[發(fā)明專利]一種基于正交匹配追蹤的物位雷達(dá)測距方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202111641627.1
• 申請日: 2021-12-29
• 公開（公告）號: CN114280594A
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳小川;鄧維波;宗成閣;胡衍墨;王洪永
• 申請（專利權(quán)）人: 中儀知聯(lián)（無錫）工業(yè)自動化技術(shù)有限公司
• 主分類號: G01S13/32
• 分類號: G01S13/32;G01S7/41;G06F17/16
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 楊曉輝

一種基于正交匹配追蹤的物位雷達(dá)測距方法，屬于雷達(dá)物位距離測量領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有采用雷達(dá)物位計(jì)測量距離時(shí)存在測量精度差，而現(xiàn)有提高測量距離精度方法中存在計(jì)算復(fù)雜度高的問題，本發(fā)明利用物位雷達(dá)對待測方向發(fā)射線性調(diào)頻信號，并接收回波信號；獲取差頻信號；截取差頻信號進(jìn)行采樣，構(gòu)成Q×N個(gè)元素的采樣序列，并轉(zhuǎn)換為欠定矩陣；利用信息論法，基于似然函數(shù)估計(jì)欠定矩陣的目標(biāo)數(shù)量K；利用OMP算法對欠定矩陣求解，獲得K個(gè)目標(biāo)的差頻；計(jì)算K個(gè)目標(biāo)與雷達(dá)之間的相對距離信息。本發(fā)明適用于雷達(dá)物位距離測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于雷達(dá)物位距離測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)

雷達(dá)物位計(jì)是一種非接觸式的測量物體(固體或液體)相對雷達(dá)距離的設(shè)備，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如高溫、高壓、腐蝕性固/液體測量，油罐液位，食品加工等領(lǐng)域。雷達(dá)物位計(jì)是基于電磁波傳播機(jī)理，利用雷達(dá)發(fā)射電磁波，由于自由空間和物體表面具有不同的介電常數(shù)，電磁波打到物體表面后會有一部分電磁波能量反射回來被雷達(dá)接收到，接收回波與發(fā)射回波信號之間存在一個(gè)時(shí)延，這個(gè)時(shí)延表征了物體相對于雷達(dá)的距離信息，即物位信息。

目前雷達(dá)物位計(jì)常用的發(fā)射波形是線性調(diào)頻連續(xù)波，利用線性調(diào)頻連續(xù)波大帶寬、低功耗、安全性等特點(diǎn)可以有效解決非接觸式測距問題。測距原理是雷達(dá)發(fā)射信號與經(jīng)過一定時(shí)延后接收到的回波信號混頻后獲得差頻信號，然后利用離散傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，通過譜峰搜索找到此時(shí)譜峰對應(yīng)的頻率值即為差頻，該頻率可通過距離-頻率換算公式得到物位信息。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的應(yīng)用場景對測距精度提出了要求，因?yàn)樵趲捯欢ǖ臈l件下，目標(biāo)的距離分辨也是固定的，如何在有效的硬件條件下突破這種距離限制是需要解決的關(guān)鍵問題。

目前，常用提高距離測量精度的方法包括：(1)提高AD數(shù)據(jù)采樣率，可獲得的時(shí)域信號信息量增加，在經(jīng)過離散傅里葉變換后，頻域譜分辨力提高，同時(shí)測距精度和距離分辨率也得到提升。但缺點(diǎn)也是非常明顯，會導(dǎo)致計(jì)算點(diǎn)數(shù)增加，即需要增加硬件的存儲空間，也增加了計(jì)算復(fù)雜度。(2)利用CZT算法，CZT是一種基于離散傅里葉變化估計(jì)的頻譜結(jié)果，利用數(shù)據(jù)擬合的方式在不增加FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)的前提下擬合出譜峰的位置，提高距離估計(jì)精度的方法。該方法可以提高距離估計(jì)精度，但不能提高距離分辨率，且該方法是在FFT基礎(chǔ)上，按照擬合點(diǎn)數(shù)需要額外增加2次FFT計(jì)算和1次逆FFT計(jì)算，因此，必然也會增加計(jì)算復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有采用雷達(dá)物位計(jì)測量距離時(shí)存在測量精度差，而現(xiàn)有提高測量距離精度方法中存在計(jì)算復(fù)雜度高的問題，提出了一種基于正交匹配追蹤的物位雷達(dá)測距方法。

本發(fā)明所述一種基于正交匹配追蹤的物位雷達(dá)測距方法，包括：

步驟一、利用物位雷達(dá)對待測方向發(fā)射線性調(diào)頻信號，并接收回波信號；

步驟二、對物位雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻信號與回波信號共軛相乘，獲取差頻信號；

步驟三、截取差頻信號的Q個(gè)掃頻周期，每個(gè)掃頻周期采樣N次，構(gòu)成Q×N個(gè)元素的采樣序列，將采樣序列轉(zhuǎn)換成Q×N維欠定矩陣；其中，均為正整數(shù)，且Q＜N；

步驟四、利用信息論法，基于似然函數(shù)估計(jì)欠定矩陣的目標(biāo)數(shù)量K；

步驟五、根據(jù)欠定矩陣的目標(biāo)數(shù)量K，利用OMP算法對欠定矩陣求解，獲得K個(gè)目標(biāo)的差頻；

步驟六、根據(jù)步驟五獲取的K個(gè)目標(biāo)的差頻，計(jì)算K個(gè)目標(biāo)與雷達(dá)之間的相對距離信息。

進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟一中，線性調(diào)頻信號為S_T(t)：

其中，B/T為線性調(diào)頻信號S_T(t)的調(diào)頻斜率，B為帶寬，T為掃頻周期，t為時(shí)間，j為虛數(shù)單位，f₀為掃頻的起始頻率。