一種fmcw雷達測距精確校正的測量裝置與補償校正方法
2023-10-18 05:18:29 2
(3)式中邸是兩個頻鐠最大處相位的相位差。整理上式得+2"2=1，代入式4得formulaseeoriginaldocumentpage7(5)最後使用A/，經過計算得到校正後的頻率，具體的校正公式如下formulaseeoriginaldocumentpage7(6)式中，/表示使用頻謙最大值得到的頻率校正結果。使用同樣方法，可以推出使用頻譜次大值進行頻率校正時的譜線號校正量formulaseeoriginaldocumentpage7(7)formulaseeoriginaldocumentpage7(8)式中，A/'表示次大值頻譜校正量，/'表示使用頻譜次大值得到的頻率校正結果。經過研究發現使用次大值得到的頻率校正誤差與使用最大值得到的頻率校正誤差符號相反，並且有下面規律i次大值校正誤差h1-1M|最大值校正誤差(9)式中M為頻謙語線校正量，取值範圍是[-0.5，0.5]，即次大值頻率校正誤差與最大值頻率校正誤差比值的絕對值符合7曲線，xe,'5]。因此，提出以下改進方法。記1^1，則A可以作為使用頻鐠最大值得到的校正結果與使用頻譜次大值得到的校正結果之間使用加權方法校正得到最終結果的加權值，具體加權公式為A+l(10)式中厶表示加權以後得到的校正頻率。頻鐠次大值頻率校正誤差與頻語最大值頻率校正誤差符號相反，並且1一X它們比值的絕對值符合T曲線，"e[G，G'5]。根據這兩點確定加權校正的方法，並給出了加權值的計算方法，這是本發明的關鍵所在。在實際應用中，發現當實際頻率落在頻譜譜線左右5%範圍內得到的頻率校正誤差達到1Hz,均方根誤差達到2.32Hz,隨機誤差最大會達到10Hz，遠遠高於其餘範圍內平均誤差0.05Hz，均方根誤差0.08Hz的水平。這是由於以上算法中使用的窗函數都是矩形窗，由於矩形窗本身具有最大邊瓣峰值和最慢的邊瓣衰減速度兩大缺點，導致該段範圍內誤差較大。針對這兩個缺點，本發明進行了如下改進，在頻語鐠線左右5%範圍內，對被採樣信號加Hanning窗。具體實現方法如下判斷經過第一次補償校正後的頻率是否位於頻譜謙線左右10%範圍內，如果不在該範圍內則該頻率校正結果即為最終的頻率校正值，如果位於10%範圍之內時，則對被採樣信號加Hanning窗，再次使用該方法計算得到校正頻率，並作為最終的頻率校正值。在相同的條件下，使用Hanning窗對被測信號進行計算仿真，並與使用矩形窗的校正結果相比較，如圖2和圖3所示，其中圖2為對無噪聲信號使用Hanning窗與矩形窗頻率補償校正誤差，圖3為對疊加30dB高斯白噪聲信號使用Hanning窗與矩形窗頻率補償校正誤差，圖4為圖3中譜線兩側的局部圖。分析圖2發現無噪聲時，前50Hz使用Hanning窗和矩形窗的效果都很好，但是在後50Hz使用Harming窗得到的校正誤差明顯大於使用矩形窗的結果。通過圖2、圖3發現，在加矩形窗頻率校正結果不理想的範圍內，即在頻i普語線左右5%的範圍內，由於Hanning窗主瓣較寬且邊瓣能量小，可以保證頻語次大值也位於主瓣內，得到的頻率校正結果明顯好於矩形窗的校正結果。而在頻i普傳線左右5%的範圍外，由於矩形窗主瓣較窄，其計算精度要好於加Hanning窗的校正精度。在實際計算過程中，考慮到噪聲的影響，將上面的5%範圍擴大到10%，即經過第一次補償校正後的頻率結果如果落在頻語譜線左右10%的範圍內時，捨棄計算結果，對原被採樣信號加Hanning窗後，重新使用補償校正算法計算一遍，得到最後的頻率校正結果。改進後的算法流程如圖l所示。實驗採用Matlab7.0，採樣頻率102.4kHz，故理論上可以估算的頻率範圍為051.2kHz，對應於076.8m。仿真結果的誤差與信噪比的關係如圖5。圖中每個點的數據計算方法為在相同信噪比情況下，在0.15kHz0.25kHz，lkHzl.lkHz,5kHz5.1kHz,10kHz10.1kHz，15kHz15.1kHz，20kHz20.1kHz,25kHz25.1kHz，30kHz30.1kHz，35kHz35.1kHz，40kHz40.1kHz，45kHz45.1kHz，50kHz50.1kHz頻率範圍內，各選取11個頻率點，對這些平均誤差取平均值。分析圖5可以看出，在高斯白噪聲情況下，高信噪比情況下誤差不超過O.lmm，低信噪比情況下誤差不超過0.15mm。現將本算法的校正結果換算為距離，並與補零FFT相位差法、CZT方法、基於FFT的快速頻率估計算法相比，結果見表l。表1各種算法測量誤差對比tableseeoriginaldocumentpage10從表1中數據可以看到，本發明釆用一種改進的高精度相位差補償計算裝置，在均方根誤差接近的情況下，相對誤差比傳統的三種方法相對誤差都有減小。本裝置的發明，對實現高精度近距離測量，提供了一種新的裝置和方法。上述實例測距為0-76.8米，對於0-51.2KHz,〗旦上述方法不僅限於0-51.2KHz或者0_200KHz的測量範圍，其他更大範圍的測量，或者靈活設置的頻率範圍，其採用的方法和裝置，也落於本發明的保護範圍之內。權利要求1.一種FMCW雷達測距精確校正的測量裝置，其特徵在於測量裝置包括回波信號處理模塊(1)，提取峰值模塊(2)，高精度相位差補償模塊(3)，頻率距離轉換模塊(4)，顯示模塊(5)；回波信號接收模塊(1)接收高頻回波信號，對如5.6GHz，10GHz，26GHz，96GHz的高頻發射信號，經過混頻處理，得到0KHz-200KHz的中頻信號，並通過閾值曲線設立，去除幹擾和濾除其他信號，鎖定出頻域峰值信號(2)，由DSP的信號處理單元，記錄所有數據並存儲在數據存儲單元內，由DSP提取記錄信號，對數據進行改進的高精度相位差補償計算(3)，將頻率轉換成距離並在頻率距離轉換模塊(4)、顯示模塊(5)顯示。2.如權利要求1所述測量裝置，其特徵在於高精度相位差補償計算(3)是利用頻譜幅值次大值的相位差，修正普通的相位差計算結果，並對校正精度不理想的頻率段進行了窗函數的校準；採用的技術方案是(1)回波信號接收模塊接收中頻回波信號，並通過閾值曲線設立提取回波的頻域的峰值，在DSP的信號處理單元中，設計了一種改進的高精度相位差補償模塊，將頻率轉換成距離並顯示；(2)按照傳統的相位差法，在DSP中使用頻譜最大值和頻鐠次大值計算得到各自的頻率校正值；(3)由頻i普i普線校正量計算出來的加權值，按照公式，計算得出頻率校正結果/*△+/'A+l公式中力是加權補償校正後得到的頻率值，/是在傳統方法相位差法中使用頻譜最大值得到的校正頻率值，(是在傳統方法相位差法中使用頻語次大值得到的校正頻率值，A是加權校正量；(4)判斷校正後頻率是否位於頻譜譜線左右10%範圍內，如果不在該範圍內則該結果即為最終校正結果，如果位於10%範圍之內時，則對被採樣信號加Hanning窗，再次使用該方法進行計算，得到最終校正頻率。全文摘要本發明屬於FMCW雷達測量
技術領域：
，具體涉及一種FMCW雷達測距精確校正的測量裝置與補償校正方法。其特徵在於測量裝置包括回波信號處理模塊(1)，提取峰值模塊(2)，高精度相位差補償模塊(3)，頻率距離轉換模塊(4)，顯示模塊(5)；回波信號接收模塊(1)接收高頻回波信號，對高頻發射信號，經過混頻處理，得到0kHz-200kHz的中頻信號，並通過閾值曲線設立，去除幹擾和濾除其他信號，鎖定出頻域峰值信號，由DSP的信號處理單元，記錄所有數據並存儲在數據存儲單元內，由DSP提取記錄信號，對數據進行改進的高精度相位差補償計算，將頻率轉換成距離並在模塊(4)(5)上顯示。本發明保留了傳統相位差法的優點，在平均只增加25％運算量的前提下，提高了頻譜的計算精度。文檔編號G01S7/40GK101666874SQ200910092240公開日2010年3月10日申請日期2009年9月7日優先權日2009年9月7日發明者侯慶文,陳先中申請人:北京科技大學