提高LFMCW雷達(dá)測距精度算法研究與實(shí)現(xiàn)

董春陽

摘要：針對LFMCW連續(xù)波雷達(dá)在復(fù)雜反射面及存在徑向運(yùn)動(dòng)的測距情況，采用FFT方法分析回波信號(hào)時(shí)會(huì)存在多個(gè)頻譜峰值，采用速度-距離的去耦算法消除目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對測距造成的影響，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)本身的變化情況，采用相應(yīng)的距離跟蹤算法和自適應(yīng)濾波算法提高測距的精度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)在煤炭料位測量實(shí)驗(yàn)中取得了較好的測量效果。

關(guān)鍵詞：FMCW；雷達(dá)；測距

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0195-02

1 概述

LFMCW（Linear Frequency Modulation Continuous Wave，LFMCW）線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是一種高分辨雷達(dá)，具有測距精度高、盲區(qū)距離小、結(jié)構(gòu)簡單和峰值功率小等優(yōu)點(diǎn)。使其廣泛應(yīng)用于距離測量、工礦企業(yè)、精確制導(dǎo)，汽車防撞等多個(gè)方面，受到人們越來越多的重視和研究[1][2]。由于LFMCW雷達(dá)輸出的混頻差拍信號(hào)存在有效區(qū)和非有效區(qū)，其數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在一定程度上決定了雷達(dá)的主要性能。目前通過采用高精度的頻率估計(jì)方法估計(jì)有效區(qū)差頻信號(hào)的頻率，對提高雷達(dá)測距精度起著重要作用[3][4]?；趨?shù)模型的譜估計(jì)、最大墑譜估計(jì)等方法具有頻率分辨力高的優(yōu)點(diǎn)，但由于其運(yùn)算量量太大不利于實(shí)時(shí)處理，基于FFT的頻譜分析方法，運(yùn)算速度快，較適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理，但其頻率估計(jì)精度取決于信號(hào)采集的時(shí)間長度和頻譜泄漏的雙重影響，應(yīng)在頻率分辨率和計(jì)算速度上進(jìn)行折中處理。

2 LFMCW雷達(dá)的工作原理

LFMCW雷達(dá)的測距原理如圖1所示，雷達(dá)工作時(shí)，三角波調(diào)制電壓控制射頻壓控振蕩器VCO產(chǎn)生頻率按三角波規(guī)律變化的射頻信號(hào)，經(jīng)天線發(fā)射到目標(biāo)反射體，延時(shí)后接收到的回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)送至混頻器得到中頻的差頻信號(hào)，該信號(hào)的頻率中包含了目標(biāo)反射體的距離信號(hào)，頻率越高距離越大。對該信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及處理即可得到目標(biāo)距離[5]。

如圖2所示為水平反射面情況，實(shí)線三角波表示發(fā)射信號(hào)頻率變化，虛線三角波表示接收信號(hào)頻率變化，經(jīng)混頻后得到下面的差頻信號(hào)，t0-t1為有效區(qū)，t1-t2為無效區(qū)。設(shè)三角波的周期為T，發(fā)射信號(hào)掃描的頻偏最大為B，微波電磁波的傳播速度為光速c，差頻頻率為F，則測量距離為：

3 回波信號(hào)特性分析

由前面的分析可以看出，對雷達(dá)信號(hào)的處理主要是對差頻信號(hào)的處理，目標(biāo)的距離信息和速度信息反映在差頻信號(hào)頻率中，對于距離的測量，如何準(zhǔn)確地分離距離和速度信息及準(zhǔn)確測量頻率值是提高測量精度的關(guān)鍵，同時(shí)微波混頻器輸出的差頻信號(hào)中包含調(diào)頻波寄生調(diào)幅特性，導(dǎo)致其頻譜中出現(xiàn)多值的現(xiàn)象，因此濾波技術(shù)也是提高測量精度的重要因素。

3.1 速度去耦算法

在進(jìn)行目標(biāo)測距時(shí)，對于靜止目標(biāo)其回波信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)相同，均按三角波的函數(shù)形式變化，只是在時(shí)間上落后于發(fā)射信號(hào)，其差頻信號(hào)頻率可準(zhǔn)確反映距離信息。但對于存在徑向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，由于多普勒效應(yīng)，其反射信號(hào)頻率相當(dāng)于在原發(fā)射信號(hào)頻率的基礎(chǔ)上疊加了多普勒效應(yīng)頻率，導(dǎo)致接收信號(hào)三角波頻率相對于發(fā)射信號(hào)頻率產(chǎn)生上下平移，差頻信號(hào)頻率也隨之變化，使測量的距離出現(xiàn)偏差， 如圖3所示。

進(jìn)一步分析可以看出，在三角波上升段和下降段其差頻信號(hào)按相反的方向變化，由于三角波的對稱性且測量時(shí)間很短，可假設(shè)目標(biāo)在此期間運(yùn)動(dòng)速度不變，則三角波上升段和下降段頻率偏差相同，可采用兩次測量取平均的算法來消除速度對測量距離的影響。

3.2 提高峰值頻點(diǎn)測量精度算法

由式（1）可以看出，測量距離與三角波的周期T、掃頻信號(hào)線性度k、最大頻偏B及差頻頻率F有關(guān)，T，k和B的精度可由硬件通過校準(zhǔn)來保證，因此提高測量精度就是如何準(zhǔn)確地測量差頻頻率[6]。一般采用FFT算法來估算F，由于FFT算法的頻率分辨率ΔF與時(shí)域采樣時(shí)間成反比，即

其中Fs為采樣頻率，Ts為采樣周期，T為采樣時(shí)間，時(shí)域采樣時(shí)間受到三角波的半周期的限制，不可能任意加長。解決的方法一是采用補(bǔ)零DFT算法，增大N值提高分辨率，二是采用chirp-Z變換在頻點(diǎn)最大值處提高分辨率。對單一目標(biāo)反射面，可假設(shè)接收的歸一化差頻信號(hào)為單一頻率的正弦波， 窗口信號(hào)采用矩形窗，則信號(hào)的頻譜為：

式中為矩形窗口函數(shù)，為差頻信號(hào)頻率，接收信號(hào)的頻譜為位于處的抽樣函數(shù)，為提高分辨率，減小頻譜泄露和計(jì)算量，本文采用兩步DFT算法來估算最大值頻點(diǎn)。具體方法如下：

（1） 采用采樣點(diǎn)數(shù)N做DFT，粗略估計(jì)的大小，根據(jù)估算的大小計(jì)算信號(hào)的周期，在采樣點(diǎn)數(shù)N中取r整數(shù)倍周期的點(diǎn)數(shù)N1，以減小頻譜泄漏。

（2） 將N1補(bǔ)零為N2做DFT，精確估計(jì)的大小。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由CPU產(chǎn)生的三角波，經(jīng)放大輸入到雷達(dá)傳感器產(chǎn)生掃頻信號(hào)，接收信號(hào)經(jīng)帶通濾波放大后送入CPU進(jìn)行AD采樣，采樣信號(hào)再經(jīng)自適應(yīng)數(shù)字濾波，以適應(yīng)不同的檢測目標(biāo)的變化要求，DFT實(shí)現(xiàn)峰值頻點(diǎn)的精度測量。

跟蹤算法完成距離的準(zhǔn)確測量及跟蹤，由于現(xiàn)場測量情況復(fù)雜多樣，目標(biāo)反射面情況各不相同，同時(shí)可能存在不同類型的干擾，如粉塵、落料等情況，在回波信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)頻率峰值，造成測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變。測量時(shí)可采用頻率第一和第二峰值的變化方差的大小和目標(biāo)的先驗(yàn)變化知識(shí)，利用距離的相關(guān)性，采用統(tǒng)計(jì)方法實(shí)際的距離的準(zhǔn)確跟蹤。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用24GHz IVS-148雷達(dá)模塊，采用頻率50Hz幅度為6V三角波，最大頻偏300MHz，測量距離0.5m～50m，差頻信號(hào)頻率100Hz～10KHz，CPU采用32位STM32F405RG ARM單片機(jī)[7]，系統(tǒng)時(shí)鐘168MHz。在8m距離平面目標(biāo)實(shí)際測量中，測量精度小于2mm，整體誤差小于0.2%。完全可滿足現(xiàn)場的實(shí)際要求。下圖為實(shí)際上傳的測量數(shù)據(jù)在MATLAB下的顯示的結(jié)果。

說明：上圖為采樣數(shù)據(jù)波形，中圖為濾波處理后的波形，下圖為信號(hào)頻譜圖（每0.5m/100Hz），最大頻點(diǎn)在1.6KHz，對應(yīng)8m距離。

6 結(jié)論

本文給出的測量算法具有運(yùn)算量小，測量精度高的特點(diǎn)，兩步頻譜估計(jì)算法有效避免了頻譜的泄漏，速度-距離去耦算法有效減小了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對測量的影響。實(shí)驗(yàn)中可在1s的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)三角波上升段和下降段的兩次測量，具有很好的實(shí)時(shí)性，可適用于距離快速變化的測量。在平面、斜面、顆粒、表面運(yùn)動(dòng)等不同目標(biāo)反射面情況下，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，完全達(dá)到現(xiàn)場應(yīng)用要求，具有一定的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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摘要：數(shù)字圖像信息要實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理，必須要用到數(shù)字圖像壓縮技術(shù)。數(shù)字壓縮技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)的重要組成部分，要用到的技術(shù)包括圖像采集、數(shù)字化、圖像分析等，因此數(shù)字圖像壓縮技術(shù)離不開對數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究與創(chuàng)新。本文圍繞數(shù)字壓縮技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展展開論述，對數(shù)字處理技術(shù)的領(lǐng)域也有所涉及。

關(guān)鍵詞：圖像壓縮技術(shù)；技術(shù)類型；發(fā)展之路

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0190-02

隨著全球信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)化、信息化的生活已經(jīng)成為人們的日常。在信息化時(shí)代，高速、快捷、方便是人們對所有信息進(jìn)行處理的要求，包括圖像處理。在現(xiàn)有的信息技術(shù)所能提供的條件下，針對龐大的數(shù)據(jù)處理工作，不斷提升處理速度并非易事，要在技術(shù)上攻克各種難關(guān)，尤其是數(shù)字圖像更是挑戰(zhàn)技術(shù)人員水平的重大課題。在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，壓縮技術(shù)更是備受關(guān)注，這一技術(shù)的難度在于要求將圖像壓縮、而且保持較好的畫質(zhì)，達(dá)到減輕存儲(chǔ)和傳輸工作量的目的。

1 圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

圖像壓縮技術(shù)的起源，可以追朔到數(shù)字化電視信號(hào)的發(fā)明和應(yīng)用。在數(shù)十年的發(fā)展歷程中，曾經(jīng)涌現(xiàn)出眾多帶有革命性和顛覆性意義的圖像壓縮技術(shù)和方法，包括小波變換理論等技術(shù)創(chuàng)新從未停止過。至今已經(jīng)達(dá)到前所未有的高度，其中一些技術(shù)依然在當(dāng)今數(shù)字圖像技術(shù)處理技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

1） 第一個(gè)壓縮編碼階段是在數(shù)據(jù)壓縮理論產(chǎn)生之后，大約在18世紀(jì)末期，出現(xiàn)了十進(jìn)制數(shù)研究；以及在19世紀(jì)末，莫爾斯代碼產(chǎn)生。隨著信息論的產(chǎn)生，模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等逐漸進(jìn)入人們的事業(yè)，使得無損壓縮編碼算法開始進(jìn)入了嶄新的階段。1969年美國矩形圖像編碼會(huì)議，使得變幻壓縮編碼和量化壓縮編碼成了研究熱點(diǎn)。

2） 第一代圖像壓縮編碼存在圖像畫質(zhì)不理想的問題，為了解決這一問題，第二代圖像壓縮數(shù)碼的概念在20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)。多個(gè)處理圖像的方案被提出，在不同程度上實(shí)現(xiàn)了圖形信號(hào)的漸進(jìn)式傳輸，視覺特性被引入分辨率信號(hào)的頻帶研究之中，分形圖像編碼壓縮方案、小波變換等圖像壓縮編碼算法陸續(xù)被提出，一些先進(jìn)的圖像壓縮編碼算法呈現(xiàn)雛形。

（1）圖像增強(qiáng)技術(shù)是將圖像中的有用信息留下，無用信息處理的方法。這項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到改善圖像畫質(zhì)，增強(qiáng)圖像處理的目的。而且圖像增強(qiáng)方法還不止一項(xiàng)，將圖像的模糊、失真、噪聲的影響降低到最小，避免光照、溫度等對圖像產(chǎn)生的退化作用。減少退化源的影響，恢復(fù)圖像空間，補(bǔ)償圖像磨合和消除噪聲?；謴?fù)空間濾波、偽逆空間等。

（2）實(shí)現(xiàn)圖像分割是在20世紀(jì)70年代產(chǎn)生的，在醫(yī)學(xué)、軍工領(lǐng)域被廣泛使用。使用闞值法、區(qū)域生長法等將圖像灰度、紋理等進(jìn)行分割，使分割后的區(qū)域內(nèi)部特征大于區(qū)域間的相似性。

（3）將圖像的邊緣進(jìn)行不連續(xù)分割，使用邊緣檢測算子來對邊緣進(jìn)行檢測和提取。計(jì)算簡單、速度快，但是這種方法對圖像的噪聲干擾比較敏感。

（4）將圖像中有用的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行調(diào)取，利用模式識(shí)別技術(shù)等來抽取圖像特征，進(jìn)行符號(hào)化的描述和分析[1]。

2 圖像壓縮技術(shù)存在的若干問題

1）缺乏統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)知識(shí)；

2）提取系統(tǒng)的計(jì)算量較大；

3）小波變化圖像壓縮編碼算法等，存在工作效率較低的問題；

4）圖像精度和處理速度的矛盾問題；

5）軟件研發(fā)與其他學(xué)科相互結(jié)合和利用的問題；

6）圖像壓縮技術(shù)邊緣學(xué)科，如視覺神經(jīng)、心理學(xué)的融合與突破問題；

7）建立圖像信息庫和程序的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

3 幾種較為重要的圖像壓縮技術(shù)介紹

3.1 JPEG壓縮技術(shù)

JPEG壓縮技術(shù)已經(jīng)為人們所熟知。其全稱為“Joint photographic expert group”，1989年誕生技術(shù)規(guī)范，1991-1992年形成標(biāo)準(zhǔn)草案和國標(biāo)。壓縮技術(shù)原理在于：先將圖像處理為塊，每塊的大小不均且不重疊，使用二維離散余弦方法進(jìn)行變換，簡稱為DCT。變幻后的系數(shù)矩陣能量進(jìn)行了量化，去除了高頻系數(shù)，保留了低頻系數(shù)，且主要矩陣能量都集中在低頻區(qū)。在低頻區(qū)完成掃描、重新組織、編碼等過程，完成了JPEG圖像壓縮的全程處理，形成了具有中、高端比特率、畫質(zhì)良好，符合國標(biāo)的JPEG圖像。

但是JPEG圖像壓縮技術(shù)也有其缺陷，首先是方塊效應(yīng)。這是由于在圖像進(jìn)入分塊處理時(shí)，由于高壓縮比將本來高度非平穩(wěn)的圖像信號(hào)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性突變，致使邊緣信息用余弦基作為圖像信號(hào)導(dǎo)致[2]。其次是壓縮受到損害，壓縮比不高，系數(shù)發(fā)生了量化。

JPEG圖像壓縮技術(shù)發(fā)生方塊效應(yīng)，壓縮容易受到損壞的特性，是近年來技術(shù)人員一直力圖解決的。所采用的改進(jìn)方法，本文有比較集中的介紹：第一，使用DCT零樹編碼，就是將方塊中的零樹的系數(shù)先組成LOG2N個(gè)子帶，然后進(jìn)行編碼，得出較高的PSNR值，在進(jìn)行這種改進(jìn)之后，按照相同的壓縮比，獲得的PSNR值比EZW要高很多。雖然算是有效的方法，但是方塊效應(yīng)依然沒有得到根除。第二，使用集中低頻塊的方法，變換DCT，不斷對圖像進(jìn)行變化操作，直到方塊效應(yīng)基本消除，然后對DCT進(jìn)行系數(shù)零樹編碼排列處理。這種方法可以將方塊效應(yīng)清除的更加徹底，但是在人眼視覺處理?xiàng)l件下，依然還是有一些方塊參與存在。因此在今后的發(fā)展中，還應(yīng)趨向考慮與人眼視覺特相結(jié)合的壓縮技術(shù)方向努力。

3.2 JEPG2000壓縮技術(shù)

JEPG2000壓縮技術(shù)是對JPEG技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，按照全新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，將JPEG技術(shù)中的余弦變換技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〔ㄗ儞Q技術(shù)。采用了彩色編碼方式，按照J(rèn)PEG圖像編碼算法進(jìn)行圖像壓縮。其原理為：說先對數(shù)字圖像進(jìn)行分片、直流電平位移等預(yù)處理，然后進(jìn)行包括小波變換、熵編碼等的核心處理，最后進(jìn)行包括區(qū)域劃分、碼塊等的流組織處理。