專利名稱：線性調(diào)頻雷達物位計非線性進化校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明線性調(diào)頻雷達物位計非線性進化校正方法屬于信號處理和自動測量技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種利用頻譜分析提取特征信息，采用進化計算的原理解決線性調(diào)頻雷達調(diào)頻非線性的問題。
二、技術(shù)背景線性連續(xù)調(diào)頻雷達物位計在料位測量中具有非接觸、分辨率高，介質(zhì)適應(yīng)性廣的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種物位測量。由于線性連續(xù)波調(diào)頻雷達中使用的壓控振蕩器具有本質(zhì)的非線性，在采用完全線性的電壓進行頻率調(diào)制時，會使最終輸出的頻率信號呈現(xiàn)非線性特性，由于存在頻率偏移，混頻后的差拍信號不是理想線性調(diào)頻信號情況下的單頻信號，頻譜將被展寬，從而導(dǎo)致LFMCW雷達料位計分辨率降低，同時還會導(dǎo)致FFT頻譜分析后信噪比的下降，影響最終的計算精度。為了消除非線性，一般采用2種方法開環(huán)校正和閉環(huán)校正。開環(huán)校正是預(yù)先測量VCO的電壓頻率關(guān)系，存儲在存儲器中，實際使用時按預(yù)先存儲的數(shù)字量由D/A轉(zhuǎn)換器進行掃頻電壓的輸出。或者是利用電位器和放大器構(gòu)成多段的非線性校正的硬件電路，進行硬件校正，這兩種種方法的缺點是每個VCO的特性均不相同，在生產(chǎn)調(diào)試過程中工作量很大，不易批量化生產(chǎn)。實際使用過程中受溫度影響也很大，難以保證測量精度。閉環(huán)校正的方法是采用頻率或相位的測量方法求出對應(yīng)電壓下的頻率，然后對產(chǎn)生控制電壓的數(shù)字量進行修正，以獲取滿意的線性度，這將增大硬件成本和軟件的工作量。
為了解決這個問題，人們采用直接數(shù)字合成和數(shù)字鎖相環(huán)的方法對所需要的信號進行數(shù)字合成，但由于以下原因不能投入實際的應(yīng)用。首先采用直接數(shù)字合成的方法目前還達不到料位雷達工作的X波段，只能采用倍頻或上變頻的方法，這種方法一是成本過高，系統(tǒng)復(fù)雜，二是經(jīng)過倍頻產(chǎn)生的微波信號有很多諧波分量，相位噪聲大，會對測量結(jié)果產(chǎn)生負面的影響。此外，利用鎖相環(huán)改變頻率時需要一個過渡過程，因此其頻率轉(zhuǎn)換時間較長，而不能滿足線性調(diào)頻波雷達的高速掃頻特性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明線性調(diào)頻雷達物位計非線性進化校正方法目的在于提供一種簡便和無須增加任何硬件的調(diào)頻線性度的校正方法，解決目前線性度校正比較難和比較復(fù)雜的問題，解決由于調(diào)頻非線性對測量精度帶來的影響的問題，提供一種便于生產(chǎn)和調(diào)試的雷達物位計。
本發(fā)明LFMCW雷達物位計壓控振蕩器的線性度進化校正方法，其特征在于利用進化原理對壓控振蕩器的調(diào)頻非線性進行校正，I.采用一種新的基于進化方法對壓控振蕩器頻率非線性進行閉環(huán)校正原理；II.利用調(diào)頻電壓曲線的非線性來彌補壓控振蕩器的非線性，將調(diào)頻電壓曲線分為若干段，對每段端點坐標(biāo)劃分一定的變化區(qū)域，采用進化原理求取對應(yīng)最佳調(diào)頻線性度的端點坐標(biāo)，將各端點連接即可形成掃頻電壓曲線；III.采用基于差頻信號頻譜特征分析的方法進行校正，無須測量高頻微波信號的頻率或相位，現(xiàn)有雷達物位計不需要增加任何新的硬件設(shè)備即可進行校正，或者在微波單元增加一個延遲器即可實現(xiàn)在線自校正；IV.可采用重疊分析的方法獲得更高的校正線性度；具體來講，本發(fā)明LFMCW雷達物位計壓控振蕩器的線性度進化校正方法的硬件基礎(chǔ)主要包括數(shù)字信號處理單元和微波單元[結(jié)構(gòu)詳見圖1]，數(shù)字信號處理單元由鍵盤顯示通信接口模塊1、D/A轉(zhuǎn)換器2、數(shù)字信號處理器3、緩沖放大器4、存儲器5、濾波器12、數(shù)字程控增益放大器13和高速A/D轉(zhuǎn)換器14組成，微波單元由壓控振蕩器6、耦合器7、天線9、環(huán)行器10和混頻器11組成，數(shù)字信號處理器3輸出數(shù)字量信號給D/A轉(zhuǎn)換器2，轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過緩沖放大器4形成微波單元的壓控振蕩器6的控制電壓，激勵壓控振蕩器6產(chǎn)生微波調(diào)頻信號，微波調(diào)頻信號經(jīng)過耦合器7后經(jīng)環(huán)行器10由天線9發(fā)射出去，耦合器7同時耦合出的信號作為參考信號送到混頻器11，目標(biāo)物體8反射回波經(jīng)天線9接收，經(jīng)環(huán)行器10后也傳送到混頻器11與參考信號混頻，混頻后的信號通過低通濾波器12后形成差頻信號，差頻信號通過數(shù)字程控增益放大器13后由高速A/D轉(zhuǎn)換器14采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列由數(shù)字信號處理器3讀取，在存儲器5中存儲，數(shù)字信號處理器3對采樣數(shù)字序列進行FFT或小波運算和分析，提取出代表非線性的特征量；壓控振蕩器存在本質(zhì)的非線性[見圖3]，圖3中理想的調(diào)頻發(fā)射信號18和理想的回波信號20混頻后是點頻信號，實際的調(diào)頻發(fā)射信號17具有非線性特性，實際回波信號19也具有非線性特性，二者相混頻后將會使頻譜混疊，使測量的分辨率降低或無法分辨具體的目標(biāo)物體的位置，圖4中譜峰21是對應(yīng)具體的物位，在相鄰很近的位置存在兩個峰值點22和23，有可能導(dǎo)致無法分辨具體的物料位置，這是在實驗室測量的一種比較好的情況，實際測量過程中將會更加嚴(yán)重，圖5是采用本發(fā)明的方法對線性度進行校正后的頻譜，除代表物位的譜峰24以外，其它的成份得到有效抑制，VCO的相位噪聲和非線性所帶來的影響得到消除，本發(fā)明線性調(diào)頻雷達物位計壓控振蕩器的非線性進化校正方法采用基于進化方法的原理對調(diào)頻電壓曲線進行分段線性校正，具體的做法是，將調(diào)頻電壓曲線分成若干段，圖6中將調(diào)頻曲線分成六段，分別為線段25、線段26、線段27、線段28、線段29、線段30，共有七個端點，分別為起始點31、終點37和分配有可變區(qū)域的中間可變端點32、33、34、35、36，起始點31和終點37為固定不變的點，連接各端點形成一條非線性的調(diào)頻電壓曲線，對壓控振蕩器的非線性進行補償，每段的端點采用進化的方法獲取，通過對FFT或小波運算后的頻譜進行分析，獲得代表非線性和干擾信息的特征量，圖4中的譜峰21對應(yīng)具體的物位，是測量過程中需要的，而另外兩個峰值點22和23是由VCO的相位噪聲和非線性造成的，需要得到抑制，可選擇譜峰與譜峰兩側(cè)一定范圍內(nèi)幾個峰值商的和作為評價非線性所造成影響的評價函數(shù)，通過進化方法使該函數(shù)達到一定的數(shù)值，即可有效抑制壓控振蕩器的相位噪聲和調(diào)頻非線性造成的影響，例如可選圖4中譜峰21的數(shù)值與譜峰22、23數(shù)值的商的和作為評價函數(shù)，對進化校正效果的評價，進化校正的方法詳見圖9，圖9中校正過程開始后的第一個子過程43用來在各中間可變端點變化區(qū)域內(nèi)隨機產(chǎn)生中間可變端點坐標(biāo)的編碼群體，編碼可采用二進制編碼或其它編碼形式，編碼的位數(shù)可根據(jù)需要確定，群體中個體的數(shù)量為N，種群的數(shù)量根據(jù)需要確定，個體中變量的數(shù)量為M，由曲線分段的數(shù)量決定，其后的子過程44將循環(huán)變量清零，子過程45將個體中曲線的各端點的編碼值轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)值，子過程46將起始點、各中間可變端點、終止點連在一起，生成掃頻電壓曲線，該曲線實際上是一個數(shù)字量序列，子過程47通過D/A轉(zhuǎn)換器2將數(shù)字量序列以預(yù)定的速率連續(xù)輸出，產(chǎn)生對壓控振蕩器6的掃頻電壓曲線，控制壓控振蕩器6輸出微波調(diào)頻信號，經(jīng)過耦合器7、環(huán)行器10、天線9發(fā)射到一個平面金屬薄板，天線9接收的反射回波信號經(jīng)環(huán)行器10進入混頻器11和通過耦合器7耦合出來的參考頻率信號進行混頻，產(chǎn)生的混頻信號經(jīng)過濾波器12后形成差頻信號，經(jīng)過數(shù)字程控增益放大器13放大或衰減后，在子過程48中由高速A/D轉(zhuǎn)換器14進行采樣量化形成差頻信號的數(shù)字序列，在子過程49中數(shù)字信號處理器3對采樣的數(shù)字序列進行FFT運算或小波分析，得到頻譜曲線，進行曲線的特征量提取，其后的子過程50用來計算這條掃頻電壓曲線的性能評價函數(shù)，子過程51判斷評價函數(shù)是否滿足預(yù)定的要求，若滿足要求則由子過程52保存結(jié)果，結(jié)束校正過程，否則子過程53、54對循環(huán)變量進行遞增和判斷，確保編碼群體中每個個體所代表的曲線都能被測試和評價，在初始群體測試和評價完成后由進化計算子過程55進行進化計算，所產(chǎn)生的結(jié)果群體重復(fù)進行上述的測試和評價過程，圖7中的粗線掃頻電壓曲線38表示了經(jīng)過校正后的掃頻電壓曲線，可以看出掃頻電壓曲線38已經(jīng)是非線性的，通過掃頻電壓曲線38的非線性來修正壓控振蕩器的非線性獲得高線性度的微波調(diào)頻信號，需要說明的是子過程55中可以采用遺傳算法，或其它的進化算法諸如思維進化、進化規(guī)劃、免疫進化方法等，同時評價函數(shù)的選擇也是多樣化的，本發(fā)明中對調(diào)頻電壓曲線分了6段，采用其它數(shù)量的分段也是可行的，分段越多校正效果也會好，提高A/D轉(zhuǎn)換的采樣速率，得到超過FFT點數(shù)的采樣序列，采用對原始的采樣序列進行重疊FFT運算，獲得單一掃頻曲線的多個頻譜，圖8詳細表示了對原始采樣序列進行重疊分段思想，例如可分為相互重疊序列長度相同的39、40、41、42數(shù)據(jù)段，對每一段進行FFT運算，綜合多個頻譜上的特征量進行評價，可以獲得線性度更高的校正結(jié)果，但是會帶來運算量的增加。
本發(fā)明優(yōu)點主要用于工礦企業(yè)的各種物位的測量以及可以用于一些距離測量場合。線性調(diào)頻線性度的校正依靠物位計本身即可進行，無須外部測量設(shè)備和儀器，校正方式和算法簡單，校正后線性度高；儀器的造價低，生產(chǎn)和調(diào)試簡單，提高生產(chǎn)效率；測量精度高、誤差小、抗干擾能力強、適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境，穩(wěn)定可靠。
四

圖1是本發(fā)明實現(xiàn)形式1的結(jié)構(gòu)2是本發(fā)明形式2的結(jié)構(gòu)3是壓控振蕩器的非線性特性圖4校正前的頻譜圖5校正后的頻譜圖6掃頻電壓曲線的分段圖7校正后掃頻電壓曲線圖8原始采樣序列的重疊分段圖9線性化校正流程10進化結(jié)果對應(yīng)的掃頻電壓曲線圖中標(biāo)號1、 顯示鍵盤通信接口 2、 高速D/A轉(zhuǎn)換器3、 數(shù)字信號處理器4、 緩沖放大器5、 存儲器6、 壓控振蕩器7、 耦合器8、 目標(biāo)物體或金屬平板9、 天線 10、 環(huán)形器11、 混頻器12、 低通濾波器13、 數(shù)字程控增益放大器14、 高速A/D轉(zhuǎn)換器15、 微波延遲線16、 微波開關(guān)17、 實際發(fā)射的非線性信號 18、 理想的線性發(fā)射信號19、 實際接收的回波非線性信號 20、 理想的回波信號21、 頻譜曲線中的目標(biāo)峰值 22、 由調(diào)頻非線性產(chǎn)生的干擾峰值23、 由調(diào)頻非線性產(chǎn)生的干擾峰值24、 進化線性校正后的單一峰值25、 掃頻電壓曲線分段1 26、 掃頻電壓曲線分段227、 掃頻電壓曲線分段3 28、 掃頻電壓曲線分段429、 掃頻電壓曲線分段5 30、 掃頻電壓曲線分段631、 掃頻電壓曲線起始點32、 掃頻電壓曲線中間可變端點1及其變化區(qū)域33、 掃頻電壓曲線中間可變端點2 34、 掃頻電壓曲線中間可變端點3及其及其變化區(qū)域變化區(qū)域35、 掃頻電壓曲線中間可變端點4 36、 掃頻電壓曲線中間可變端點5及其及其變化區(qū)域變化區(qū)域37、 掃頻電壓曲線終止點38、 校正后的掃頻電壓曲線
39、 原始采樣序列重疊分段1 40、 原始采樣序列重疊分段241、 原始采樣序列重疊分段3 42、 原始采樣序列重疊分段443、 產(chǎn)生端點坐標(biāo)的編碼群體44、 循環(huán)變量清零45、 個體中端點編碼值轉(zhuǎn)換成端點46、 連接端點生成掃頻曲線的坐標(biāo)值47、 輸出掃頻電壓曲線 48、 獲得差頻信號采樣數(shù)字序列49、 進行頻譜計算并提取頻譜特征50、 計算掃頻電壓曲線的性能量51、 判斷線性度是否達到要求52、 保存校正結(jié)果53、 循環(huán)變量遞增 54、 判斷對群體中各個體是否評價完成55、 對群體進行進化計算五具體實施方式
實施方式1如圖1所示，校正時，在雷達物位計前垂直于天線軸向位置放置一金屬平板，雷達物位計和金屬平板之間的距離可進行初步測量輸入到雷達物位計的有關(guān)參數(shù)中，作為參考，可加快校正過程，數(shù)字信號處理器3輸出數(shù)字量信號給D/A轉(zhuǎn)換器2，轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過緩沖放大器4形成微波單元的壓控振蕩器6的控制電壓，激勵壓控振蕩器6產(chǎn)生微波調(diào)頻信號，微波調(diào)頻信號經(jīng)過耦合器7后經(jīng)環(huán)行器10由天線9發(fā)射出去，耦合器7同時耦合出的信號作為參考信號送到混頻器11，目標(biāo)物體8反射回波經(jīng)天線9接收，經(jīng)環(huán)行器10后也傳送到混頻器11與參考信號混頻，混頻后的信號通過低通濾波器12后形成差頻信號，差頻信號通過數(shù)字程控增益放大器13后由高速A/D轉(zhuǎn)換器14采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列由數(shù)字信號處理器3讀取，在存儲器5中存儲，數(shù)字信號處理器3對采樣數(shù)字序列進行FFT運算和分析，然后通過鍵盤輸入命令利用本發(fā)明進化校正的線性調(diào)頻雷達物位計的校正方法進行校正，表1給出了一個初始群體的示例，按6段分段的5個中間可變端點X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的初始種群二進制編碼的16位整形值，個體數(shù)量N＝35，個體中變量數(shù)量M＝10，表2給出了進化計算后得到的5個中間可變端點X、Y坐標(biāo)的編碼值和經(jīng)過換算后的坐標(biāo)值，以及起始點坐標(biāo)(0，0)和終點坐標(biāo)(13383，13383)。圖10是將各端點坐標(biāo)連接生成的控制掃頻電壓的數(shù)字量序表1 初始種群示例

列曲線。將該掃頻曲線通過D/A轉(zhuǎn)換器2輸出，即可獲得線性的調(diào)頻頻率。校正結(jié)束后即可進入正常的測量方式，安裝到現(xiàn)場。因此，采用本發(fā)明的方法在現(xiàn)場進行校正也是很方便的。正常使用時，計算得到真實的料位信號，經(jīng)由顯示鍵盤通訊接口單元1利用顯示的方式，或通過電流輸出給外部的顯示儀表，或是通過通信接口與外部的顯示儀表進行通信，傳輸數(shù)據(jù)；表2 校正結(jié)果

實施方式2如圖2所示，在進化校正的線性調(diào)頻雷達物位計內(nèi)部增加了微波延遲線15和微波開關(guān)16，微波延遲線15對微波產(chǎn)生一定的遲延，可模擬固定距離的目標(biāo)信號，因此可實現(xiàn)在線自校正。數(shù)字信號處理器3輸出數(shù)字量信號給D/A轉(zhuǎn)換器2，轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過緩沖放大器4形成微波單元的壓控振蕩器6的控制電壓，激勵壓控振蕩器6產(chǎn)生調(diào)頻信號，調(diào)頻信號經(jīng)過耦合器7后經(jīng)環(huán)行器10由天線9發(fā)射出去，耦合器同時耦合出兩路信號，一路作為參考信號送到混頻器11，另一路經(jīng)延遲線15產(chǎn)生固定延遲后送到微波開關(guān)16，經(jīng)天線9接收的目標(biāo)反射信號經(jīng)環(huán)行器11后也傳送到微波開關(guān)16，微波開關(guān)16受數(shù)字信號處理器3的控制，對經(jīng)延遲線15的微波信號和經(jīng)環(huán)行器10來的信號進行選擇，允許其中一個通過，通過微波開關(guān)16的信號在混頻器11與參考信號混頻，混頻后的信號通過低通濾波器12后形成差頻信號，差頻信號通過數(shù)字程控增益放大器13后由高速A/D轉(zhuǎn)換器14采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列由數(shù)字信號處理器3讀取，在存儲器5中存儲，校正時，將微波開關(guān)切換到允許延遲線15的微波信號通過的狀態(tài)，即可采用本發(fā)明的方法進行校正，正常測量時將微波開關(guān)切換到允許環(huán)行器10的微波信號通過的狀態(tài)，數(shù)字信號處理器3對采樣數(shù)字序列進行FFT運算和分析，計算得到真實的料位信號后，經(jīng)由顯示鍵盤通訊接口單元1利用顯示的方式，或通過電流輸出給外部的顯示儀表，或是通過通信接口與外部的顯示儀表進行通信，傳輸數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種線性調(diào)頻雷達物位計非線性進化校正方法，利用進化原理對壓控振蕩器的調(diào)頻非線性進行校正，其特征在于I.采用一種新的基于進化方法對壓控振蕩器頻率非線性進行閉環(huán)校正原理；II.利用調(diào)頻電壓曲線的非線性來彌補壓控振蕩器的非線性，將調(diào)頻電壓曲線分為若干段，對每段端點坐標(biāo)劃分一定的變化區(qū)域，采用進化原理求取對應(yīng)最佳調(diào)頻線性度的端點坐標(biāo)，將各端點連接即可形成掃頻電壓曲線；III.采用基于差頻信號頻譜特征分析的方法進行校正，無須測量高頻微波信號的頻率或相位，現(xiàn)有雷達物位計不需要增加任何新的硬件設(shè)備即可進行校正，或者在微波單元增加一個延遲器即可實現(xiàn)在線自校正；IV.可采用重疊分析的方法獲得更高的校正線性度。
全文摘要
本發(fā)明線性調(diào)頻雷達物位計非線性進化校正方法，屬于信號處理和自動測量技術(shù)領(lǐng)域，對控制壓控振蕩器的掃頻電壓曲線進行分段，利用頻譜分析提取特征信息，采用進化計算的原理得出分段曲線的端點坐標(biāo)，形成非線性的掃頻曲線來補償壓控振蕩器的非線性，無須測量高頻微波信號的頻率或相位即可產(chǎn)生高線性度的線性調(diào)頻信號，解決線性調(diào)頻雷達調(diào)頻非線性的問題，確保了測量精度，適用于各種物位的測量，而且不需要增加特殊的用于線性度校正的電路，成本低。
文檔編號G01F23/22GK1632474SQ20041009244
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者謝克明, 閻高偉, 謝剛, 夏路易 申請人:太原理工大學(xué)