一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法

摘要

本发明公开的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法，涉及一种调频连续波测距方法，属于调频连续波测距领域。本发明具体实现步骤如下：步骤一、将差频实信号变为复信号；步骤二、取规则区内差频复信号；步骤三、用每段信号第一个数据s

说明书

技术领域

本发明涉及一种调频连续波测距方法，尤其涉及一种基于无相位突变拼接信 号的调频连续波测距方法，属于调频连续波测距领域。

背景技术

调频连续波测距系统在高度表、液位测量、防撞雷达、引信等领域有着广 泛应用。在此类系统中，发射线性调频信号，发射信号在碰到目标后产生回波， 由于回波信号滞后，回波信号频率和发射信号频率之间存在差频，该差频和目 标距离之间存在固定关系，准确检测该差频即可准确测距。

目前差频检测方法一般采用快速傅里叶变换（FFT）算法，即选一种窗函数 取一段差频信号做FFT，得到其频谱，选取幅值最大的谱线对应频点作为差频 估计值，再根据差频和目标距离间的关系，计算出目标距离。但这种方法的距 离分辨率受限于调制频偏，二者有关系：ΔR_min=c/2ΔF，其中：ΔR_min是最小距离 分辨率，ΔF是调制频偏，c是光速。

在近距离测距时，往往需要很小的距离分辨率，按照目前的方法，就需要 很高的调制频偏。而高的调制频偏受限于成本、体积和目前的技术，在很多场 合，是难以实现的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中受调制频偏的限制无法实现调频连续 波距离测量的问题。本发明公开的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波 测距方法，距离分辨率不受限于调制频偏，使得在一些成本和体积受限而无法 满足高调制频偏的场合，依然能够使用调频连续波测距得到很高的距离分辨率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

在调频连续波测距系统中，发射线性调频信号，发射信号在碰到目标后产 生回波，由于回波信号滞后，回波信号频率和发射信号频率之间存在差频，该 差频和目标距离之间存在固定关系，准确检测该差频即可准确测距。

本发明的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法，具体步骤 如下：

步骤一、将差频实信号变为复信号。目前已有多种方法，例如在射频电路 部分采用正交混频获得复信号，或是在模拟数字转换器ADC采样差频信号后， 利用Hilbert变换获得复信号。

步骤二、取规则区内差频复信号。规则区是指回波信号中每个调制周期开 始时刻到发射信号每个调制周期结束时刻之间的差频信号。规则区内差频复信 号取样可通过下述两种方法实现。

方法1：取步骤一中得到的差频复信号中规则区内的部分，记为 T₁是每个调制周期规则区的持续时 间，Fs是采样频率。将其复制N份，N的值根据期望的距离分辨率和系统的运算 能力而定，得到：

s={s₀,s₁，…,s_N-1}

s₁，…,s_k,…,s_N-1是对s₀的复制。

方法2：将步骤一中得到的差频复信号中连续的N个调制周期中T₁内的部分 取出，也记为s={s₀,s₁，…,s_N-1}，N的值根据期望的距离分辨率和系统的运算能 力而定。

步骤三、用每段信号第一个数据s_k(0)除以前一段信号最后一个数据 1≤k≤N-1。即对N段信号都按公式处理：

$s^{,}=\{s_0,s_1{\left[\frac{s_1\left(0\right)}{s_0(N_{T_1}-1)}\right]}^{-1},...,s_k{\Pi }_{i=1}^{i=k}{\left[\frac{s_i\left(0\right)}{s_{i-1}(N_{T_1}-1)}\right]}^{-1},...,s_{N-1}{\Pi }_{i=1}^{i=N-1}{\left[\frac{s_i\left(0\right)}{s_{i-1}(N_{T_1}-1)}\right]}^{-1}\}$

因为s_k(0)、都是复数，所以相位差会包含在的e指 数上，则s'近似为一段长个数据点的正弦信号，其中无相位突变。

步骤四、通过对步骤三中s'做频谱分析，估计出差频信号频率值f_b。

步骤五、根据差频信号和目标距离间的关系，计算出目标距离R。锯齿波调 制时，R=f_bT_mc/(2ΔF)；三角波调制时，R=f_bT_mc/(4ΔF)。

由于步骤四中求出的频谱只有一个主瓣，且半主瓣宽度为1/(NT₁)，则当锯齿 波调制时，其频率分辨率近似为1/(NT₁)≈f_m/N，当三角波调制时，其频率分辨 率近似为1/(NT₁)≈2f_m/N。所以该方法的距离分辨率为：

ΔR_min=c/(N2ΔF)                                                 (3)

传统方法的距离分辨率为ΔR_min＝c/2ΔF，对比可知，本发明的一种基于无相 位突变拼接信号的调频连续波测距方法距离分辨率约为传统方法的1/N。

有益效果

1、传统方法的距离分辨率为ΔR_min=c/2ΔF，本发明的一种基于无相位突变拼 接信号的调频连续波测距方法的分辨率为ΔR_min=c/(N2ΔF)，本发明的距离分辨率 比传统方法的距离分辨率提高了N倍。因此，在成本、体积或现有技术限制而 使得调制频偏不能做到很大的情况下，本发明的距离分辨率比传统方法的距离 分辨率提高了N倍。

2、本发明的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法，距离分 辨率不受限于调制频偏，使得在一些成本和体积受限而无法满足高调制频偏的 场合，依然能够使用调频连续波测距得到很高的距离分辨率。

附图说明

图1是线性调频连续波(以锯齿波为例)发射信号、回波信号和差频信号频率 示意图；

图2是线性调频连续波(以三角波为例)发射信号、回波信号和差频信号频率 示意图；

其中：f₁(t)为发射信号频率，f₂(t)为回波信号频率，f_b(t)为差频信号频率， ΔF为调频频偏，f_c为载波频率，T_m为调制周期，τ为回波延时，T₁为差频信号规 则区时间，T₂为差频信号不规则区时间

具体实施方式

实施例1

调频连续波测距系统，锯齿波调制，调制频偏ΔF=100MHz，调制周期 按传统方法ΔR_min=c/2ΔF=1.5m。假设该系统测距范围2.5-5m，则回 波延时τ＝0-3.33×10^-8s，差频范围0-666.7KHz，在Fs=40MHz条件下。按照本实施 例所述的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法测距，具体步骤 为：

步骤一、将差频实信号变为复信号。目前已有多种方法，这里选用在模拟 数字转换器ADC采样差频信号后，利用Hilbert变换获得复信号。即对差频信 号做FFT得到频谱，去除频谱的负半轴，再做IFFT，得到复信号。

步骤二、取规则区内的差频复信号。规则区是指回波信号中每个调制周期 开始时刻到发射信号每个调制周期结束时刻之间的差频信号。规则区内差频复 信号取样可通过下述两种方法实现。

方法1：取步骤一中得到的差频复信号中规则区(图1中T₁)内的部分，记为 每个调制周期对应的数据点数T_mFs=200，前后 各去除10个数据点，保证去除不规则区(因为τ_maxFs=1.33，不规则区大约包含2 个数据点)，则取180。将其复制10份，即s={s₀,s₁，…,s_N-1}，一共有1800 个数据点。

方法2：:将步骤一中得到的差频复信号中连续的10个调制周期中T₁内的部 分取出，也记为s={s₀,s₁，…,s_N-1}。其余处理同方法1。

步骤三、用每段信号第一个数据s_k(0)，除以前一段信号最后一个数据 s_k-1(179)，k=1,…,9，对10段信号都按下式处理：

$s^{,}=\{s_0,s_1{\left[\frac{s_1\left(0\right)}{s_0(180-1)}\right]}^{-1},...,s_9{\Pi }_{i=1}^{i=9}{\left[\frac{s_i\left(0\right)}{s_{i-1}(180-1)}\right]}^{-1}\}$

因为s_k(0)、s_k-1(179)都是复数，所以相位差会包含在s_k(0)/s_k-1(179)的e指数 上。则s'近似为一段长1800个数据点的正弦信号，且其中无相位突变。

步骤四、对s'做FFT，估计出差频信号频率值f_b。

步骤五、根据差频和目标距离间的关系，计算出目标距离。如图1所示， 锯齿波调制时，R=f_bT_mc/(2ΔF)；如图2所示，三角波调制时R=f_bT_mc/(4ΔF)。

本实施例的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法测距结果 与传统方法测距结果比较如下:

实际距离/m 5.00 4.80 4.60 4.40 4.20 4.00 3.80 3.60 3.40 3.20 3.00 2.80 本发明方法/m 4.97 4.85 4.62 4.46 4.18 4.04 3.81 3.60 3.38 3.23 3.06 2.85

由上表可见，在ΔF=100MHz而且Fs=40MHz，只做2048点FFT的条件下，本 实施例所述的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法的距离分辨 率至少可达到0.2m。而传统测距方法的距离分辨率根据ΔR_min＝c/2ΔF计算，只有 1.5m左右。

本实施例的一种基于无相位突变拼接信号的调频连续波测距方法，距离分辨 率不受限于调制频偏，使得在一些成本和体积受限而无法满足高调制频偏的场 合，依然能够使用调频连续波测距得到很高的距离分辨率。