一种多目标背景下的水位测量方法与流程

1.本发明属于水位测量技术领域，尤其涉及一种多目标背景下的水位测量方法。


背景技术：

2.目前市面上的调频连续波体制雷达水位计和脉冲体制雷达水位计都是单个发射天线，单个接收天线或者收发共用一个天线的形式，只能获取目标的距离和回波强度信息。当雷达水位计波束照射范围内存在如建筑物边壁、凸台等人造物，树木、水草等自然物甚至行船等移动目标时，雷达回波中存在多目标干扰。现有的解决措施有：在自然河道和渠道场景下，通过加长雷达水位计的横臂安装支架，将雷达水位计安装位置尽量远离河岸，伸入水体区域，减小雷达波照射边壁、树木和水草的几率，这种安装方式无疑会增加水位监测设施的土建成本，且依然无法排除行船等动目标的干扰，容易出现水位跳变；在城市地下排水管网窨井水位监测场景下，通过外壳结构设计(如透镜天线结构)以减小雷达水位计的波束照射范围，或者将水位计安装在窨井正中心位置，以减小井边壁及金属踏步的反射，这种安装方式对现场安装的要求高，且会阻碍后期工人下井进行管道清淤等工作。因此，现有的雷达水位计测量方法难以实现多目标背景下的水体目标的正确识别，以及高精度、稳定准确的水位测量要求。
3.另外，现有的提高雷达水位测量精度的方法主要有：在回波的频率域，利用频谱差值法对目标频率进行细化处理，以提高目标空高和水位测量的精度。在多目标存在的情况下，该方法的计算效率和实时处理能力有待提升。


技术实现要素：

4.为简化水位测量的计算方法，提高计算效率，增强多目标背景下水体目标的检测识别能力，提高水位测量准确度和稳定性，本发明提出了一种多目标背景下的水位测量方法。
5.本发明公开的一种多目标背景下的水位测量方法，使用雷达水位计测量水位，所述雷达水位计包括一个单阵元发射天线tx和三个单阵元接收天线rx1、rx2和rx3，所述水位测量方法包括以下步骤：
6.雷达水位计通过发射天线tx以固定周期t
frame
发射一组调频连续波信号，每组调频连续波由第一锯齿波s1和第二锯齿波s2组成，两段锯齿波间隔t
shape
时间发射；
7.三个接收天线接收采样后的第一锯齿波回波信号s
1rx1
(n)，s
1rx2
(n)，s
1rx3
(n)和第二锯齿波回波信号s
2rx1
(n)，s
2rx2
(n)，s
2rx3
(n)，n∈[1,n]；将s
1rx1
(n)，s
1rx2
(n)，s
1rx3
(n)和s
2rx3
(n)加n点汉明窗后，做n点离散傅里叶变换后，得到离散傅里叶频谱和其中mi(k)和为第i个频谱在谱线位置k的频谱幅值和相角，k∈[1,n]；
[0008]
在s
1rx3
(n)的频谱上用cfar算法在k∈[1,n/2]范围内检测出局部幅值最大的m个目标的谱线位置k1、k2、...、km，求解所述m个目标的四元组属性值；
[0009]
通过若干周期t
frame
的测量，得到若干周期t
frame
的所述m个目标的四元组属性值；
[0010]
将所述若干目标分类，并根据预设规则选择类内的目标类为待定目标类，将距离均值最小的目标类判定为水面目标。
[0011]
进一步的，所述三个接收天线两两构成正交关系，且天线阵元中心间距di相等，间距小于等于雷达发射信号波长的一半，定义三个接收天线的中心点为原点o，rx2和rx3中心点连线方向为y轴，rx1和rx3中心点连线方向为x轴，建立参考直角坐标系。
[0012]
进一步的，所述目标的四元组属性为(r,θ,ρ,v)，若目标w在第一平面上的投影点为w'，在第二平面上的投影点为w"，oz为雷达中心点到水平面的垂线，则θ为ow'与oz的夹角，ρ为ow"与oz的夹角，r为雷达中心点o到目标w的距离，v为目标w在ow径向上的相对速度，所述第一平面和第二平面互相垂直，并分别和水平面垂直。
[0013]
进一步的，单段锯齿波形状的调频连续波发射时起始频率为f0，结束频率为f1，带宽为bw，发射时间为t
p
，且t
p
《t
shape
，其余时间段雷达不工作。
[0014]
进一步的，所述求解m个目标的四元组属性值包括以下步骤：
[0015]
对于第i个目标，1《＝i《＝m，
[0016]
步骤一：在s
1rx3
(n)的频谱谱线ki的相邻两条谱线k
i-1和ki 1中找到幅值最大的谱线，假设谱线幅值m3(ki)《m3(ki 1)，则以谱线ki和ki 1的频谱幅值m3(ki)和m3(ki 1)进行步骤二计算；
[0017]
步骤二：计算目标i的距离ri为：
[0018][0019]
其中c为电磁波在真空中的传播速度，a为系数，bw为带宽；
[0020]
步骤三：计算目标i的角度参量(θi,ρi)：
[0021][0022][0023]
其中λ0＝c/f0，为fmcw起始扫频频率f0对应的波长；为接收天线rx1和rx3的回波信号频谱在谱线ki处的相位差，计算方法如下：
[0024][0025]
为接收天线rx2和rx3的回波信号频谱在谱线ki处的相位差，计算方法如下：
[0026]
[0027]
步骤四：计算目标i的径向相对速度vi：
[0028]
根据所述系数a，先求取目标i在频谱和中对应频率k＝(k
i-1 a)处的相角和
[0029][0030][0031]
再求目标i的径向相对速度vi：
[0032][0033]
其中
[0034]
vi为正数时，表示目标i的运动方向靠近雷达水位计；vi为负数时，表示目标i的运动方向远离雷达水位计；t
shape
是决定目标的径向速度的测量范围的参数；
[0035]
重复上述步骤一至步骤四过程，得到当前frame雷达数据检测到的其余目标的四元组属性值。
[0036]
进一步的，所述系数a的计算公式为：
[0037][0038]
其中p0,p1,p2,p3为预设的系数，m3(ki)和m3(ki 1)为谱线ki和ki 1的幅值；
[0039]
t
shape
通过下式计算：
[0040][0041]
其中v
max
为检测目标的最大径向速度。
[0042]
进一步的，按照以下方法完成水面目标识别：
[0043]
步骤一：所有目标以距离这一属性值为条件，通过k均值聚类算法，分为若干组不同距离的目标类；
[0044]
步骤二：对类内目标，计算距离均值r，空间立体角θ和ρ的均方差θ
std
和ρ
std
，径向速度的均值v和均方差v
std
；
[0045]
步骤三：以空间立体角均方差为判定条件，将同时满足θ
std
≥th1和ρ
std
≥th1的目标类作为待定目标类，其中th1为设定的门限值；
[0046]
步骤四：计算待定目标类径向速度均方差与均值之比，在满足条件下，将距离均值最小的目标类判定为水面目标，其中th2为设定的门限值。
[0047]
进一步的，识别出水面目标后，将识别为水面目标类的距离均值r换算为雷达水位
计距离水面的空高值h:其中为水面目标类的θ均值，为水面目标类的ρ均值。
[0048]
进一步的，用设定的安装高度减去空高值得到当前水深值。
[0049]
本发明的有益效果如下：
[0050]
在雷达水位计已有的测量目标距离和回波强度的功能基础上，利用一发多收调频连续波体制的优势，快速解算出目标相对雷达水位计的距离、空间立体角和径向运动速度，在雷达水位计安装现场存在不可排除的多目标干扰的情况下，利用目标的距离、回波强度、空间立体角和径向运动速度等属性，准确识别出水体目标，排除干扰目标的影响，提高水位测量的准确性，降低对雷达水位计的安装要求。
附图说明
[0051]
图1本发明的水位测量方法流程图；
[0052]
图2本发明在典型应用场景下的雷达水位计安装示意图；
[0053]
图3本发明的天线示意图；
[0054]
图4目标三维示意图；
[0055]
图5本发明的调频连续波发射信号形式。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
[0057]
本发明使用雷达水位计进行水位测量，雷达水位计包括一个单阵元发射天线tx和三个单阵元接收天线rx1、rx2和rx3，如图1所示。本实施例中以4个目标的识别任务为例进行识别，但对于2个或3个目标或超过4个目标的场景，本发明也同样适用，本实施例对此不作限制。三个接收天线两两构成正交关系，且天线阵元中心间距di相等，间距小于等于雷达发射信号波长的一半，定义三个接收天线的中心点为原点，rx2和rx3中心点连线方向为y轴，rx1和rx3中心点连线方向为x轴，建立参考直角坐标系。
[0058]
水位测量方法包括以下步骤：
[0059]
雷达水位计通过发射天线tx以固定周期t
frame
发射一组调频连续波信号，每组调频连续波由第一锯齿波s1和第二锯齿波s2组成，两段锯齿波间隔t
shape
时间发射；单段锯齿波形状的调频连续波发射时起始频率为f0，结束频率为f1，带宽为bw，发射时间为t
p
，且t
p
《t
shape
，其余时间段雷达不工作。
[0060]
三个接收天线接收采样后的第一锯齿波回波信号s
1rx1
(n)，s
1rx2
(n)，s
1rx3
(n)和第二锯齿波回波信号s
2rx1
(n)，s
2rx2
(n)，s
2rx3
(n)，n∈[1,n]；将s
1rx1
(n)，s
1rx2
(n)，s
1rx3
(n)和s
2rx3
(n)加n点汉明窗后，做n点离散傅里叶变换后，得到离散傅里叶频谱和其中mi(k)和为第i个频谱在谱线位置k的频谱幅值和相角，k∈[1,n]；
[0061]
在s
1rx3
(n)的频谱上用cfar算法在k∈[1,n/2]范围内检测出局部幅值最大的m个
目标的谱线位置k1、k2、...、km，求解m个目标的四元组属性值；
[0062]
目标的四元组属性为(r,θ,ρ,v)，若目标w在第一平面上的投影点为w'，在第二平面上的投影点为w"，oz为雷达中心点到水平面的垂线，则θ为ow'与oz的夹角，ρ为ow"与oz的夹角，r为雷达中心点o到目标w的距离，v为目标w在ow径向上的相对速度，所述第一平面和第二平面互相垂直，并分别和水平面垂直。
[0063]
通过若干周期t
frame
的测量，得到若干周期t
frame
的m个目标的四元组属性值；
[0064]
求解m个目标的四元组属性值包括以下步骤：
[0065]
对于第i个目标，1《＝i《＝m，
[0066]
步骤一：在s
1rx3
(n)的频谱谱线ki的相邻两条谱线k
i-1和ki 1中找到幅值最大的谱线，假设谱线幅值m3(ki)《m3(ki 1)，则以谱线ki和ki 1的频谱幅值m3(ki)和m3(ki 1)进行步骤二计算；
[0067]
步骤二：计算目标i的距离ri为：
[0068][0069]
其中c为电磁波在真空中的传播速度，a为系数，bw为带宽；
[0070]
系数a的计算公式为：
[0071][0072]
其中p0,p1,p2,p3为预设的系数，m3(ki)和m3(ki 1)为谱线ki和ki 1的幅值；
[0073]
t
shape
通过下式计算：
[0074][0075]
其中v
max
为检测目标的最大径向速度。
[0076]
步骤三：计算目标i的角度参量(θi,ρi)：
[0077][0078][0079]
其中λ0＝c/f0，为fmcw起始扫频频率f0对应的波长；为接收天线rx1和rx3的回波信号频谱在谱线ki处的相位差，计算方法如下：
[0080][0081]
和为第1个和第3个频谱在谱线位置ki的相角；
[0082]
为接收天线rx2和rx3的回波信号频谱在谱线ki处的相位差，计算方法如下：
[0083][0084]
和为第2个和第3个频谱在谱线位置ki的相角。
[0085]
步骤四：计算目标i的径向相对速度vi：
[0086]
根据系数a，先求取目标i在频谱和中对应频率k＝(k
i-1 a)处的相角和
[0087][0088][0089]
和为第3个和第4个频谱在谱线位置ki的相角，和为第3个和第4个频谱在谱线位置ki 1的相角；
[0090]
再求目标i的径向相对速度vi：
[0091][0092]
其中
[0093]
vi为正数时，表示目标i的运动方向靠近雷达水位计；vi为负数时，表示目标i的运动方向远离雷达水位计；t
shape
是决定目标的径向速度的测量范围的参数；
[0094]
重复上述步骤一至步骤四过程，得到当前frame雷达数据检测到的其余目标的四元组属性值。
[0095]
将若干目标分类，并根据预设规则选择类内的目标类为待定目标类，将距离均值最小的目标类判定为水面目标。
[0096]
按照以下方法完成水面目标识别：
[0097]
步骤一：所有目标以距离这一属性值为条件，通过k均值聚类算法，分为若干组不同距离的目标类；
[0098]
步骤二：对类内目标，计算距离均值空间立体角θ和ρ的均方差θ
std
和ρ
std
，径向速度的均值和均方差v
std
；
[0099]
步骤三：以空间立体角均方差为判定条件，将同时满足θ
std
≥th1和ρ
std
≥th1的目标类作为待定目标类，其中th1为设定的门限值；
[0100]
步骤四：计算待定目标类径向速度均方差与均值之比，在满足条件下，将距离均值最小的目标类判定为水面目标，其中th2为设定的门限值。
[0101]
识别出水面目标后，将识别为水面目标类的距离均值换算为雷达水位计距离水面的空高值h:其中为水面目标类的θ均值，为水面目标类的ρ均值。
[0102]
进一步的，用设定的安装高度减去空高值得到当前水深值。
[0103]
实施例
[0104]
雷达水位计安装在城市排水污水管网窨井口，固定在井壁，雷达波束向下照射，如图2所示，在雷达的天线波束角照射范围内，有水面目标w，还有井壁上金属踏步a1和a2，井底的水泥留台b等干扰目标。本实施例以4个目标为例，对于多于1个的目标检测也同样适用，本实施例对此不作限制。
[0105]
雷达水位计采用一发三收的天线形式(一个单阵元发射天线tx，三个单阵元接收天线rx1、rx2和rx3)，三个接收天线两两构成正交关系，且天线阵元中心间距di相等，间距小于等于雷达发射信号波长的一半，如图2所示。定义三个接收天线的中心点为原点，rx2和rx3中心点连线方向为y轴，rx1和rx3中心点连线方向为x轴，建立参考直角坐标系。
[0106]
以图3的直角坐标系为基准，波束向下方向为z轴方面建立三维坐标系，图2示意的场景中四个目标(w、a1、a2和b)的三维坐标关系如图4所示。以水面目标w为例，定义该目标在xoz平面上的投影点为w'，ow'与oz的夹角为θw；该目标在yoz平面上的投影点为w"，ow"与oz的夹角为ρw；定义雷达中心点o到目标w的距离为rw；另外，定义目标w在ow径向上的相对速度为vw。因此，将(rw,θw,ρw,vw)四个参数定义为水面目标w的属性，同理，目标a1的属性为(r
a1
,θ
a1
,ρ
a1
,v
a1
)，目标a2的属性为(r
a2
,θ
a2
,ρ
a2
,v
a2
)，目标b的属性为(rb,θb,ρb,vb)。
[0107]
雷达水位计通过发射天线tx以固定周期t
frame
发射一组调频连续波信号，每组调频连续波由两段相同锯齿波s1和s2组成，两段锯齿波间隔t
shape
时间发射。单段锯齿波形状的调频连续波发射时起始频率为f0，结束频率为f1，带宽为bw，发射时间为t
p
(需满足t
p
《t
shape
)，其余时间段雷达不工作，发射信号的形状如图5所示。
[0108]
雷达水位计发射s1信号时，三个接收天线同时接收到四个目标的反射信号，经过混频下变频、中频放大和ad采样后，得到三组n点数字回波信号s
1rx1
(n)，s
1rx2
(n)，s
1rx3
(n)，n∈[1,n]，其中n为采样点数。同理，雷达水位计发射s2信号时，三个接收天线得到的采样后的数字回波信号表示为s
2rx1
(n)，s
2rx2
(n)，s
2rx3
(n)。
[0109]
对s
1rx1
(n)，s
1rx2
(n)，s
1rx3
(n)和s
2rx3
(n)分别加n点汉明窗(hamming window)后，做n点离散傅里叶变换，得到对应的离散傅里叶频谱可表示为和其中mi(k)和为第i个频谱在谱线位置k的频谱幅值和相角，k∈[1,n]。
[0110]
在s
1rx3
(n)的频谱上用cfar算法在k∈[1,n/2]范围内检测出局部幅值最大的四个目标(a1、a2、b和w)的谱线位置k1、k2、k3和k4，下面以w目标为例，求解该目标的属性值(rw,θw,ρw,vw)。
[0111]
步骤一：在谱线k4的相邻两条谱线k
4-1和k4 1中找到幅值最大的谱线，假如m3(k
4-1)《m3(k4 1)，则以谱线k4和k4 1的频谱值进行下一步计算。
[0112]
步骤二：计算目标w的距离rw为：
[0113][0114]
其中c为电磁波在真空中的传播速度，系数a的计算公式为：
[0115][0116]
通过系数a的计算，可将现有的chirp-z变换、频谱差值法简化为一个与幅值之比相关的一元三次函数关系，该函数的四个待定系数p0,p1,p2,p3通过仿真数值的曲线拟合和实测验证确定。与现有方法相比，该方法可在保证测距精度的前提下，大大降低目标频率细化的计算量，保证了水位测量的实时性。
[0117]
步骤三：计算目标w的角度参量(θw,ρw)：
[0118][0119][0120]
其中λ0＝c/f0，为fmcw起始扫频频率f0对应的波长；为接收天线rx1和rx3的回波信号频谱在谱线k4处的相位差，计算方法如下：
[0121][0122]
同理，为接收天线rx2和rx3的回波信号频谱在谱线k4处的相位差，计算方法同上。
[0123]
步骤四：计算目标w的径向相对速度vw：
[0124]
根据步骤二求取的系数a，先求取目标w在频谱和中对应频率kw＝(k
4-1 a)处的相角和
[0125][0126][0127]
再求目标w的径向相对速度vw：
[0128][0129]
其中
[0130]vw
为正数时，表示目标w的运动方向靠近雷达水位计；vw为负数时，表示目标w的运动方向远离雷达水位计；需要注意的是，t
shape
决定了目标的径向速度的测量范围：
[0131][0132]
可通过选择合适的t
shape
值，在覆盖场景运动目标速度范围的条件下，保证测速的精度，以便后续的目标识别处理过程。
[0133]
重复上述步骤一至步骤四过程，得到当前frame雷达数据检测到的四个目标(a1、a2、b和w)的属性值。
[0134]
通过若干周期t
frame
的测量，得到若干目标的测量结果(四项属性值)。按照以下方法完成水面目标识别：
[0135]
步骤一：所有目标以距离这一属性值为条件，通过k均值聚类算法，分为若干组不同距离的目标类；
[0136]
步骤二：对类内目标，计算距离均值空间立体角θ和ρ的均方差θ
std
和ρ
std
，径向速度的均值和均方差v
std
；
[0137]
步骤三：以空间立体角均方差为判定条件，将同时满足θ
std
≥th1和ρ
std
≥th1(th1为设定的门限值)的目标类作为待定目标类；
[0138]
步骤四：计算待定目标类径向速度均方差与均值之比，在满足(th2为设定的门限值)条件下，将距离均值最小的目标类判定为水面目标。
[0139]
结合目标的距离、回波强度、空间立体角和径向运动速度属性，将目标类分类，再从待定目标类中识别出水体目标，可排除干扰目标的影响，与现有技术相比，大大提高了水位测量的准确性。
[0140]
将识别为水面目标类的距离均值换算为雷达水位计距离水面的空高值h:
[0141][0142]
用设定的安装高度减去空高值得到当前水深值。
[0143]
本发明的有益效果如下：
[0144]
在雷达水位计已有的测量目标距离和回波强度的功能基础上，利用一发多收调频连续波体制的优势，快速解算出目标相对雷达水位计的距离、空间立体角和径向运动速度，在雷达水位计安装现场存在不可排除的多目标干扰的情况下，利用目标的距离、回波强度、空间立体角和径向运动速度等属性，准确识别出水体目标，排除干扰目标的影响，提高水位测量的准确性，降低对雷达水位计的安装要求。
[0145]
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本技术中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“x使用a或b”意指自然包括排列的任意一个。即，如果x使用a；x使用b；或x使用a和b二者，则“x使用a或b”在前述任一示例中得到满足。
[0146]
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
[0147]
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
[0148]
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。