一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法技术

一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法，属于雷达物位距离测量领域。解决了现有采用雷达物位计测量距离时存在测量精度差，而现有提高测量距离精度方法中存在计算复杂度高的问题，本发明专利技术利用物位雷达对待测方向发射线性调频信号，并接收回波信号；获取差频信号；截取差频信号进行采样，构成Q

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法


[0001]本专利技术属于雷达物位距离测量领域。

技术介绍

[0002]雷达物位计是一种非接触式的测量物体(固体或液体)相对雷达距离的设备，目前广泛应用于工业领域，如高温、高压、腐蚀性固/液体测量，油罐液位，食品加工等领域。雷达物位计是基于电磁波传播机理，利用雷达发射电磁波，由于自由空间和物体表面具有不同的介电常数，电磁波打到物体表面后会有一部分电磁波能量反射回来被雷达接收到，接收回波与发射回波信号之间存在一个时延，这个时延表征了物体相对于雷达的距离信息，即物位信息。
[0003]目前雷达物位计常用的发射波形是线性调频连续波，利用线性调频连续波大带宽、低功耗、安全性等特点可以有效解决非接触式测距问题。测距原理是雷达发射信号与经过一定时延后接收到的回波信号混频后获得差频信号，然后利用离散傅里叶变换转换到频域，通过谱峰搜索找到此时谱峰对应的频率值即为差频，该频率可通过距离
‑
频率换算公式得到物位信息。随着工业的不断发展，越来越多的应用场景对测距精度提出了要求，因为在带宽一定的条件下，目标的距离分辨也是固定的，如何在有效的硬件条件下突破这种距离限制是需要解决的关键问题。
[0004]目前，常用提高距离测量精度的方法包括：(1)提高AD数据采样率，可获得的时域信号信息量增加，在经过离散傅里叶变换后，频域谱分辨力提高，同时测距精度和距离分辨率也得到提升。但缺点也是非常明显，会导致计算点数增加，即需要增加硬件的存储空间，也增加了计算复杂度。(2)利用CZT算法，CZT是一种基于离散傅里叶变化估计的频谱结果，利用数据拟合的方式在不增加FFT计算点数的前提下拟合出谱峰的位置，提高距离估计精度的方法。该方法可以提高距离估计精度，但不能提高距离分辨率，且该方法是在FFT基础上，按照拟合点数需要额外增加2次FFT计算和1次逆FFT计算，因此，必然也会增加计算复杂度。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决现有采用雷达物位计测量距离时存在测量精度差，而现有提高测量距离精度方法中存在计算复杂度高的问题，提出了一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法。
[0006]本专利技术所述一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法，包括：
[0007]步骤一、利用物位雷达对待测方向发射线性调频信号，并接收回波信号；
[0008]步骤二、对物位雷达发射的线性调频信号与回波信号共轭相乘，获取差频信号；
[0009]步骤三、截取差频信号的Q个扫频周期，每个扫频周期采样N次，构成Q
×
N个元素的采样序列，将采样序列转换成Q
×
N维欠定矩阵；其中，均为正整数，且Q＜N；
[0010]步骤四、利用信息论法，基于似然函数估计欠定矩阵的目标数量K；
[0011]步骤五、根据欠定矩阵的目标数量K，利用OMP算法对欠定矩阵求解，获得K个目标的差频；
[0012]步骤六、根据步骤五获取的K个目标的差频，计算K个目标与雷达之间的相对距离信息。
[0013]进一步地，本专利技术中，步骤一中，线性调频信号为S
T
(t)：
[0014][0015]其中，B/T为线性调频信号S
T
(t)的调频斜率，B为带宽，T为扫频周期，t为时间，j为虚数单位，f0为扫频的起始频率。
[0016]进一步地，本专利技术中，步骤一中，接收的回波信号为S
R
(t)：
[0017][0018]其中，τ＝2R/c，表示信号的回波时延，R表示物体相对于雷达的距离，c＝3
×
108m/s表示电磁波在自由空间中的传播速度。
[0019]进一步地，本专利技术中，步骤二中，获取的差频信号为x(t)：
[0020][0021]其中：x(t)为差频信号，为雷达发射的线性调频信号S
T
(t)的共轭。
[0022]进一步地，本专利技术中，步骤三中，N次采样信号中的第n个采样信号为x(n)：
[0023][0024]S
T*
(n)表示第n次采样的线性调频信号的共轭，S
R
(n)为第n次采样的回波信号，化简为：
[0025][0026]其中，N＝f
s
T，f
s
为采样率，n
b
(n)为第n个采样点的噪声信号，f
b
为差频频率，S
b
＝exp(jφ
b
)，φ
b
为差频信号的相位，φ
b
＝
‑
2πf0t。
[0027]进一步地，本专利技术中，步骤三中，将采样信号转换成欠定矩阵为：
[0028]X＝AS+N0[0029]其中，X为由差频信号构造的接收信号矩阵；A为构造的过完备冗余原子字典，A是由Q个扫频周期，每个周期N个采样点数据组成的矩阵，表示为：f
i
表示第i个采样频率，上角标符号T表示矩阵
的转置，的转置，表示N个采样点对应的回波信号幅度，S是稀疏的或可压缩的信号，它只在有限的几个频率点上有较大的幅值，由稀疏表示理论可知对应的这有限几个频率就是我们要估计的频率值；表示加性高斯白噪声，表示复信号，且维度分别为Q
×
N维和Q
×
1维。
[0030]进一步地，本专利技术中，步骤五中，获得K个目标的差频的具体方法为：
[0031]首先：设定OMP算法输入：矩阵X，过完备冗余原子字典A，目标数K；
[0032]初始化OMP算法：残差r0＝X，索引集Λ0＝Φ(表示空集)，迭代初始值k＝1；
[0033]然后执行：
[0034]步骤A1、从字典A中寻与回波信号幅度S相似度最大的原子编号：其中，r
k
‑1表示第k迭代中变化的残差，a
i
表示字典A中的第i列；
[0035]步骤A2、将寻找到的相似度最大原子编号加入索引集Λ
k
：Λ
k
＝Λ
k
‑1∪{λ
k
}Λ
k
、Λ
k
‑1分别表示第k次迭代后的索引集，λ
k
表示第k次迭代时步骤A1计算出的原子编号。
[0036]步骤A3、利用索引集Λ
k
更新残差：其中，表示第k次迭代时索引集Λ
k
对应的字典A的列向量组成的矩阵；
[0037]步骤A4、令k＝k+1，若k＜K，返回到步骤A1，直至k＝K，索引集合Λ
k
＝Λ
k
‑1；
[0038]步骤A5、将索引集Λ
k
对应的频率作为第k个目标的差频f
b
(k)，其中k＝1,
…
,K。
[0039]进一步地，本专利技术中，步骤六中，K个目标与雷达之间的相对距离信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法，其特征在于，包括：步骤一、利用物位雷达对待测方向发射线性调频信号，并接收回波信号；步骤二、对物位雷达发射的线性调频信号与回波信号共轭相乘，获取差频信号；步骤三、截取差频信号的Q个扫频周期，每个扫频周期采样N次，构成Q
×
N个元素的采样序列，将采样序列转换成Q
×
N维欠定矩阵；其中，均为正整数，且Q＜N；步骤四、利用信息论法，基于似然函数估计欠定矩阵的目标数量K；步骤五、根据欠定矩阵的目标数量K，利用OMP算法对欠定矩阵求解，获得K个目标的差频；步骤六、根据步骤五获取的K个目标的差频，计算K个目标与雷达之间的相对距离信息。2.根据权利要求1所述的一种基于正交匹配追踪的物位雷达测距方法，其特征在于，步骤一中，线性调频信号为S
T
(t)：其中，B/T为线性调频信号S
T
(t)的调频斜率，B为带宽，T为扫频周期，t为时间，j为虚数单位，f0为扫频的起始频率。3.根据权利要求2所述的一种基于正交匹配追踪技术的物位雷达测距方法，其特征在于，步骤一中，接收的回波信号为S
R
(t)：其中，τ＝2R/c，表示信号的回波时延，R表示物体相对于雷达的距离，c＝3
×
108m/s表示电磁波在自由空间中的传播速度。4.根据权利要求3所述的一种基于正交匹配追踪技术的物位雷达测距方法，其特征在于，步骤二中，获取的差频信号为x(t)：其中：x(t)为差频信号，为雷达发射的线性调频信号S
T
(t)的共轭。5.根据权利要求4所述的一种基于正交匹配追踪技术的物位雷达测距方法，其特征在于，步骤三中，采样序列的第n个采样信号为x(n)：S
T*
(n)表示第n次采样的线性调频信号的共轭，S
R
(n)为第n次采样的回波信号，化简为：N＝f
s
T，其中，f
s
为采样率，n
b
(n)为第n个采样点的噪声信号，f
b
为差频频率，
φ
b
为差频信号的相位，φ
b
＝
‑
2πf0t。6.根据权利要求5所述的一种基于正交匹配追踪技术的物位雷达测距方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小川，邓维波，宗成阁，胡衍墨，王洪永，
申请(专利权)人：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：