[发明专利]一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法

说明书

本发明公开了一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法，属于雷达液位计领域。首先将雷达对目标发射的电磁波信号以及接收的回波信号进行混频，得到差频信号；然后对差频信号进行快速傅里叶变换，得到差频信号功率谱，找到功率谱的峰值点并记录位置m；以峰值点m为中心，左右各插入一个插值点，通过不断迭代得到插值点的位置偏移量δ_Q。根据最后一次迭代的位置偏移量δ_Q，计算差频信号的最优频谱分量。最后使用最优频谱分量测量雷达与被测液面之间的高精度距离；雷达与参考液面之间的距离减去雷达与被测液面之间的高精度距离，即得到高精度的待测液位。本发明仅通过两次迭代插值得到最优频谱分量，测量精度精确到1mm，运算复杂度小，运算速度快。

技术领域

本发明属于雷达液位计领域，涉及一种基于迭代频率估计的FMCW高精度液位测量方法。

背景技术

液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低，用来测量液位的仪表称为液位计。在如食品、饮料、日化、医药和半导体等行业自动化生产过程中，为了保障产品质量的一致性，液位测量和监控逐渐取代了过去人工监控和干预的生产方式，成为生产过程中举足轻重的角色，可以说，液位的测量和监控直接影响着产品的质量，甚至关系到生产的过程是否能够顺利进行。

由于液体检测环境复杂多变，需要根据测量条件的不同而研发、设计不同的测量技术和液位测量方式，常见的液位检测方式有浮球式测量，音叉振动测量，超声波测量，时域反射测量，激光测量，光电折射式测量，电容式测量和静压式测量等。从液位检测技术的发展过程可看出，简单的粗略式测量日益被高精度、高可靠性和高稳定性的测量方式所取代。实际上，高精度液位测量对于保证各种液位自动控制系统的正常运行，保证液体货物的安全储运以及保证液体货物贸易的公平公正具有重要意义。

雷达液位计是一种非接触式液位测量装置，采用发射-反射-接收的工作模式探测液位高度，具有安全、可靠、精度高、寿命长和适应各种工作环境的优点，被广泛应用于石油、冶金以及化工等领域。

雷达液位计主要分为脉冲雷达液位计和连续调频波(FMCW)雷达液位计两类。脉冲雷达液位计受脉冲宽度和高速计时器的限制，测量精度一般在10mm～3m，为中低端雷达液位计。与脉冲雷达液位计相比，FMCW雷达液位计通过测量发射和目标反射的FMCW信号的频率差来获得距离信息，可以形成大带宽的FMCW信号，虽然测量精度可达3mm；但在各应用场景中，这个精度仍不满足标准。因此，对于FMCW雷达液位计，提高测距精度必须提高差频信号的频率测量精度。

研究者们提出了多种提高FMCW雷达测距精度的方法，例如：现有技术文献1：JainV K,Collins W L,Davis D C.通过内插傅里叶变换实现的高精度模拟测量[J].IEEETransactions on Instrumentation and Measurement,1979,28(2):113-122.提出了利用最大谱线和相邻谱线幅度的比值进行频率插值，从而估计信号的频率在这两条谱线之间的位置，该方法简单易实现，但受噪声影响较大，提高频率估计精度的能力有限；

文献2：齐国清,贾欣乐.基于DFT相位的正弦波频率和初相的高精度估计方法[J].电子学报,2001,29(9):1164-1167.提出了利用DFT频谱相位信息实现高精度测距，该方法存在相位测量模糊问题，且对硬件要求高，工程化难度较大；

文献3：王元恺,孙伟,许建中.毫米波雷达液位计高精度测距算法研究[J].测试技术学报,2015,29(6):529-533.提出了利用zoom FFT对频率进行局部细化，逐步找到频谱实际峰值的位置，该方法可在所选择的频带内利用较短的FFT达到较长FFT运算相同的频率分辨率，实质上是通过减少FFT点数达到减少运算量的目的，提高频率分辨率仍然需要足够长的信号观测时间。

发明内容