[发明专利]一种物位测量中差拍信号的数字处理方法

说明书

本发明公开了一种物位测量中差拍信号的数字处理方法，采用CZT算法与谱估计算法的混合算法，充分利用了谱估计的快速定位差拍信号的主频位置，然后以谱估计算法的结果为中心频率，获得一个比2Δf细化范围小很多的频率细化范围，同样CZT算法的细化点数M值不用很大就可以达到较高的测量精度，因此，总体计算量比单独采用CZT算法要减少。另外，本发明还判断FFT谱峰是否与真实谱峰重合的情况，避免谱估计算法对次大值谱线出现误判；并且还判断目标物位是否近距离测量，不同的状况相应选择不同的计算方法，从而缩短算法计算时间，提高雷达物位测量的准确性和精确度。

技术领域

本发明属于物位测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种物位测量中差拍信号的数字处理方法。

背景技术

物位测量在工业生产过程中确保产品质量、经济效益和安全性发挥着重要的作用。目前物位(距离)测量原理采用较多的有脉冲雷达(PR)和调频连续波(FMCW)雷达。脉冲雷达利用脉冲时间差测量物位高度，但液面波动或者泡沫容易造成没有回波信号的情况；FMCW雷达利用调频连续波测量物位，抗干扰能力强，能够获取目标特征信息更多。

图1是FMCW雷达物位测量原理示意图。

如图1所示，FMCW雷达通过调制信号(调制信号产生电路产生)控制VCO输出雷达扫频信号，然后，通过分离器输出两路，一路通过天线作为发射信号发射到物料面，反射的回波信号经天线接收后作为接收信号送入混频器中，另一路作为发射信号直接输出给混频器，收发信号混频器混频后输出差拍信号，然后经过滤波放大、然后利用数字信号处理方法，提取差拍信号的主频频率精确值，从而计算目标物位高度。

在理想情况下，锯齿波作为调制信号，控制VCO按照锯齿波规律扫频频率曲线如图2所示。

按照锯齿波规律调制VCO，发射信号的起始扫频频率为f₀，在一个扫频重复周期T内扫频带宽为B，扫频变化规律为B/T×t，其其曲线为F_T，则线性FMCW雷达发射信号归一化实部可以表示为：

当物料面距离为R时，由于接收信号(其扫描频率曲线为F_R)在发射信号(其扫描频率曲线为F_T)的基础上存在延时τ＝2R/c，c为电磁波传输的速度，因此收发信号混频后输出的差拍信号的数学模型表示为：

式中，τ为回波延时，B为扫频带宽，T为调制信号周期，则差拍信号频率f_D＝2RB/(cT)，也即物位距离与差拍信号频率的关系式为：

锯齿波和调理之后的差拍信号如图3所示，因此精确测量差拍信号的频率即可精确测量物位距离。

通过同步信号去回扫后，采集的差拍信号为窄带频率信号，如果直接进行FFT处理并测量差拍信号主频频率满足不了测量精度。现有技术中，提高窄带频率测量精度常用的算法有线性调频z变化(CZT)算法和谱估计算法，但它们有各自优点和缺点，具体而言，CZT算法抗干扰能力强，但是计算量较大，近距离测量精度低，谱估计算法计算量极少，信噪比高时测量精度较高，但抗干扰能力弱，FFT频谱与主频重合误差大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种物位测量中差拍信号的数字处理方法，使得在低信噪比以及近距离测量时，都能达到较高的物位测量精度。

为实现上述发明目的，本发明物位测量中差拍信号的数字处理方法，其特征在于，包括以下步骤：