采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法与流程

1.本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法。


背景技术：

2.实际运用中，由于运用场景要求、硬件系统性能不足、设备功率受限和外界噪声干扰等因素造成物位计在进行目标距离测量的过程中，实际精度会有所降低，尤其是当设备硬件仅支持的fft点数一定时，随着最大测量距离的增加，测量的精度会随之降低，因此传统的方法很难维持在不同量程下，同一距离段目标的测量精度。
3.通过对现场实测数据的分析可以得出：在实际使用物位计测量的过程中，罐内待测目标移动的速度较慢，而信号从开始发射到接收到回波信号所用的时间为ms级，所以可以认为目标从信号开始发射到信号发射结束期间没有移动。虽然由于fft点数受限，不能保证全量程内的精度提升到同一水平，但是只要能获得目标所在的距离段，就可以利用目标在短时间内相当于静止的特点，达到全量程相同距离段内精度一致。
4.传统的物位计目标距离测量方法中常用的方法是分量程精度或者粗搜加精搜的方法。前者通过区分不同量程来设定不同的精度，即量程内所有距离段的精度均为最低水平，因为当fft点数一定时，随着最大测量范围的增加，信号的最大频率也会增加，导致栅格宽度变宽，栅格刻画的精细程度降低，精度也随之下降；后者每次测量都需要发射两次信号，第一次搜索目标的大致距离和所在距离段，第二次通过发射小量程信号来测量目标的具体位置，这种方法一方面增加了设备的耗电量、增加了信号发射和程序运行的时间，另一方面当环境杂乱噪声和干扰较大的时候，容易错误地判断目标所在的大致距离位置，影响下一步精搜，从而造成误判。另外，一般情况下由于设备硬件系统自身的影响，物位计的测量结果并非随着目标的移动线性变化，即物位计的测量结果和目标的真实距离并不是一次函数的关系，这样会导致在实际测量过程中，测量结果的误差大于理论误差。
5.针对这类问题传统的测距方法就无法实现高精度的测量结果，因此设计研究性能优良、鲁棒性好的采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法显得十分重要。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明提供了一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法，包括：
8.步骤1：利用雷达发射装置按照预设的发射参数发射两种量程的发射信号，接收返回的两种量程的回波信号；
9.步骤2：将两种量程的回波信号分别送入硬件加速器进行fft变化，得到fft变换后的两种量程的频谱数据；
10.步骤3：将两种量程的频谱数据分别通过相参积累以提高频谱的信噪比，得到信噪
比变化后的两种量程的频谱数据；
11.步骤4：将信噪比变化后的两种量程的频谱数据分别送入硬件加速器进行cfra检测，得到两种量程的频谱数据对应的cfar曲线数组；
12.步骤5：将每组cfar曲线数组中高于cfra频谱的数值确定为有效值，将该有效值在曲线数组中的位置序号确定为该有效值的下标，获得每种量程对应的一维峰值点数组；
13.步骤6：在每种量程对应的一维峰值点数组中，分别筛选高于峰值阈值的峰值点组成峰值点数组，得到每种量程对应的峰值点数组；
14.步骤7：利用距离量程匹配方法以及每种量程中低量程对应的峰值点数组，对高量程对应的峰值点数组进行优化，得到优化后高量程对应的峰值点数组；
15.步骤8：利用优化的三次样条插值对优化后高量程对应的峰值点数组进行插值，得到所有可能的目标点；
16.步骤9：在所有可能的目标点中确定真实目标与雷达发射装置的真实距离。
17.本发明的有益效果：
18.1、本发明提供了一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法，该方法通过对iwr1443boost接收到的信号进行相参积累可以得到与积累数目同等倍数信噪比的频谱信号，然后通过cafr剔除噪声和干扰信号，利用设定好的阈值对信号进行二次干扰剔除，再利用距离量程匹配方法建立对应关系对远距离峰值点数组进行优化，得到高精度的峰值点数组，最后利用优化的三次样条插值到所有可能的目标点，从而找出目标的距离。本发明不仅提高了目标检测的速度，而且提高了不同距离段的测距精度，实现了对目标距离的可靠测量。
19.2、本发明提出了一种改进的三次样条插值的方法，能满足iwr1443boost算力较低，工业要求耗能不高的需求，可以快速、准确、方便的对测量结果进行插值和校正。精确的获得目标的真实距离结果。
20.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法的流程图；
22.图2是本发明实施例提供的种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法过程示意图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
24.如图1所示，本发明提供的一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法包括：
25.步骤1：利用雷达发射装置按照预设的发射参数发射两种量程的发射信号，接收返回的两种量程的回波信号；
26.其中，所述两种量程的回波信号分别为第一回波信号以及第二回波信号，所述第
一回波信号的量程高于第二回波信号的量程。
27.值得说明的是：根据实际量程要求配置iwr1443boost的参数，本发明实例选取的波形参数为：大量程：23m；起始载频：f＝77ghz，采样率fs＝2mhz，带宽b＝3.865ghz，调频率kr＝13.03mhz/us，周期ts＝306.85us，采样点数：593，波形发射数目：8；小量程：13m起始载频：f＝77ghz，采样率fs＝2mhz，带宽b＝3.7653ghz，调频率kr＝23.03mhz/us，周期ts＝173.68us，采样点数：327，波形发射数目：8。最大测量距离和采样率的关系如下：
[0028][0029]
式中，kr为调频率，kr＝b/(t
s-idletime)，b为带宽，ts为周期，idletime为等待时间，等待时间即空闲时间自己设定，本发明可以设定为10e(-6)s)，fs为采样率，c为光速数值上为3e8m/s，d_max为最大测距范围。
[0030]
步骤2：将两种量程的回波信号分别送入硬件加速器进行fft变化，得到fft变换后的两种量程的频谱数据；
[0031]
其中，本发明使用的fft点数可以均为fft_num＝4096。
[0032]
步骤3：将两种量程的频谱数据分别通过相参积累以提高频谱的信噪比，得到信噪比变化后的两种量程的频谱数据；
[0033]
将大、小量程频谱数据分别从内存中取出，因为雷达单个脉冲的回波能量有限，通常不采用单个接收脉冲来进行目标的检测判决。在判决之前，先对一个波位的多个脉冲串进行处理，以提高信噪比，通过相参积累提高频谱的信噪比，所谓相参积累是考虑到各个周期接收数据的相位信息，将多周期的信号进行相参积累后的信噪比为：
[0034][0035]
m为脉冲积累数，a2为单个脉冲回波信号功率，σ2为噪声功率，即相参积累后信噪比扩大m倍。得到大、小量程两种波形积累后的频谱数据；
[0036]
步骤4：将信噪比变化后的两种量程的频谱数据分别送入硬件加速器进行cfra检测，得到两种量程的频谱数据对应的cfar曲线数组；
[0037]
值得说明的是：分别将大、小量程两种波形的频谱送入硬件加速器，得到其cfar后的结果。使用的cfar检测器为ca-cfar检测器，其参数配置如下所示：检测窗长：32，保护窗长：2，噪声移位：5，标称因子：1.5。
[0038]
步骤5：将每组cfar曲线数组中高于cfra频谱的数值确定为有效值，将该有效值在曲线数组中的位置序号确定为该有效值的下标，获得每种量程对应的一维峰值点数组；
[0039]
值得说明的是：cfar的结果为与频谱点数相同的cfar曲线数组，通过cfar曲线对得到的频谱进行筛选，高于cfar的频谱为有效数值并记录下来，记录其数值和下标，分别获得大、小量程的一维数组。
[0040]
步骤6：在每种量程对应的一维峰值点数组中，分别筛选高于峰值阈值的峰值点组成峰值点数组，得到每种量程对应的峰值点数组；
[0041]
作为本发明一种可选的实施方式，所述步骤6包括：
[0042]
步骤6-1：在每种量程对应的一维峰值点数组中判断第一个点是否为峰值点、最后一个点是否为峰值点，以及针对除第一个点以及最后一个点外的每一个当前点，判定是否
为峰值点；
[0043]
步骤6-11：在每种量程对应的一维峰值点数组中判断第一个点的右侧相邻点是否小于第一个点，如果是则第一个点为峰值点，否则不是峰值点；
[0044]
步骤6-12：在每种量程对应的一维峰值点数组中判断最后一个点的左侧相邻点峰值是否小于最后一个点，如果是则最后一个点为峰值点，否则不是峰值点；
[0045]
步骤6-13：针对除第一个点以及最后一个点外的每一个当前点，如果当前点左右两侧都不存在比它大的点，且存在比它小的点，则判定此当前点为峰值点，否则不为峰值点。
[0046]
步骤6-2：将判定的峰值点与设定的峰值阈值作比较，将小于峰值阈值的峰值点剔除，获得每种量程对应的峰值点数组。
[0047]
作为本发明一种可选的实施方式，所述步骤6-1包括：
[0048]
步骤7：利用距离量程匹配方法建立对应关系以及每种量程中低量程对应的峰值点数组，对高量程对应的峰值点数组进行优化，得到优化后高量程对应的峰值点数组；
[0049]
作为本发明一种可选的实施方式，所述步骤7包括：
[0050]
步骤7-1：设定距离差值；
[0051]
步骤7-2：以第一回波信号对应的峰值点数组为标准组，分别选择标准组中的第一峰值点的第一下标和第二回波信号对应的峰值点数组中的第二峰值点的第二下标，如果第一下标与第二下标的距离小于所述距离插值，则将第一下标与第二下标的距离作为距离差值以更新距离差值；记录第二峰值点数组中所选择的第二峰值点的下标；
[0052]
步骤7-3：重复步骤7-2直至遍历第二峰值点数组中所有第一峰值点，选择距离差值最小时第二峰值点的下标；
[0053]
步骤7-4：将最小的距离差值与预设的目标阈值进行比较，若最小的距离差值大于所述目标阈值的相反数，且小于所述目标阈值，则将最小的距离差值对应的第一峰值点的下标替换为第二峰值点的下标直至第一峰值点数组中的所有第一峰值点替换完成，得到优化后的第一峰值点数组。
[0054]
值得说明的是：设定目标阈值k，k值一般设定为d_max/fft_num，d_max为最大测距范围。fft_num为fft变化的点数；或者可分别使用大、小量程波形同时测量同一目标，得到两者的距离差，将该距离差作为k，计算出差值作为k即可。将最小的距离差值dist_diff于k比较，若-k《dist_diff《k，则更新大量程的峰值点下标为小量程记录的下标值，若不满足-k《dist_diff《k则不更新。
[0055]
作为本发明一种可选的实施方式，所述步骤7-4中预设的目标阈值通过如下步骤得到：
[0056]
步骤7-41：利用第一峰值点数组以及第二峰值点数组分别测量同一目标，计算两组峰值点数组的测量结果的差值，将该差值确定为目标阈值；
[0057]
步骤7-42：利用下述公式计算得到目标阈值：
[0058]
其中，k＝d_max/fft_num，k表示目标阈值，d_max表示最大测距范围，fft点数。
[0059]
步骤8：利用优化的三次样条插值对优化后高量程对应的峰值点数组进行插值，得到所有可能的目标点；
[0060]
作为本发明一种可选的实施方式，所述步骤8包括：
忧化的三次样条插值结果6.3272747.928128.3316279.931726 误差-0.00027-0.00042-0.00013-0.00013 [0080]
步骤9：在所有可能的目标点中确定真实目标与雷达发射装置的真实距离。
[0081]
值得说明的是：本发明可以选择合适的选峰决策，由于测量的目标可能存在介电常数比较小的情况，即目标峰值并不一定是最大的，也可能是峰值数组中的第一个峰，因此需要选择合适的选峰决策，找出真实目标的峰值代表的距离，最终实测结果如表2所示。
[0082]
表2
[0083][0084][0085]
从表1和表2中可以看出，本发明提供的一种采用实测插值标定的毫米波雷达高精度物位测量方法，实现了目标的分段高精度测量。该方法通过一定时间内同时发送两种不同量程的波形，接收到回波后得到两组峰值数组。利用距离量程匹配方法，以大量程的测量结果为参考，在信号处理结果后，通过小量程的波形结果对大量程的到的结果进行精度优化，最后利用改进的三次样条插值获得目标所在真实距离。通过仿真实验验证了该方法的有效性，不仅提高了目标测量的速度，而且提高了大量程近距离的测量精度。最后成功实现了实际运用，并达到了期望的效果。
[0086]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0087]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
[0088]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定
本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。