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FMCW液位测量雷达系统设计及高精度测距原理研究

齐国清  
【摘要】: 油船、储油罐以及液体化工原料储藏罐等都需要液位测量系统对舱(罐)内的液体货物进行监控和计量。高精度液位测量对各种液位自动控制系统的正常运行,对保证各种液体货物的安全储运以及对保证各种液体货物贸易的公平合理进行、避免国家财产的流失均有重要意义。压力式液位测量系统原理简单、成本低,但测量精度和应用场合有一定的局限性,超声液位仪精度较高,但设备复杂,一般需要用导管将超声波传到被测的液体中,因而安装维护较麻烦,激光测距系统对环境要求严格。微波液位测量系统是非接触方式的,不受被测液体状态的限制,可以工作在高温、高压、有毒、强腐蚀以及粘稠液体的环境。FMCW雷达具有距离分辨率高、发射功率小、便于集成化等优点,适合用于液位测量系统。本文主要研究FMCW液位测量雷达系统设计以及基于FFT相位信息的高精度测距原理。 首先回顾了FMCW雷达的特点和应用以及单一正弦信号频率估计的各种方法,简单分析了线性FMCW雷达的测距基本原理。然后介绍基于集成微波前端(中心频率10GHz,扫频带宽1.5GHz)的FMCW液位测量雷达以及基于DSP(TMS320C31)的实时信号处理系统设计。液位测量系统最重要的指标是距离测量精度,线性FMCW雷达发射信号的频率线性度和稳定度对距离测量精度影响很大,因此本文分析了VCO(压控振荡器)扫频非线性对液位测量精度的影响,设计了实时VCO非线性校正和温度漂移的补偿方案,并采用动平滑最小二乘曲线拟合(Savitzky-Golay滤波器)对实测的VCO频率-电压曲线做了滤波处理,在有效地滤除测量噪声的同时保留了VCO频率-电压曲线本身的非线性成分。 利用FFT(DFT)频谱估计频率精度受FFT频率量化(即谱线之间的间隔)的限制,对应的FMCW雷达的距离估计精度则受扫频带宽的限定。扫频带宽1.5GHz,FFT两条谱线的间隔对应的距离为10cm,而液位测量系统的精度要求达到1mm,因此直接利用FFT频谱估计距离显然无法达到精度要求。只有在不改变扫频重复周期的前提下提高频率估计精度才能提高距离测量精度。频率插值和细化方法可以在一定程度上提高FFT的频率估计精度,但要将距离估计精度从10cm提高到1mm需要在FFT的两条谱线内插入100个点,这需要增加很多的计算量而且要很高的信噪比。因此本文提出利用FMCW雷达差拍信号的FFT在最大谱线处的相位实现频率(距离)高精度估计的方法。差拍信号的FFT幅度最大处的相位随距离变化,因此可以利用FFT相位在一个频率(距离)分辨单元范围内估计差拍信号的频率(距离)的位置,从而提高频率(距离)估计精度。但是,由于差拍信号的相位在一个距离分辨单元内的变化超过2π,所以直接利用FFT相位在一个距离分辨单元内估计距离必须解决FFT相位测量的2π模糊问题。为此本文提出了将采样数据分成两 段井分别做FFT,两个FFT在幅度最大处的相位差随距离(频率)线性变化,而且在 FFT的一个距离分辨单元内的变化范围不超过2。,因此可以用来估计距离(频 率X但是由于两个FFT的相位差随距离的变化比FFT的相位本身随距离的变化慢 很多,因此利用分段FFT相位差估计距离要求FFT相位测量误差很小,为此本文 又提出了利用分段FFT的相位差消除相位测量模糊而用其中一段FFT的相位估计 距离的方法。理论分析表明距离估计误差 lmm对应相位测量误差约 24度,因此 利用这种方法很容易达到距离估计精度在 lmm之内。本文还提出了利用 FFT主瓣 内两个采样点的幅度比值消除FFT相位测量模糊的方法。实信号的FFT频谱幅度 关于零点和人门(人为采样频率)对称,当信号频率接近零或人门时,将出现镜像 干扰,即位于频率负半轴的频谱成分的旁瓣叠加到正半轴频谱成分的主瓣上c在 实测中发现,镜像干扰在近距离处对利用FFT相位估计距离影响非常明显。本文 分析了镜像干扰对FMCW差拍信号FFT相位的影响,得到了计算公式,公式计算 结果与计算机模拟结果及实测结果吻合。加窗处理可以消除镜像干扰的影响。 本文提出的利用分段FFT在最大谱线处的相位差估计频率的方法不仅可以用 于FMCW雷达差拍信号频率的估计,也可用于一般正弦信号频率和初相的估计。 利用FFT估计单一正弦信号频率的精度受观测时间的限制,直接利用FFT基本不 能估计信号的初相,因为栅栏效应将给相位估计带来最大达土 90”的误差,本文提 出的分段FFT相位差法不仅可以大大提高FFT的频率估计精度而且可以估计单一 正弦信号的初相。讨论了在高斯白噪声背景下利用分段FFT相位差估计正弦信号 频率和初相的均方误差与信噪比及FFT长度的关系,得出了计算公式,并进行了 计算机模拟,模拟结果与公式计算结果吻合,频率估计均方误差接近Cramer.Rao 下限,在信噪比为 6dB,FFT长度为 1024的情况下,频率估计均方根误差小于 FFT 频率分辨率的 1%。分析了利用 FMCW雷达差拍信号分段 FFT相位差估计距离、 直接利用FFT相位估计距离抒用FFT相位差消除相位模糊X 以及利用FFT主瓣 内两个采样点幅度比值估计距离的均方根误差与信噪比及FFT长度的关系。分析 结果表明先利用FFT相位差消除相位模糊然后利用FFT相位估计距离精度最高。 在基于DSP的实时


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