一种多模式高精度雷达测距滤波方法技术

本发明专利技术是一种多模式高精度雷达测距滤波方法。本发明专利技术针对测距稳定性差、抗干扰能力弱的问题，按照实际工作场景建立了三种滤波模式。本发明专利技术首次在毫米波雷达雷达测距上利用三种模式的卡尔曼滤波，结合界面参数输入，实现不同精度、不同输出速度的功能，从而更精确、更可靠、更便捷、更便于实际操作和应用，有效避免了雷达硬件或环境干扰，提高了雷达测距的应用场景、测距精度以及实时性。场景、测距精度以及实时性。场景、测距精度以及实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种多模式高精度雷达测距滤波方法


[0001]本专利技术涉及雷达测距
，涉及毫米波雷达高精度测距、滤波的多种方法研究，是一种多模式高精度雷达测距滤波方法。

技术介绍

[0002]雷达测距对化工行业的经济效益、安全生产有着极为重要的意义，由于精度高、可靠稳定、灵活性高、成本低等优点，已经广泛应用于浆料、液体及颗粒料物位等非接触式测量的场景中。因此，研制更高精度的雷达测距在工业化工生产中有着极其重要的意义。理论上，增加带宽可以提升测距精度，这是最常用的工程实现方法。然而，由于实际环境和硬件非理想，测距精度并不能完全达到理论下界，造成带宽和测距精度的损失。为解决该问题，常使用多次积累法克服该问题，但该方法提升精度能力有限，抗干扰能力不强，同时实时性差。不同于传统技术，本专利技术使用改进的卡尔曼滤波算法滤除干扰并实现跟踪，从而克服实际环境、硬件非理想等因素的影响。

技术实现思路

[0003]本专利技术为克服实际环境非理想导致的测距精度下降问题，使用卡尔曼滤波提升测距精度，给出了三种雷达测距模式，以改善雷达测距的性能。本专利技术雷达建模为高载频、大带宽的线性调频毫米波雷达。
[0004]与常规线性调频毫米波雷达处理方法相同，这里简述该雷达的测距方法。雷达发射线性调频连续波，经过目标散射后回波信号到达雷达接收端完成混频、滤波、放大、零中频采样，频域变换与恒虚警处理(CFAR)，获得目标的差频分量，进而得到距离信息。可见，只有更精确地获得差频信号的频率值，才能高精度测距。
[0005]针对测距稳定性差、抗干扰能力弱的问题，本专利技术提出了一种改进的卡尔曼滤波算法，并按照实际工作场景建立了三种滤波模式，分别是常规模式、精确模式和快速模式。本专利技术提供了一种多模式高精度雷达测距滤波方法，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]一种多模式高精度雷达测距滤波方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：利用一个周期数据粗测当前距离s0，使用多周期积累获得粗估计；
[0008]步骤2：利用当前距离s0确定在当前距离下的周期积累次数；
[0009]步骤3：时域积累后先使用恒虚警检测，再使用线性调频Z变换估计频率；
[0010]步骤4：利用卡尔曼滤波跟踪后的测距结果，每得到一个点输出一个滤波结果。
[0011]优选地，所述步骤2具体为：
[0012]利用s0确定周期积累次数，通过下式表示所述周期累计次数：
[0013][0014]当测量物体为面目标时为点目标时k为常数，根据实际需求制定，保证不同距离下的理论测距精度相同。
[0015]优选地，所述步骤4中卡尔曼滤波方法具体为:使用的卡尔曼滤波通过下式表示：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021]其中，输入数据为s
k
，输出数据为，输出数据为代表预测误差的方差，K
k
代表卡尔曼增益，代表滤波误差的方差。Φ代表状态转移变量、Q代表扰动功率、Γ代表扰动变量、H代表测量变量。
[0022]优选地，设计判断语句：当与前N点平均值的差的绝对值小于一定阈值，则判断被测物体移动，且跟踪已经大范围偏离实际数据；此时需要改变滤波参数，使得滤波后结果快速跟踪被测物体变化。
[0023]一种多模式高精度雷达测距滤波方法为在被测物体稳定时适用，提升测距精度，通过界面调整精度，提升单次输出时间，将步骤2
‑
步骤3进行替换：
[0024]步骤2：任意距离均在时域积累相同次数的周期，进行CFAR检测后使用CZT得到测量值的结果；
[0025]步骤3：在近距离时，直接将步骤2中的结果作为单次测量值代入步骤4；在远距离时，多次利用步骤2得到多次测量结果，取平均后得到单次测量值。
[0026]一种多模式高精度雷达测距滤波方法，为快速获得距离粗测值、或雷达开机时适用，测距输出速度快，将步骤2
‑
步骤3进行替换：
[0027]步骤2：通过雷达测距界面输入参数控制积累次数，改变输出信号的时间间隔；
[0028]步骤3：进行恒虚警检测检测后，使用线性调频Z变换估计距离，并使用卡尔曼滤波的方法得到距离的估计值。
[0029]优选地，通过改变周期信号的时域积累次数，使不同距离上的测距精度相同，提升系统计算的实时性。
[0030]优选地，使用测距的克拉美罗界计算精度值：
[0031][0032]其中，c为光速，B为带宽，N为采样点个数，K为积累周期个数，SNR代表信噪比；据此公式可以给出在满足不同精度时的积累次数，在时域上提升精度，通过界面参数输入调整测距精度，改变卡尔曼滤波参数，实现各个距离上的高精度距离估计。
[0033]优选地，通过参数输入，改变积累周期的个数，以提升计算速度，实现快速、可靠的距离测量。
[0034]优选地，界面输入参数改变K(s0)的公式，当其中k为输入常数，在界面调整时改变k以改变积累周期次数。
[0035]本专利技术具有以下有益效果：
[0036]本专利技术首次在雷达测距上，使用改进的卡尔曼滤波并给出了常规模式、精确模式和快速模式实现更高精度的距离估计，最大优势是实时性好、测距精度高、理论上可以接近最优，有效地避免了各种环境因素对雷达测距的影响，并通过交互界面的参数输入，实现不同测量精度，满足了用户的使用需求，提升了系统的实用性、可靠性、实时性和精确性。
[0037]针对测距稳定性差、抗干扰能力弱的问题，本专利技术提出了一种改进的卡尔曼滤波算法，并按照实际工作场景建立了三种滤波模式，分别是常规模式、精确模式和快速模式。首先，说明“常规模式”，该模式特点是各距离精度相同。近距离输出结果快，远距离输出结果慢。
附图说明
[0038]图1是本专利技术的多模式高精度雷达测距滤波方法流程图；
[0039]图2是本专利技术高精度雷达测距“常规模式”的流程框；
[0040]图3是本专利技术高精度雷达测距“精确模式”的流程框；
[0041]图4是本专利技术高精度雷达测距“快速模式”的流程框。
[0042]图5是本专利技术“常规模式”的实验结果；
[0043]图6是本专利技术“精确模式”的实验结果；
[0044]图7是本专利技术“快速模式”的实验结果。
具体实施方式
[0045]以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。
[0046]具体实施例一：
[0047]根据图1至图7所示，本专利技术为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：一种多模式高精度雷达测距滤波方法，当在“常规模式”的特点是各距离精度相同，近距离输出结果快，远距离输出结果慢。该模式包括以下步骤：
[0048]步骤1、利用一个周期数据粗测当前距离，记s0。为了提升测距精度，可以使用多周期积累获得粗估计，并给出不同距离处回波信号的信噪比。
[0049]步骤2、利用s0计算该距离下的周期积累次数其中k为输入常数，测量物体为面目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多模式高精度雷达测距滤波方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：利用一个周期数据粗测当前距离s0，使用多周期积累获得粗估计；步骤2：利用当前距离s0确定在当前距离下的周期积累次数；步骤3：时域积累后先使用恒虚警检测，再使用线性调频Z变换估计频率；步骤4：利用卡尔曼滤波跟踪后的测距结果，每得到一个点输出一个滤波结果。2.根据权利要求1所述的一种多模式高精度雷达测距滤波方法，其特征是：所述步骤2具体为：利用s0确定周期积累次数，通过下式表示所述周期累计次数：当测量物体为面目标时为点目标时k为常数，根据实际需求制定，保证不同距离下的理论测距精度相同。3.根据权利要求1所述的一种多模式高精度雷达测距滤波方法，其特征是：所述步骤4中卡尔曼滤波方法具体为:使用的卡尔曼滤波通过下式表示：中卡尔曼滤波方法具体为:使用的卡尔曼滤波通过下式表示：中卡尔曼滤波方法具体为:使用的卡尔曼滤波通过下式表示：中卡尔曼滤波方法具体为:使用的卡尔曼滤波通过下式表示：中卡尔曼滤波方法具体为:使用的卡尔曼滤波通过下式表示：其中，输入数据为s
k
，输出数据为，输出数据为代表预测误差的方差，K
k
代表卡尔曼增益，代表滤波误差的方差，Φ代表状态转移变量、Q代表扰动功率、Γ代表扰动变量、H代表测量变量。4.根据权利要求3所述的一种多模式高精度雷达测距滤波方法，其特征是：设计判断语句：当与前N点平均值的差的绝对值小于一定阈值，则判断被测物体移动，且跟踪已经大范围偏离实际数据；此时需要改变滤波参数，使得滤波后结果快速跟踪被测物体变化。5.根据权利要求1所述的一种多模式高精度雷达测距滤波方法，其特征是：为在被测物体稳定时适用，提升测距精度...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓维波，吴小川，胡衍墨，宗成阁，杨昌群，
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中仪知联无锡工业自动化技术有限公司，
类型：发明
国别省市：