CN108801398B - 一种120GHz调频连续波雷达物位计及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种120GHz调频连续波雷达物位计及测距方法，雷达物位计包括调频模块、中频信号调理及采样模块、回波信号处理模块、阈值曲线生成模块和谱估计模块；其中，调频模块被配置为用于生成发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I，以及TX与RX的差频正交信号IF_Q；中频信号调理及采样模块被配置为用于分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q依次进行处理以生成数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'；回波信号处理模块被配置为用于将中频正交信号IF_I'、IF_Q'从时域信号转换成频谱曲线；阈值曲线生成模块被配置为用于根据上述生成的频谱曲线，动态地生成阈值曲线，以得到多个回波。本发明具有测量盲区小、精度高等优点。

Description

一种120GHz调频连续波雷达物位计及测距方法

技术领域

本发明涉及一种物位计，特别地，涉及一种120GHz调频连续波雷达物位计。

背景技术

在工业过程控制、工厂自动化的实施过程中，能否对料位的高度进行稳定可靠的测量非常关键。雷达物位计由于其非接触、测量准确、维护简便的特点而迅速普及。

雷达物位计分为脉冲雷达物位计和调频雷达物位计两种：

一种是脉冲雷达物位计，其通过测量收发微波脉冲之间的时间差来计算目标距离，当目标距离只有几米时，发送微波脉冲与反射微波脉冲的时间差只有几纳秒，必须通过时间扩展技术对纳秒级的时间差扩展为毫米级之后才能够测量。时间扩展技术需要稍有不同的发送时钟频率和采样时钟频率，这两个时钟频率需要非常高的分辨率、精确度和线性度，以及非常稳定的时基控制。但温度漂移会使脉冲雷达的频率产生单元的器件参数发生改变，导致脉冲雷达的测量准确度降低。同时，时间扩展技术也使脉冲雷达的测量周期变大，测量速度降低。脉冲雷达的发送脉冲宽度决定了测量的精度，脉冲宽度越小，精度越高。受此限制，脉冲雷达的精度也只能达到±3mm~±10mm。

另一种是FMCW雷达物位计，相比脉冲雷达，FMCW雷达具有测量快速稳定，精确度高的特点。调频连续波(FMCW)雷达在一个调频周期内，连续发送频率线性变化的微波，同时接收反射的微波，雷达与目标之间的空间距离，导致当前发送的微波频率与反射的微波频率之间有一个频率差（中频信号，IF），通过混频就可以得到此中频信号。再对中频信号进行滤波采样、FFT运算，得到其频率，换算得到对应的目标距离。

雷达的频率越高，波长越短，所需的天线尺寸越小，波束角也越小，更适用于小罐体和细微粉末的测量，还具有盲区小，精度高的特点。根据FMCW雷达的距离分辨率的计算公式：C/2B, 调频带宽B越大，距离的分辨率越高。

当前市场上的调频雷达，频率一般为24GHz~26GHz或78GHz~80GHz，调频带宽最高为1GHz，不利于小罐体的测量，达不到小盲区、高精度测量的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种120GHz调频连续波雷达物位计，具有测量盲区小、精度高等优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种120GHz调频连续波雷达物位计，包括调频模块、中频信号调理及采样模块、回波信号处理模块、阈值曲线生成模块和谱估计模块；其中，

所述调频模块被配置为用于生成发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I，以及TX与RX的差频正交信号IF_Q；其中，发送频率TX、接收频率RX的值为120GHz~130GHz。

所述中频信号调理及采样模块被配置为用于分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q依次进行放大、低通滤波、模数转换处理后，生成数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'；

所述回波信号处理模块被配置为用于通过复数快速傅里叶变换，将中频正交信号IF_I'、IF_Q'从时域信号转换成频谱曲线，根据上述生成的频谱曲线，动态地生成阈值曲线，以得到多个回波，再根据回波的能量大小评估回波；其中，能量最大的回波作为目标回波，并确定目标回波的最高点位置为目标距离对应的目标频点。

优选地，所述调频模块包括锁相环、环路滤波器、压控振荡器、32倍分频器、90°移相器、2倍频器、第一功率放大器、第二功率放大器、低噪声放大器、第一混频器、第二混频器、发送天线和接收天线；其中，所述锁相环、环路滤波器、压控振荡器、2倍频器、第一功率放大器依次电连接；所述32倍分频器的输入端连接压控振荡器的另一路输出端，输出端连接锁相环的输入端；所述2倍频器的另一路输出端接第二功率放大器的输入端，所述第二功率放大器的输出端分别连接第一混频器、90°移相器的输入端；所述第一混频器的另一路输入端连接低噪声放大器的输出端，所述低噪声放大器的输入端连接接收天线；所述第二混频器的两路输入端分别连接90°移相器、低噪声放大器的输出端。

优选地，所述回波信号处理模块还被配置为对上述的目标回波的波峰进行曲线拟合，得到拟合曲线，并确定拟合曲线的最高点为目标距离对应的目标频点。

优选地，所述回波信号处理模块采用高速的数字信号处理器实现，且配置有扩展的外部静态存储器。

优选地，所述中频信号调理及采样模块包括：

由依次连接的第三功率放大器、第一低通滤波器、第一模数转换器构成的第一处理支路；及

由依次连接的第四功率放大器、第二低通滤波器、第二模数转换器构成的第二处理支路；

其中，第一处理支路、第二处理支路分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q进行处理。

本发明的第二个目的是提供一种基于雷达物位计的测距方法，具有测量盲区小、精度高等优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于雷达物位计的测距方法，包括：

S01、生成发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I，以及TX与RX的差频正交信号IF_Q；其中，发送频率TX、接收频率RX的值为120GHz~130GHz；

S02、分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q依次进行放大、低通滤波、模数转换处理后，生成数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'；

S03、通过复数快速傅里叶变换，将中频正交信号IF_I'、IF_Q'从时域信号转换成频谱曲线；

S04、根据上述生成的频谱曲线，动态地生成阈值曲线，以得到多个回波；

S05、根据回波的能量大小评估回波，其中能量最大的回波作为目标回波，并确定目标回波的最高点位置为目标距离对应的目标频点；

S06、利用上述的目标频点，计算目标与雷达物位计之间的距离；其中，距离值等于目标频点索引值乘以测量精度Sacc。

优选地，所述测量精度Sacc的计算公式为，其中，Sacc：测量精度；Fs:采样频率；T：调频时间；C:光速；Nfft:FFT运算点数；B：调频带宽。

优选地，还包括：采用补零的方式对频谱曲线进行细化。

优选地，还包括：

利用波峰拟合方法对上述的目标回波的波峰进行曲线拟合，得到拟合曲线，并确定拟合曲线的最高点为目标距离对应的目标频点。

优选地，上述阈值曲线的具体生成方法包括：

S041、先用第一滤波宽度对频谱曲线进行滑动平均滤波，得到平滑后的曲线；

S042、再用第二滤波宽度对频谱曲线进行滑动平均滤波，得到另一条平滑曲线,此平滑曲线与S041步骤生成的平滑曲线相结合，得到所需的阈值曲线；

其中，第一滤波宽度大于第二滤波宽度。

本发明技术效果主要体现在以下方面：通过使用120GHz太赫兹频段，高达10GHz的调频带宽，结合使用高速DSP实现的回波信号处理算法，解决了现有市场中调频雷达物位计盲区大、精度低、不适用于小罐体测量等问题。

附图说明

图1为实施例中调频模块的结构图；

图2为实施例中中频信号调理及采样模块的结构图；

图3为实施例中回波信号处理模块的结构图；

图4为实施例中生成阈值曲线示意图；

图5为实施例中波峰拟合曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

实施例一、

本实施例提供了一种120GHz调频连续波雷达物位计，包括调频模块、中频信号调理及采样模块、回波信号处理模块、阈值曲线生成模块和谱估计模块。

参照图1，调频模块包括锁相环1、环路滤波器（LF）2、压控振荡器（VCO）4、32倍分频器6、90°移相器15、2倍频器8、第一功率放大器10a、第二功率放大器10b、低噪声放大器（LNA）13、第一混频器14a、第二混频器14b、发送天线11和接收天线12；其中，锁相环1、环路滤波器（LF）2、压控振荡器（VCO）4、2倍频器8、第一功率放大器10a依次电连接；32倍分频器6的输入端连接压控振荡器（VCO）4的另一路输出端，输出端连接锁相环1的输入端；2倍频器8的另一路输出端接第二功率放大器10b的输入端，第二功率放大器10b的输出端分别连接第一混频器14a、90°移相器15的输入端；第一混频器14a的另一路输入端连接低噪声放大器（LNA）13的输出端，低噪声放大器（LNA）13的输入端连接接收天线12；第二混频器的两路输入端分别连接90°移相器15、低噪声放大器（LNA）13的输出端。

调频模块的工作原理是：锁相环（PLL）1设置为在一个调频周期内，线性输出1.875GHz~2.03125GHz的频率。调频时，锁相环输出的脉冲电流经过环路滤波器（LF）2，产生线性增长的电压3，线性电压再控制压控振荡器（VCO）4产生线性变化的振荡频率5，从60GHz到65GHz。振荡频率5分两路，一路经过32倍分频器6后，产生1.875GHz~2.03125GHz的频率7，反馈输入到锁相环1；另一路经过2倍频器8，产生120GHz~130GHz的输出频率9，再经过第一功率放大器10a，得到最终的发送信号TX，通过发送天线11发送出去。

接收天线12接收到120GHz~130GHz的频率信号RX，经过低噪声放大器（LNA）13放大后，输入第一混频器14a。第一混频器14a的另一路输入是频率9经过第二功率放大器10b放大之后的发送频率TX。经混频后，第一混频器14a输出发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I。第二功率放大器10b的另一路输出经过90°移相器15移相后，生成与发送频率TX正交的信号，此信号输入第二混频器14b与接收信号RX进行混频，输出TX与RX的差频正交信号IF_Q。

可见，发送及接收的频率从120GHz线性变化到130GHz,带宽B高达10GHz，由公式C/2B，计算出其距离分辨率可达到1.5厘米。

参照图2，中频信号调理及采样模块包括由依次连接的第三功率放大器17a、第一低通滤波器18a、第一模数转换器19a构成的第一处理支路；及由依次连接的第四功率放大器17b、第二低通滤波器18b、第二模数转换器19b构成的第二处理支路。

中频信号调理及采样模块的工作原理是：中频正交信号IF_I、IF_Q分别经过第三功率放大器17a、第四功率放大器17b放大，再输入到第一低通滤波器18a、第二低通滤波器18b进行滤波，然后用第一模数转换器19a、第二模数转换器19b进行采样，得到数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'。

参照图3，回波信号处理模块20采用高速的数字信号处理器实现。回波信号处理模块20对中频采样信号进行处理。数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'经过复数快速傅里叶变换（FFT）21后，从时域信号转换成频谱曲线22。

频谱曲线22的频率分辨率为采样频率Fs除以FFT点数N，频率分辨率越高，其对应的距离测量精度就越高。调频雷达的测量精度的计算公式为（Sacc：精度；Fs:采样频率；T：调频时间；C:光速；Nfft:FFT运算点数；B：调频带宽）。在一个调频周期内，采样的点数有限，为了提高频率分辨率，可以使用补零的方式对频谱进行细化，但补零的点数越多，FFT的执行时间和所需的存储空间就消耗越大。因此，采用了高速的数字信号处理器，并辅以扩展的外部静态存储器，避免了此缺点，使得补零后的FFT点数最高可达到6万点，极大地提高了测量精度，在测量量程为50米时，测量精度可达到±0.76mm。

噪声抑制模块23对多次的频谱曲线22进行平均，抑制随机噪声，提高信噪比,得到频谱曲线25,如图4所示。

阈值曲线生成模块24根据频谱曲线 25动态地生成阈值曲线，如图4所示。图4中，频谱曲线25有一个非常靠近发射波的回波26。先用第一滤波宽度W2对频谱曲线 25进行滑动平均滤波，得到平滑后的曲线27，可以看到曲线27不能有效地分辨割发射波和回波，所以再用更小的第二滤波宽度W1对频谱曲线25进行滑动平均滤波，得到平滑曲线28,平滑曲线28与平滑曲线27相结合，得到最终的阈值曲线29。此阈值曲线29可以有效地分割出靠近发射波的回波，降低测量的盲区。阈值曲线29会将频谱曲线 25切割出多个回波，其中有测距目标的回波，也有固定障碍物的回波。

谱估计模块30根据回波的能量大小来评估回波，能量最大的回波作为目标回波31。一般情况下，目标回波的最高点位置是目标距离对应的频点，如果测距目标是颗粒物，或表面不平整，有堆角等，目标回波的波峰会变宽、有锯齿，并没有明显的最高点，这时使用波峰拟合功能32来进行曲线拟合，找到波峰的最高点。

图5是波峰拟合功能32的示意图。不规整的波峰33经过曲线拟合，得到拟合曲线34，拟合曲线34的最高点35，作为目标距离对应的频点，其索引值为W3。波峰拟合后得到的波峰，可以反应出目标物位的平均情况，提高了准确度。目标频点的索引值W3，经过距离计算模块36，可以得到目标与雷达物位计之间的距离，距离值等于目标频点索引值W3乘以测量精度Sacc。

实施例二、

本实施例在实施例一的基础上，提供了一种基于雷达物位计的测距方法，该方法包括：

S01、生成发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I，以及TX与RX的差频正交信号IF_Q；其中，发送频率TX、接收频率RX的值为120GHz~130GHz；

S02、分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q依次进行放大、低通滤波、模数转换处理后，生成数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'；

S03、通过复数快速傅里叶变换，将中频正交信号IF_I'、IF_Q'从时域信号转换成频谱曲线；

S04、根据上述生成的频谱曲线，动态地生成阈值曲线，以得到多个回波；

S05、根据回波的能量大小评估回波，其中能量最大的回波作为目标回波，并确定目标回波的最高点位置为目标距离对应的目标频点；

S06、利用上述的目标频点，计算目标与雷达物位计之间的距离；其中，距离值等于目标频点索引值乘以测量精度Sacc。

在上述步骤中，测量精度Sacc的计算公式为，其中，Sacc：测量精度；Fs:采样频率；T：调频时间；C:光速；Nfft:FFT运算点数；B：调频带宽。

在步骤S03中，还采用补零的方式对频谱曲线进行细化。

作为本实施例的进一步改进，在上述步骤中，还利用波峰拟合方法对上述的目标回波的波峰进行曲线拟合，得到拟合曲线，并确定拟合曲线的最高点为目标距离对应的目标频点。

另外，上述阈值曲线的具体生成方法包括：

S041、先用第一滤波宽度对频谱曲线进行滑动平均滤波，得到平滑后的曲线；

S042、再用第二滤波宽度对频谱曲线进行滑动平均滤波，得到另一条平滑曲线,此平滑曲线与S041步骤中得到的平滑曲线相结合，得到所需的阈值曲线；

其中，第一滤波宽度大于第二滤波宽度。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种120GHz调频连续波雷达物位计，其特征是，包括调频模块、中频信号调理及采样模块和回波信号处理模块；其中，

所述调频模块被配置为用于生成发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I，以及TX与RX的差频正交信号IF_Q；其中，发送频率TX、接收频率RX的值为120GHz~130GHz。

所述中频信号调理及采样模块被配置为用于分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q依次进行放大、低通滤波、模数转换处理后，生成数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'；

所述回波信号处理模块被配置为用于通过复数快速傅里叶变换，将中频正交信号IF_I'、IF_Q'从时域信号转换成频谱曲线，根据上述生成的频谱曲线，动态地生成阈值曲线，以得到多个回波，再根据回波的能量大小评估回波；其中，能量最大的回波作为目标回波，并确定目标回波的最高点位置为目标距离对应的目标频点。

2.如权利要求1所述的一种120GHz调频连续波雷达物位计，其特征是，所述调频模块包括锁相环、环路滤波器、压控振荡器、32倍分频器、90°移相器、2倍频器、第一功率放大器、第二功率放大器、低噪声放大器、第一混频器、第二混频器、发送天线和接收天线；其中，所述锁相环、环路滤波器、压控振荡器、2倍频器、第一功率放大器依次电连接；所述32倍分频器的输入端连接压控振荡器的另一路输出端，输出端连接锁相环的输入端；所述2倍频器的另一路输出端接第二功率放大器的输入端，所述第二功率放大器的输出端分别连接第一混频器、90°移相器的输入端；所述第一混频器的另一路输入端连接低噪声放大器的输出端，所述低噪声放大器的输入端连接接收天线；所述第二混频器的两路输入端分别连接90°移相器、低噪声放大器的输出端。

3.如权利要求1所述的一种120GHz调频连续波雷达物位计，其特征是，所述回波信号处理模块还被配置为对上述的目标回波的波峰进行曲线拟合，得到拟合曲线，并确定拟合曲线的最高点为目标距离对应的目标频点。

4.如权利要求1或3所述的一种120GHz调频连续波雷达物位计，其特征是，所述回波信号处理模块采用高速的数字信号处理器实现，且配置有扩展的外部静态存储器。

5.如权利要求1所述的一种120GHz调频连续波雷达物位计，其特征是，所述中频信号调理及采样模块包括：

由依次连接的第三功率放大器、第一低通滤波器、第一模数转换器构成的第一处理支路；及

由依次连接的第四功率放大器、第二低通滤波器、第二模数转换器构成的第二处理支路；

其中，第一处理支路、第二处理支路分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q进行处理。

6.一种基于雷达物位计的测距方法，其特征是，包括：

S01、生成发送频率TX与接收频率RX的差频同相信号IF_I，以及TX与RX的差频正交信号IF_Q；其中，发送频率TX、接收频率RX的值为120GHz~130GHz；

S02、分别对差频同相信号IF_I和差频正交信号IF_Q依次进行放大、低通滤波、模数转换处理后，生成数字化后的中频正交信号IF_I'、IF_Q'；

S03、通过复数快速傅里叶变换，将中频正交信号IF_I'、IF_Q'从时域信号转换成频谱曲线；

S04、根据上述生成的频谱曲线，动态地生成阈值曲线，以得到多个回波；

S05、根据回波的能量大小评估回波，其中能量最大的回波作为目标回波，并确定目标回波的最高点位置为目标距离对应的目标频点；

S06、利用上述的目标频点，计算目标与雷达物位计之间的距离；其中，距离值等于目标 频点的索引值乘以测量精度Sacc；所述测量精度Sacc的计算公式为，其中， Sacc：测量精度；Fs:采样频率；T：调频时间；C:光速；Nfft:FFT运算点数；B：调频带宽。

7.如权利要求6所述的测距方法，其特征是，还包括：采用补零的方式对频谱曲线进行细化。

8.如权利要求6所述的测距方法，其特征是，还包括：

利用波峰拟合方法对上述的目标回波的波峰进行曲线拟合，得到拟合曲线，并确定拟合曲线的最高点为目标距离对应的目标频点。

9.如权利要求6所述的测距方法，其特征是，上述阈值曲线的具体生成方法包括：

S041、先用第一滤波宽度对频谱曲线进行滑动平均滤波，得到平滑后的曲线；

S042、再用第二滤波宽度对频谱曲线进行滑动平均滤波，得到另一条平滑曲线,此平滑曲线与S041步骤生成的平滑曲线相结合，得到所需的阈值曲线；

其中，第一滤波宽度大于第二滤波宽度。