一种频率结合相位的雷达测雪深方法技术

本发明专利技术提供一种频率结合相位的雷达测雪深方法，包括：步骤1：获取调频连续波雷达生的发射信号、以及所述发射信号遇到目标积雪后产生的回波信号；步骤2：对所述发射信号与回波信号进行混频，得到差拍信号；步骤3：根据所述差拍信号，确定积雪的厚度R＝R2

【技术实现步骤摘要】
一种频率结合相位的雷达测雪深方法


[0001]本专利技术涉及雷达探测
，尤其涉及一种频率结合相位的雷达测雪深方法。

技术介绍

[0002]目前，积雪探测的方法主要分为人工和仪器观测两类方法。传统人工测量方法使用雪尺在平坦区域测得积雪深度，或者使用特殊容器盛装积雪，等待积雪融化后测量雪水重量，反推降雪量。这种方法首先受到测量地形的限制，在比较复杂的地形条件下，雪尺测量的数据结果与实际情况会有较大的偏差；而使用容器盛装雪水需等到积雪融化之后才能进行计算，耗费较大时间。在用的雪深探测方法主要有超声波测距法、激光测距法两种方法。超声波测距受到测量环境中风速和温度的影响较大，以上两种变量任意改变一种都可能造成测量结果产生较大误差；激光测距的成本比较高，不适宜我国在全国范围内进行大范围的部署。
[0003]因此，目前缺少一种探测精度高、适用范围广的积雪探测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种频率结合相位的雷达测雪深方法。
[0005]一种频率结合相位的雷达测雪深方法，包括：
[0006]步骤1：获取调频连续波雷达生的发射信号、以及所述发射信号遇到目标积雪后产生的回波信号；
[0007]步骤2：对所述发射信号与回波信号进行混频，得到差拍信号；
[0008]步骤3：根据所述差拍信号，确定积雪的厚度R1；
[0009]其中，R1＝R2
‑
R；R为所述雷达距离地面的距离，所述R2为所述雷达距离雪面的距离。
[0010]进一步地，如上所述的频率结合相位的雷达测雪深方法，所述步骤3包括：
[0011]步骤31：对所述差拍信号进行FFT变化，得到差拍信号频谱；
[0012]步骤32：根据所述差拍信号频谱，确定频谱最大值所在的位置；
[0013]步骤33：根据所述频谱最大值所在的位置确定误差量化值q；
[0014]步骤34：通过计算相位，对所述误差量化值q进行修正，得到修正后的误差量化值q；
[0015]步骤35：根据所述正后的误差量化值q确定雷达距离地面的距离R。
[0016]进一步地，如上所述的频率结合相位的雷达测雪深方法，所述步骤35包括：
[0017]根据下式确定所述R：
[0018][0019]其中，f
S
为采样频率；c为光速；T为调制周期；N为FFT点数；B为扫频带宽。
[0020]有益效果：
[0021]本专利技术提供的方法，利用相位和频率进行结合，实现了高精度的距离测量。
附图说明
[0022]图1为雷达垂直放置于雪面之上的位置示意图；
[0023]图2为本专利技术频率结合相位的雷达测雪深方法流程图；
[0024]图3为锯齿波FMCW雷达发射和接收信号频率变化波形图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]图1为雷达垂直放置于雪面之上的位置示意图，如图1所示，将调频连续波雷达放置于地表之上。调频连续波雷达距离雪面的高度为R2，距离地面的距离为R1，计算可得积雪实际深度为R＝R2
‑
R1。在实际探测中，调频连续波会接收到雪面以及地面的两个回波信号，通过计算可以得出R1和R2的值。这种放置方式需要调频连续波雷达系统具有足够的距离分辨率，当积雪的深度变化量为毫米级别时，系统依然能够检测出来。
[0027]雷达工作波段选择及参数设置
[0028]在本专利技术积雪探测中，选用K波段(24GHz)作为探测方案，设置探测距离R＝300m，扫频周期T＝200us，24GHz频段下波长λ＝1.24cm，玻尔兹曼常数k＝1.28
×
10
‑
23
，接收机环境温度T
e
＝273.15K，积雪表面雷达散射截面积σ＝4.5e
‑5m2。其他常规参数设置：发射天线增益G
t
＝10dBi，接收天线增益G
r
＝10dBi，信噪比(SNR)3dB，接收机噪声系数F＝6dB，接收机固有损耗L＝6dB。
[0029]连续波雷达探测方程可以表示为：
[0030][0031]其中，SNR为接收机最小信噪比(接收机灵敏度)。
[0032]由于调频连续波雷达发射信号的峰值功率等于平均功率，对公式(1)处理后可得到雷达的发射功率方程：
[0033][0034]其中，P
cw
是雷达系统的发射功率，R是雷达的探测距离，k为玻尔兹曼常数(1.38E
‑
23J/K)，T
e
代表雷达接收机所处的环境温度(一般为300K)，F代表雷达接收机的噪声系数，L
loss
代表雷达接收机的损耗，L
win
代表数字信号处理中对FFT进行加窗所造成的衰减，SNR代表雷达接收机的信噪比，T代表调频连续波雷达的扫频周期，G
t
代表发射天线增益，G
r
代表接收天线增益，A
e
代表天线有效孔径，λ代表雷达载频的波长，σ为目标的雷达散射截面积。
[0035]调频连续波雷达测距原理
[0036]一般雷达通过计算发射和接收到的电磁波的时间间隔τ来测量距离。设电磁波的传播速度为光速c，被测目标与雷达的距离为r，则距离探测公式为：
[0037]r＝cτ/2
ꢀꢀ
(3)
[0038]而频率调制连续波(FMCW)雷达发射周期信号，其频率会随时间发生线性变化。采用锯齿波调频，发射信号和回波信号的频率也会发生变化。通过前人的研究发现，FMCW雷达测距公式为：
[0039][0040]其中c为光速，T为调制周期，B为扫频带宽，f
t
为发射信号频率，f
r
为回波信号频率，f
b1
为差拍信号的频谱，f
b1
＝f
t
‑
f
r
。
[0041]由公式(4)可知：只要确定差拍信号的频谱信息就能通过计算得到距离。而要得到差拍信号的频谱信息就需要对采集到的差拍信号进行FFT运算，但是由于FFT栅栏效应的存在，得到的频谱信息与实际值存在较大误差。虽然采用频率细化的方法能够减小距离分辨单元并提高精度，但依然不能满足设计要求。为了解决这一问题，实现在同一个距离下更精确的测量，本专利技术提出了一种频率结合相位的高精度测距方法。
[0042]下面对所述频率结合相位的高精度测距方法进行详细的介绍：
[0043]图2为本专利技术频率结合相位的雷达测雪深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种频率结合相位的雷达测雪深方法，其特征在于，包括：步骤1：获取调频连续波雷达生的发射信号、以及所述发射信号遇到目标积雪后产生的回波信号；步骤2：对所述发射信号与回波信号进行混频，得到差拍信号；步骤3：根据所述差拍信号，确定积雪的厚度R1；其中，R1＝R2
‑
R；R为所述雷达距离地面的距离，所述R2为所述雷达距离雪面的距离。2.根据权利要求1所述的频率结合相位的雷达测雪深方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31：对所述差拍信号进行FFT变化，得到差拍...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新，丁振华，漆洋，李文钊，
申请(专利权)人：重庆市气象信息与技术保障中心重庆市气象科技档案馆，
类型：发明
国别省市：