Yüksek Hassasiyetli Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga Radarının Değişen Algoritması Üzerine Araştırma
Qiu Jing, Huang Jiwei, Chen Ahui, Ke Yushan
(Fizik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Fuzhou Üniversitesi, Fuzhou, Fujian 350002)
: Frekans modülasyonlu sürekli dalga (FMCW) radar aralığı algoritmasında, hızlı Fourier (FFT) algoritma spektrum analizinin hatası, FFT spektrum çizgileri arasındaki aralıktan kaynaklanır. Bu nedenle, FFT algoritmasının aralık doğruluğunu iyileştirmek ve spektrum analizi hatasını azaltmak için, gelişmiş bir frekans kayması telafisi ölçüsü önerilmektedir. Frekans kaydırma telafisinin spektrum kaydırma faktörü, spektrogramın simetrisi ve maksimum değer ile iki bitişik spektral çizgi noktasının koordinatları arasındaki mesafe farkı kullanılarak elde edilir. Simülasyon deneyinin sonuçları, bu ölçümle elde edilen maksimum değerin, menzil süresini büyük ölçüde artırmadan gerçek tepe değerine daha yakın olduğunu ve bu da radar menzil doğruluğunu daha iyi artırabileceğini göstermektedir.
: Fourier dönüşümü; radar; spektrum maksimum tahmin algoritması; aralık doğruluğu; spektrum ofseti
: TN953 + .2 Belge tanımlama kodu: ADoi: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.09.007
Alıntı biçimi : Qiu Jing, Huang Jiwei, Chen Ahui, vb. Yüksek Hassasiyetli Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga Radarının Değişen Algoritması Üzerine Araştırma J Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (9): 22-24,27.
0 Önsöz
* Fon Projesi: Fujian Bilim ve Teknoloji Planlama Projesi (2014H0026)
Yaygın olarak kullanılan radar aralığı, FM sürekli dalga ve tek darbe radarıdır, bunların arasında, FM sürekli dalga radarı, yüksek menzilli çözünürlük, düşük güç ve ölçüm kör bölgesi olmayan özelliklere sahiptir [14]. Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarı, radar menzil sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.Ölçülen mesafenin bilgisi, sinyalin örneklenmesi ve FFT algoritmasının analiz edilmesiyle elde edilir. FFT'nin kendisinin "çit etkisi" nedeniyle, büyük bir hata var. Bununla birlikte, yağ tankı seviye ölçümü [56] gibi endüstriyel uygulamalarda, ölçüm doğruluğu için çok yüksek gereksinimler vardır. İnsanlar genellikle doğruluğu artırmak için frekans iyileştirme oranını artırır, ancak hesaplama süresini artırır. Sonuç olarak, aralık doğruluğunu artırmak için uydurma yöntemi [7], Rife algoritması [8], spektral maksimum tahmin algoritması [811], CZT [1015] ve diğer yöntemler geliştirilmiştir. CZT algoritması en yüksek doğruluğa sahiptir. Bu yazıda, bu yöntemler geliştirildi ve en değerli koordinatlar ile bitişik iki spektral çizgi noktası arasındaki mesafe farkını kullanan bir yöntem tasarlandı ve aralık doğruluğunu iyileştirmek için CZT birleştirildi ve simülasyon ve doğrulama gerçekleştirildi.
1FMCW Radar Değişen Prensip Analizi ve Hata Analizi
Literatür [1018], radar ölçümü ilkesini analiz eder. Radar menzilinin ilkesi, mikserin radar menzilleme sisteminin anteni aracılığıyla gönderilen ve alan sinyalleri elde etmesi, böylece fark frekansı sinyalini [1618] elde etmesi, mesafe bilgisini fark frekans sinyalinin baskın frekansı üzerinden çıkarması ve ardından mesafe bilgisi üzerinde dijital sinyal gerçekleştirmesidir. Hedef mesafeyi elde etme süreci. Şekil 1, iletilen sinyal ile yankı sinyali arasındaki zaman alanı ilişkisidir.
Şekil 1'deki düz çizgi, radar sinyal vericisi tarafından gönderilen iletilen sinyalin frekansı ve zamanı arasındaki ilişkidir ve kesikli çizgi, alınan yankı sinyalidir. Fark frekansı sinyali, radar gönderme sinyalinin yerel osilatör sinyali ve alıcı sinyal mikser tarafından karıştırıldıktan sonra elde edilebilir. Ölçülen mesafeyi elde etmek için, spektrogramın maksimum örnek değerini elde etmek için Fourier dönüşümünü gerçekleştirmek üzere fark frekans sinyalini kullanmak gerekir.
Fourier dönüşümü, bir pencereleme işlevi kullanarak sürekli zamanı kesmek ve zaman alanı ve frekans alanındaki DFT ayrık sinyallerinin gereksinimlerini karşılamak için bunu N noktaya kesmektir. Bu ayrık noktalar arasında çit etkisinden etkilenecek olan aralıklar vardır, bu nedenle FFT işlemeden sonra örnekleme noktaları arasındaki R aralığı, sinyal işlemeden sonra tepe değerini teorik tepeye göre sola veya sağa kaydırır. Bu nedenle, maksimum örnekleme noktasının frekans değeri ile hesaplanan mesafe, R / 2'lik bir aralık hatası üretecektir. N ayrık spektral çizgi zarfları bir eğri olarak yaklaştırılabilir, ancak teorik eğri ile karşılaştırıldığında simetrik değildir. Hatayı azaltmak için N nokta boyutunu artırabilirsiniz.N nokta değeri büyük miktarda artırıldığında, örnekleme noktası aralığı daha yoğun hale gelecek, zarfın tepe değeri artmaya devam edecek ve her iki taraftaki değerler gitgide yaklaşacaktır. , Parabole benzer şekilde yavaş yavaş simetrik bir eğri oluşturur ve ölçülen mesafe hatası da azalır. Bununla birlikte, hesaplama miktarı büyük ölçüde artacak ve işleme hızı yavaşlayacak, bu da radar sisteminin gerçek zamanlı performansı üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır [8-12].
2Maksimum örnekleme noktasını tahmin etmek için spektrogram koordinatlarını kullanma
Spektral maksimum tahmin algoritması için, literatür [9-10] teorik örnekleme noktası gerçek örnekleme noktası ile tutarlı olduğunda ikinci en büyük değerin 0 olduğundan bahsetmiştir. Bununla birlikte, bu yöntem teorik ve gerçek örnekleme noktalarının maksimum değerinin aynı olduğunu garanti edemez, bu nedenle ikinci maksimum değer sıfır değildir. FFT spektrogramı simetrik olduğundan, spektrogramdaki maksimum örnekleme noktasından iki bitişik noktaya olan mesafenin eşit olduğu tahmin edilebilir. FFT'nin çit etkisinin iki tarafı arasındaki mesafe tutarsız olduğundan, yani maksimum değerin her iki tarafındaki en büyük ikinci değer farklıdır. Sıralamaya göre farklı büyüklüklerde 3 genlik değerine bölünmüştür.Maksimum değer dairenin merkezi, maksimum değer ile ikinci en büyük değer arasındaki mesafe yarıçaptır.Maksimum değer ile üçüncü en büyük değerin bulunduğu çizgi üzerine daire çizilebilir. Aralarında mesafe farkı olacak ve ikisi arasındaki mesafe farkı belli bir değerden az olduğunda, Şekil 2'de gösterildiği gibi maksimum noktanın aranan maksimum örnekleme noktası olduğu düşünülebilir.
Spektrogramdaki maksimum değeri ve spektrumun her iki tarafındaki B (f1, k1), C (f3, k3), D (f2, k2) değerlerini alın, burada B'ye karşılık gelen spektrum çizgisi spektrum çizgisindeki maksimum değerdir ve D spektrumdur. Çizginin ikinci en büyük değeri olan C üçüncü en büyük değerdir. O zaman spektrumun maksimum değeri A, B ile D arasındadır. Uzaklık spektrumu maksimum değer etrafında simetrik olduğundan, B ve A çakıştığı zaman D'nin simetri noktasının C olduğu düşünülebilir.
Önce hatayı f1 olarak ayarlayın ve sonra maksimum noktadan iki bitişik diziye olan mesafe farkı k analizi yoluyla, koordinat ekseninde BC ve BD'nin çizgi parçası mesafeleri arasındaki farkı, yani mesafe farkının yarısını tahmin edilen nokta olarak alın. Uzaklık formülü, karşılık gelen f değerini alır ve ardından B noktasının maksimum değere göre sol mu yoksa sağ mı olduğunu belirlemek için BD ve BC mesafelerini karşılaştırır. B'nin yeni koordinat değerini elde etmek için spektrumu f ile sola ve sağa hareket ettirin ve yeni mesafeyi elde edin k ve f farkı, f'yi karşılaştırın, eğer f1 < f, spektrumu tekrar hareket ettirmeniz gerekir, alt bölümlere ayrılmış f hatadan küçük olana kadar yukarıdaki yöntemi tekrarlayın. Bu yöntem mesafe farkını azaltarak maksimum noktayı elde etmektir. D, B ve C, sırasıyla ikinci en büyük değer, en yüksek değer ve spektrumun üçüncü en büyük değeri olsun ve A, gerçek spektrum tepe değeri olsun, ardından BC çizgi parçası BD çizgi parçasına eşittir ve B, D'nin solundadır. B, ana lobun gerçek tepe değeri ile aynıysa, aynı mesafeye göre şunları elde edebiliriz:
B ve ana lobun gerçek tepe değeri farklıysa, ikisi arasındaki mesafe farkı k olarak ayarlanabilir ve bunlar:
Ana lobun tepe merkez noktası ile B noktası arasındaki farkın f olduğunu varsayalım. Ana lobun merkez noktasının koordinatlarının (f1 + f, k1 + k1) olduğu varsayıldığında, denklem (1) 'den elde edilebilir:
Bunlar arasında, spektrumdaki en büyük üç nokta için sıra numaralarının üç bitişik değeri vardır, o zaman f1 ve f2 iki dizi ile elde edilebilir ve f1 + f2 = 2 × f3. Tüm spektrum sola ve sağa hareket ettiğinde B, C ve D'nin bulunduğu noktaların genliği buna göre artacak veya azalacaktır.Eğer k1 ve k / 2 yaklaşık olarak eşitse denklem (2) 'nin sonucu denklem (5)' e getirilebilir. f için çözün.
Daha sonra tüm spektrum f ile kaydırılır ve kaydırma yönünün, maksimum değerin sıra numarasının ve bir sonraki en büyük değerin boyutuna göre belirlenmesi gerekir. Bir sonraki en büyük değer f2 ise < f3, tüm spektrum d ile sola kaydırılır; eğer f2 > f3, tüm spektrum sağa kaydırılır.
B, C ve D üç noktasının yeni koordinatlarını bu sefer tekrar alın ve hatayı f1 olarak ayarlayın. BC ile BD arasındaki mesafe hatası bu değerden büyükse yukarıdaki adımları tekrarlayın; BC ile BD arasındaki mesafe hatası bu değerden daha az olduğunda, son Çalıştırmak. Elde edilen B noktası tepe noktasıdır. Şekil 3, geliştirilmiş algoritma akış şemasını göstermektedir.
3 Simülasyon ve doğrulama
Yukarıda bahsedilen yöntem simüle edilmiş ve doğrulanmış ve farklı mesafeler altında farklı yöntemlerin simülasyon programının çalışmasının doğruluğu karşılaştırılmıştır. Radar emisyonunun simülasyon koşulları şunlardır:
FM sinyalinin bant genişliği B 109 Hz'dir;
Testere dişi modülasyon sinyalinin T süresi 0,2 saniyedir;
Merkez frekansı 24 × 109 Hz'dir.
Şekil 4 ve Şekil 5'te gösterildiği gibi radarın gönderme sinyalini, yankı sinyalini ve fark frekans sinyalini simüle edin.
Hedef konumu 100 m olarak ayarlayın ve Şekil 6'da gösterilen frekans spektrumunu alın. FFT yöntemine göre N = 1024, hedefin konumu 99,61 m, hata% 0,39'dur ancak hedefin maksimum konumu 99,98 m ve hata% 0,02'dir.
Ayarlanan mesafe aralığı 10-100 m'dir ve hedef tek bir hedef olduğunda bilgisayar simülasyon sonuçları Tablo 1'de gösterilmiştir.
4. Sonuç
Bu makale, radar sisteminin menzil sürecini ve prensibini analiz eder ve menzil algoritmasını geliştirir Koordinatların mesafe farkını kullanarak, hedefin gerçek konumunu tahmin etmek için basit bir yöntem önerilmiş ve yöntem geleneksel hızlı Fourier dönüşümü ile karşılaştırılmıştır. Kontrast. Simülasyon deney sonuçları, bu yöntemin radar aralığı doğruluğunu iyileştirebileceğini göstermektedir. Zamanı ölçtükten sonra, FFT algoritması 0.02 sn, iyileştirmeden sonra 0.034 sn sürmektedir. Spektral kaymaların sayısı 10'dan azdır ve bu süre üzerinde çok az etkiye sahiptir.
Referanslar
[1] Bao Min. Doğrusal frekans modülasyonlu sürekli dalga radar sinyali işlemenin araştırma ve donanım uygulaması [D] Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2009.
2 Guo Yun, Yu Kui, Chen Jian. Çeşitli sürekli dalga radar sistemi parametre tasarımı ve sinyal işleme yöntemleri J. Electronic Science and Technology, 2015, 28 (2): 158-163.
3 Sun Yanmin, Zhou Changlin, Chang Qingmei ve diğerleri Çarpışma önleyici radarın yanlış hedeflerini azaltmak için sinyal işleme üzerine araştırma J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2011, 30 (18): 46-51.
[4] Hu Yulan, Zhao Ziming, Pian Zhaoyu Fusion özelliği, yüksek çözünürlüklü radarın tek boyutlu menzil profili profile J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2015, 34 (4): 52-57.
5 ZHU L, DONG L, LIU SD, ve diğerleri. LFMCW radarının sıvı seviyesi ölçüm hassasiyetini iyileştirmek için kendinden uyarlamalı frekans tahmin algoritması C. 2010 Uluslararası Mikrodalga ve Milimetre Dalga Teknolojisi Konferansı (ICMMT), IEEE, 2010 : 1626-1628.
[6] Wang Baohua. Kısa menzilli LFMCW radar menzil sistemi araştırma ve uygulaması D Chongqing: Chongqing Üniversitesi, 2012.
[7] Zhou Qingchen, Xu Haizhou, Chang Cheng ve diğerleri Parabol yerleştirme yöntemine dayalı radar aralığı doğruluğunu iyileştirme araştırması J. Bilgi ve İletişim, 2016 (6): 8-9.
[8] Yu Weidong, Tu Yaqing, Zhan Qidong, ve diğerleri, LFMCW radar aralığı yöntemi ve iyileştirilmiş Rife algoritmasına dayalı uygulama J. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2015, 29 (4): 550-557.
[9] Xu Junrong, Yu Shenglin, J aralığında FMCW radarının doğruluğunu artırmak için spektrum maksimum değer tahmin algoritması Bilgisayar Teknolojisi ve Geliştirme, 2009,19 (4): 73-79.
[10] Wang Kun, Radarda Aralıklı FM Sürekli Dalga Radarının Algoritması Üzerine Araştırma D Tianjin: Hebei Teknoloji Üniversitesi, 2013.
[11] Han Hui, Leng Jianwei, FMCW radar seviye sisteminin An Fei Algoritma tasarımı J. Journal of Tianjin University of Technology, 2011, 27 (4): 27-31.
[12] Zhu Kai, Qin Yiwei, Xu Jianzhong, et al. J aralığında FMCW'nin doğruluğunu artırmak için dört şema ve performans analizi. Radyo Mühendisliği, 2015, 45 (1): 20-25.
[13] Tan Xiaoheng, Zhou Shuai, Huang Zhenlin. 24 GHz LFMCW radar aralığı metodu dalgacık paketi J on. Sistem Mühendisliği ve Elektronik Teknolojisi, 2013, 35 (3): 522-526.
[14] Chen Jing Dijital sinyal işlemede pencereli ve enterpolasyonlu FFT algoritması üzerine araştırma J Heilongjiang Science, 2013, 4 (4): 40-42.
