fmcw雷达液面测量系统中的信号处理方法new

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1、第17卷　第3期　　　　　　　　电子测量与仪器学报　　　　　　　　　Vol117No13JOURNALOFELECTRONIC　·6·MEASUREMENTANDINSTRUMENTSep12003FMCW雷达液面测量系统中的信号处理方法施玉海　　　何国瑜(北京航空航天大学电磁实验室,北京100083)【摘要】本文介绍了一种准确的测距FMCW雷达,雷达中采用CZT变换处理FMCW雷达信号。和传统的方法相比,还使用了信号的相位信息,并采用一种新颖的相位提取方法。最后给出仿真结果。关键词:液位测量　FMCW雷达　CZT变换ANovelMetho

2、dofDigitalSignalProcessinginFMCWRadarRangingSystemShiYuHaiHeGuoYu(LabforElectromagnetics,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,100083)Abstract:AmicrowaveFMCWradarforpreciserangingoftargetisdescribed.TheevaluationoftheFMCWrawdataisbasedonaChirp-ZTransform(CZT).Bycon

3、trasttocostumarytechniquesweaddition2allyevaluateitsphasewithanovelmethod.Finally,thesimulativeresultsarereported.Keyword:levelgauging,FMCWradar,CZTtransform.1　引　言随着科学技术的飞速发展,各行业的生产越来越向着高自动化发展。在石油及化工等各单位里,液面高度测量成为了不可缺少的一项工作,对它的精度也有较高的要求。为此,我们做了一些调研和仿真。对于油罐内液面的测量有如下的一些方法:①激

4、光传感器,它具有很高的测量精度,但它很容易受到环境影响,如油罐内的烟尘等,并且它还受到安装在其上的传感器的影响,这些都大大的限制了它的实用性。②超声波测量,它和激光测量一样受到烟尘的影响,传播空间上,空间密度的变化将大大的影响它的精度。③雷达液位计,一种非接触的测量工具,成为占据主导地位的测量方法之一。本文介绍了一种改进的FMCW雷达测量方法,利用信号的频谱和相位,在仿真中获得了低于011mm的测量精度。2　原理分析已知信号x(n),0FnFN-1,则它的z变换是本文于2001年10月收到。施玉海:硕士研究生;何国瑜:教授,博导。©1995

5、-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期FMCW雷达液面测量系统中的信号处理方法·7·N-1-nX(z)=6x(n)z(1)n=0为适应z可以沿z平面内更一般的路径取值,可令z的取样点zk为-kzk=AW,k=0,1111M-1(2)M表示欲分析的复频谱的点数,不一定等于N。A和W都是任意复数,即θjA=A0e0(3)-jΦW=W0e0(4)将上两式代入(2)式,则θj-kjkΦzk=(A0e0)(W0)(e0)(5)因此有θj-1j(θ+Φ)z0=A0e0,

6、z1=A0W0e00111111-kj(θ+kΦ)-(M-1)j[θ+(M-1)Φ]zk=A0W0e00,zM-l=A0W0e00其中,A0表示起始取样点z0的矢量半径长度,通常A0F1,否则z0将处于单位圆

7、z

8、=1的外部。θ0表示起始取样点z0的相角(即角频率),它可是正值或负值。Φ0表示相邻zk点的角频率差。W0的大小控制着周线盘旋是向内弯曲还是向外弯曲。由此可见,利用CZT变换,我们可以方便细致的查看信号的频谱。和标准的FFT算法相比,CZT算法有以下特点:1、输入序列列长N及输出序列列长M不需要相等。2、zk点的角间隔Φ0是任意的

9、,因此频率分辨率也是任意的。由于这两个优点,我们就可以提高信号幅度信息的利用率。采用CZT算法时,我们首先初略估计液位距离为R′0,然后选择其前后1米(记为DownSize)作为CZT算法的起点和终点。即α=23π(R′0-DownSize)323B/c/(Nrange-1)(6)β=-23π323DownSize/(M-1)323B/c/(Nrange-1)(7)其中,Nrange是AD采样的点数,M是CZT变换的点数,c是真空中的光速,B是扫频带宽。由此,W=cos(β)+j3sin(β)(8)A=cos(α)+j3sin(α)(9)从

10、以上分析,我们可以得出采用CZT算法的液位测量距离分辨率为r′R=23DownSize/(M-1)(10)此时,若M=2048,DownSize=1m,那么r′R=01977mm