一种油罐液位计高精度距离估计方法技术

本发明专利技术公开了一种油罐液位计毫米波雷达的高精度测距方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、在保证频谱无模糊、参数选择满足精度要求、保证系统实时性的情况下选择系统参数；步骤二、建立发射、回波信号模型，获得差频信号，并进行采样；步骤三、使用两步方法进行频率估计，首先使用FFT进行频率粗估计，再使用最小二乘法进行频率精估计，步骤四、利用最大似然得到有模糊的高精度相位估计，并利用相位粗估计解模糊，最终得到距离的高精度估计值；本发明专利技术相比FFT算法可以以较高的精度估计频率，随后将频率估计转化为相位粗估计；本发明专利技术能够充分利用差频信号的信息，突破传统方法仅利用频率测距的理论精度下界，得到更加精确的距离估计值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种油罐液位计高精度距离估计方法


[0001]本专利技术属于雷达参数估计领域，具体地涉及利用毫米波雷达进行的一种油罐液位计高精度距离估计方法。

技术介绍

[0002]化工行业中油罐液位高度估计的准确性在生产安全、经济效益等方面有重要的影响，需要尽可能地精确估计液面高度。目前存在六种液位测量技术，分别是人工检尺、浮体式液位计、差压式液位计、超声波液位计、激光液位计和雷达液位计，前五种方法在油罐测量中都存在一定的问题，如油罐中人工标尺工作量大且危险系数高，浮体式液位计是机械式测量，量程有限，差压式液位计在油体温度发生变化时测量精度较差，超声波液位计和激光液位计在油罐这种较为复杂的环境中测量效果较差，而毫米波雷达液位计不具备上述的问题，电磁波易穿透油雾和颗粒，具有高灵活性、稳定、准确测量液面高度的优势，且成本显著降低。
[0003]目前的雷达液位计存在两种形式，分别是脉冲式和调频连续波的形式。脉冲式液位计为了提升测量精度，需要尽可能降低脉冲宽度，然而，一方面该方法直接降低了发射功率，降低了信噪比，同时有可能降低雷达威力范围，使得最大测距范围不满足要求，若增大发射功率将提升油罐内的安全隐患，另一方面为了高精度测距雷达需要极高的频率，会大幅度增加系统成本。
[0004]调频连续波雷达应用发射和接收信号的差频信号测量距离，与脉冲式相比可以有效地降低载频与发射功率，降低系统成本提升安全性。目前，传统方法仅利用差频信号的频率进行距离估计，其中最有效的两种方法是补零傅里叶变换法和插值法，补零傅里叶变换法的实质是减小FFT的频点间隔，使频率估计接近真实的频谱最大值点，插值法利用频谱点的关系拟合峰值附近的离散频谱点，得到非网格化的估计结果。上述两种方法由于属于同一模型，因此理论上估计精度存在一个共同的下限，上述两种方法只能无限接近、但不能突破该下限，而本质原因是传统方法没有充分利用差频信号的信息，为了提升测距的性能，将差频信号的相位信息引入毫米波油罐液位计的测距中，并给出相应的理论推导。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，提出了一种油罐液位计高精度距离估计方法，本专利技术在频率估计基础上引入相位估计方法，该方法能够充分利用差频信号的信息，突破传统方法仅利用频率测距的理论精度下界，得到更加精确的距离估计值。
[0006]本专利技术是通过以下方案实现的：
[0007]一种油罐液位计高精度距离估计方法：
[0008]所述方法具体包括以下步骤：
[0009]步骤一、选择系统参数，建立毫米波雷达油罐液位计模型，建立调频连续波雷达的发射信号及回波信号的模型，确定采样点数N的范围，给出差频信号的求解方法，分析差频
信号各参数与距离的关系；
[0010]步骤二、将发射信号与回波信号相乘，并利用步骤一中得到的差频信号进行采样，差频信号提供了频率和相位信息，用于研究测距性能的下限。
[0011]步骤三、利用频率测距和利用相位测距，因为最大似然估计是接近克拉美罗界的估计，所以使用最大似然法得到频率和相位的估计；利用两步频率估计方法，通过FFT得到频率粗估计利用最小二乘法得到频率精估计利用差频信号的频率精估计进行距离粗估计；
[0012]步骤四、利用频率和相位联合测距的相位去模糊方法，频率测距结果用于相位去模糊，差频信号的相位用于提升测距精度；利用差频信号频率估计换算为对应的相位值φ
粗
，并利用解模糊算法得到无模糊相位估计值；
[0013]步骤五、利用频率估计补零傅里叶变换的方法求解，根据联合频率、相位测距下的频率测距精度要求，得出信号补零后的傅里叶变换点数M的公式，根据粗估计测频与精估计测频，最终利用相位进行估计，得出高精度距离估计。
[0014]进一步地，在步骤一中
[0015]因为相位测距的精度高，当模糊数的估计值是准确时，相位才能实现精确估计，影响准确性的参数是即的精度不能超过π、φ
粗
的精度不能超过π；
[0016]B为信号带宽，f0为信号载频，c为电磁波传播速度，f
s
为采样频率，R
max
为液面距离最大值，δR为实际要求的测距误差，M为信号补零后的傅里叶变换点数，M
max
为系统允许的最大傅里叶变换点数，SNR0为信噪比；
[0017]其中为相位估计，φ
粗
为相位粗估计；
[0018]将3σ准则作为实际精度，有：
[0019][0020]在N个采样信号参与信号估计的情况下，既保证模糊数估计的准确性，又保证估计精度满足实际要求：
[0021]为保证模糊数的估计精度：N的取值为：
[0022][0023]其中，N
π
代表保证模糊数精度的最低采样点数；当N＞N
π
时，以99％概率认为模糊数l的估计不产生误差；
[0024]为保证利用差频信号的相位进行测距时，满足相位测距精度的克拉美罗界，可以得到N的取值为：
[0025][0026]即N＞max{N
π
,N
φ
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0027]其中，N
φ
代表保证相位估计精度时的最低采样点数，δR代表实际要求的测距误差精度；
[0028]由于液面距离最远时差频信号频率最大，为了防止差频信号在采样后频谱发生混叠，需要设定信号周期T：
[0029][0030]其中，c为电磁波传播速度；
[0031]因为N＝Tf
s
，结合公式(2)和公式(3)，得到信号周期T满足：
[0032][0033]同时在实际系统中为保证算法实时性和考虑系统内存大小，傅里叶变换的点数不能过大，设系统允许的最大傅里叶变换点数为M
max
，则有：
[0034][0035]结合公式(5)、公式(6)和公式(7)，得到信号周期T满足：
[0036][0037]同时M≤M
max
；该公式保证了采样点数N＝Tf
s
满足处理精度要求，据此选择周期T；
[0038]发射信号为调频连续波信号，线性调频波信号的形式：
[0039][0040]线性调频波的调频斜率为k＝B/T；目标距离为R，则信号的回波时间为τ＝2R/c，则回波信号为：
[0041][0042]将回波信号与发射信号共轭相乘，得到差频信号：
[0043][0044]计算公式(11)得到差频信号的频率f1与相位φ：
[0045][0046]根据频率和相位的数值，计算液面距离：
[0047][0048][0049]其中，R
f
代表通过差频频率得到的距离值，R
φ
代表通过相位得到的距离值。
[0050]进一步地，在步骤2中：
[0051]将回波信号与发射信号共轭相乘得到差频信号，并进行采样，得到N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种油罐液位计高精度距离估计方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤一、选择系统参数，建立毫米波雷达油罐液位计模型，建立调频连续波雷达的发射信号及回波信号的模型，确定采样点数N的范围，给出差频信号的求解方法，分析差频信号各参数与距离的关系；步骤二、将发射信号与回波信号相乘，并利用步骤一中得到的差频信号进行采样，差频信号提供了频率和相位信息，用于研究测距性能的下限。步骤三、利用频率测距和利用相位测距，因为最大似然估计是接近克拉美罗界的估计，所以使用最大似然法得到频率和相位的估计；利用两步频率估计方法，通过FFT得到频率粗估计利用最小二乘法得到频率精估计利用差频信号的频率精估计进行距离粗估计；步骤四、利用频率和相位联合测距的相位去模糊方法，频率测距结果用于相位去模糊，差频信号的相位用于提升测距精度；利用差频信号频率估计换算为对应的相位值φ
粗
，并利用解模糊算法得到无模糊相位估计值；步骤五、利用频率估计补零傅里叶变换的方法求解，根据联合频率、相位测距下的频率测距精度要求，得出信号补零后的傅里叶变换点数M的公式，根据粗估计测频与精估计测频，最终利用相位进行估计，得出高精度距离估计。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中因为相位测距的精度高，当模糊数的估计值是准确时，相位才能实现精确估计，影响准确性的参数是即的精度不能超过π、φ
粗
的精度不能超过π；B为信号带宽，f0为信号载频，c为电磁波传播速度，f
s
为采样频率，R
max
为液面距离最大值，δR为实际要求的测距误差精度，M为信号补零后的傅里叶变换点数，M
max
为系统允许的最大傅里叶变换点数，SNR0为信噪比；其中为相位估计，φ
粗
为相位粗估计；将3σ准则作为实际精度，有：在N个采样信号参与信号估计的情况下，既保证模糊数估计的准确性，又保证估计精度满足实际要求：为保证模糊数的估计精度：N的取值为：其中，N
π
代表保证模糊数精度的最低采样点数；当N＞N
π
时，以99％概率认为模糊数l的估计不产生误差；为保证利用差频信号的相位进行测距时，满足相位测距精度的克拉美罗界，可以得到N
的取值为：即N＞max{N
π
,N
φ
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；其中，N
φ
代表保证相位估计精度时的最低采样点数，δR代表实际要求的测距误差精度；由于液面距离最远时差频信号频率最大，为了防止差频信号在采样后频谱发生混叠，需要设定信号周期T：其中，c为电磁波传播速度；因为N＝Tf
s
，结合公式(2)和公式(3)，得到信号周期T满足：同时在实际系统中为保证算法实时性和考虑系统内存大小，傅里叶变换的点数不能过大，设系统允许的最大傅里叶变换点数为M
max
，则有：结合公式(5)、公式(6)和公式(7)，得到信号周期T满足：同时M≤M
max
；该公式保证了采样点数N＝Tf
s
满足处理精度要求，据此选择周期T；发射信号为调频连续波信号，线性调频波信号的形式：线性调频波的调频斜率为k＝B/T；目标距离为R，则信号的回波时间为τ＝2R/c，则回波信号为：将回波信号与发射信号共轭相乘，得到差频信号：
计算公式(11)得到差频信号的频率f1与相位φ：根据频率和相位的数值，计算液面距离：根据频率和相位的数值，计算液面距离：其中，R
f
代表通过差频频率得到的距离值，R
φ
代表通过相位得到的距离值。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：在步骤2中：将回波信号与发射信号共轭相乘得到差频信号，并进行采样，得到N个采样点：首先考虑公式(15)差频信号：y(t)＝Aexp(j2πf1t+jφ)+noise(t),0≤t＜T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)；其中，noise(t)代表加性复高斯白噪声，总的噪声功率为σ2，信号的实部和虚部的噪声功率均为σ2/2；对公式(15)采样：采样频率设为f
s
，根据采样定理
‑
0.5f
s
≤f1≤0.5f
s
，共得到N＝f
s
T个采样点：其中，待估计参数为θ＝[A,f1,φ]
T
，其中θ1＝A，θ2＝f1，θ3＝φ；为了得到参数估计的克拉美罗下界，根据公式(16)构造Fisher信息矩阵：设I(θ)中第i行j列的元素为[I(θ)]
ij
，有：式中，y
re
(n)＝Re{y(n)}，y
im
(n)＝Im{y(n)}，根据接收信号实部的估计性能与虚部的估
计性能是完全相同的，因此可以仅考虑实部的估计性能，公式(18)中的每一个元素为：计性能是完全相同的，因此可以仅考虑实部的估计性能，公...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小川，胡衍墨，邓维波，宗成阁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学中仪知联苏州工业自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：