际波峰离频移后的波峰也会很接近，仍然必定在选带之内，不断循环往复，以上一次的波峰位置为中心选带，就可以持续跟踪目标的变化了。选带一旦开始，可以不用计算原始功率谱，直接对原始数据进行频移，选带，减少了选带傅里叶变换里面第一步快速傅里叶变换步骤需要的计算量。
[0074]
当然，上述为干扰物和目标物相对较远的情况，此外，当目标物和干扰物的波峰接近的时候，由于液位是连续的、稳定的，而干扰物时而出现时而不出现，两个波峰既然接近，造成的误差也就不大，从长期角度来看，处于可接受范围之内。
[0075]
实施例二
[0076]
本实施提供了一种雷达物位计的目标跟踪测距系统，采用实施例一中任意一项所述的方法，包括：信号收发模块100、信号获取模块200、信号采样模块300、功率谱绘制模块400、信号频移模块500、滤波采样模块600、距离计算模块700、目标跟踪模块800。
[0077]
所述信号收发模块100配置为发射调频连续波信号向量，接收含有目标物、干扰物在内的回波向量。
[0078]
所述信号获取模块200配置为将接收的回波向量与发射信号向量相乘进行混频后，再进行第一低通滤波处理，得到差频信号。
[0079]
所述信号采样模块300配置为对差频信号进行ad采样，得到差频信号的离散时间信号序列。
[0080]
所述功率谱绘制模块400配置为对离散时间信号序列进行快速傅里叶变换，得到差频信号的离散频谱，并根据离散频谱绘制出功率谱图。
[0081]
所述信号频移模块500配置为根据所述功率谱图形状，找出目标物对应的波峰位置，并将波峰位置作为选带傅里叶变换的选带中心，进行信号频移。
[0082]
所述滤波采样模块600配置为将信号频移后的离散时间信号序列进行第二低通滤波处理，获取滤波信号向量，对滤波信号向量进行重采样。
[0083]
所述距离计算模块700配置为对重采样后的滤波信号进行快速傅里叶变换，计算波峰位置在功率谱上的横坐标值，利用横坐标值计算雷达物位计到达目标物的距离。
[0084]
所述目标跟踪模块800配置为将波峰横坐标值作为下一次选择的波峰位置，依次重复运行所述信号频移模块、所述滤波采样模块、所述距离计算模块，以此持续跟踪移动变化的目标物。
[0085]
实施例三
[0086]
本技术实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序代码，当所述计算机程序代码在计算设备上运行时，导致所述计算设备执行实施例一任一项所述雷达物位计的目标跟踪测距方法。
[0087]
本技术实施例提供了一种计算设备，包括：处理器；存储有计算机程序代码的存储器；当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行实施例一任一项所述雷达物位计的目标跟踪测距方法。
[0088]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0089]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0090]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0091]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0092]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0093]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。