专利名称：线性调频雷达物位计非线性进化校正方法
技术领域：
本发明线性调频雷达物位计非线性进化校正方法属于信号处理和自动测量技术领域，具体来说是一种利用频谱分析提取特征信息，采用进化计算的原理解决线性调频雷达调频非线性的问题。
二、技术背景线性连续调频雷达物位计在料位测量中具有非接触、分辨率高，介质适应性广的优点，广泛应用于各种物位测量。由于线性连续波调频雷达中使用的压控振荡器具有本质的非线性，在采用完全线性的电压进行频率调制时，会使最终输出的频率信号呈现非线性特性，由于存在频率偏移，混频后的差拍信号不是理想线性调频信号情况下的单频信号，频谱将被展宽，从而导致LFMCW雷达料位计分辨率降低，同时还会导致FFT频谱分析后信噪比的下降，影响最终的计算精度。为了消除非线性，一般采用2种方法开环校正和闭环校正。开环校正是预先测量VCO的电压频率关系，存储在存储器中，实际使用时按预先存储的数字量由D/A转换器进行扫频电压的输出。或者是利用电位器和放大器构成多段的非线性校正的硬件电路，进行硬件校正，这两种种方法的缺点是每个VCO的特性均不相同，在生产调试过程中工作量很大，不易批量化生产。实际使用过程中受温度影响也很大，难以保证测量精度。闭环校正的方法是采用频率或相位的测量方法求出对应电压下的频率，然后对产生控制电压的数字量进行修正，以获取满意的线性度，这将增大硬件成本和软件的工作量。
为了解决这个问题，人们采用直接数字合成和数字锁相环的方法对所需要的信号进行数字合成，但由于以下原因不能投入实际的应用。首先采用直接数字合成的方法目前还达不到料位雷达工作的X波段，只能采用倍频或上变频的方法，这种方法一是成本过高，系统复杂，二是经过倍频产生的微波信号有很多谐波分量，相位噪声大，会对测量结果产生负面的影响。此外，利用锁相环改变频率时需要一个过渡过程，因此其频率转换时间较长，而不能满足线性调频波雷达的高速扫频特性的要求。
发明内容
本发明线性调频雷达物位计非线性进化校正方法目的在于提供一种简便和无须增加任何硬件的调频线性度的校正方法，解决目前线性度校正比较难和比较复杂的问题，解决由于调频非线性对测量精度带来的影响的问题，提供一种便于生产和调试的雷达物位计。
本发明LFMCW雷达物位计压控振荡器的线性度进化校正方法，其特征在于利用进化原理对压控振荡器的调频非线性进行校正，I.采用一种新的基于进化方法对压控振荡器频率非线性进行闭环校正原理；II.利用调频电压曲线的非线性来弥补压控振荡器的非线性，将调频电压曲线分为若干段，对每段端点坐标划分一定的变化区域，采用进化原理求取对应最佳调频线性度的端点坐标，将各端点连接即可形成扫频电压曲线；III.采用基于差频信号频谱特征分析的方法进行校正，无须测量高频微波信号的频率或相位，现有雷达物位计不需要增加任何新的硬件设备即可进行校正，或者在微波单元增加一个延迟器即可实现在线自校正；IV.可采用重叠分析的方法获得更高的校正线性度；具体来讲，本发明LFMCW雷达物位计压控振荡器的线性度进化校正方法的硬件基础主要包括数字信号处理单元和微波单元[结构详见图1]，数字信号处理单元由键盘显示通信接口模块1、D/A转换器2、数字信号处理器3、缓冲放大器4、存储器5、滤波器12、数字程控增益放大器13和高速A/D转换器14组成，微波单元由压控振荡器6、耦合器7、天线9、环行器10和混频器11组成，数字信号处理器3输出数字量信号给D/A转换器2，转换成电压信号，经过缓冲放大器4形成微波单元的压控振荡器6的控制电压，激励压控振荡器6产生微波调频信号，微波调频信号经过耦合器7后经环行器10由天线9发射出去，耦合器7同时耦合出的信号作为参考信号送到混频器11，目标物体8反射回波经天线9接收，经环行器10后也传送到混频器11与参考信号混频，混频后的信号通过低通滤波器12后形成差频信号，差频信号通过数字程控增益放大器13后由高速A/D转换器14采样，转换成数字序列由数字信号处理器3读取，在存储器5中存储，数字信号处理器3对采样数字序列进行FFT或小波运算和分析，提取出代表非线性的特征量；压控振荡器存在本质的非线性[见图3]，图3中理想的调频发射信号18和理想的回波信号20混频后是点频信号，实际的调频发射信号17具有非线性特性，实际回波信号19也具有非线性特性，二者相混频后将会使频谱混叠，使测量的分辨率降低或无法分辨具体的目标物体的位置，图4中谱峰21是对应具体的物位，在相邻很近的位置存在两个峰值点22和23，有可能导致无法分辨具体的物料位置，这是在实验室测量的一种比较好的情况，实际测量过程中将会更加严重，图5是采用本发明的方法对线性度进行校正后的频谱，除代表物位的谱峰24以外，其它的成份得到有效抑制，VCO的相位噪声和非线性所带来的影响得到消除，本发明线性调频雷达物位计压控振荡器的非线性进化校正方法采用基于进化方法的原理对调频电压曲线进行分段线性校正，具体的做法是，将调频电压曲线分成若干段，图6中将调频曲线分成六段，分别为线段25、线段26、线段27、线段28、线段29、线段30，共有七个端点，分别为起始点31、终点37和分配有可变区域的中间可变端点32、33、34、35、36，起始点31和终点37为固定不变的点，连接各端点形成一条非线性的调频电压曲线，对压控振荡器的非线性进行补偿，每段的端点采用进化的方法获取，通过对FFT或小波运算后的频谱进行分析，获得代表非线性和干扰信息的特征量，图4中的谱峰21对应具体的物位，是测量过程中需要的，而另外两个峰值点22和23是由VCO的相位噪声和非线性造成的，需要得到抑制，可选择谱峰与谱峰两侧一定范围内几个峰值商的和作为评价非线性所造成影响的评价函数，通过进化方法使该函数达到一定的数值，即可有效抑制压控振荡器的相位噪声和调频非线性造成的影响，例如可选图4中谱峰21的数值与谱峰22、23数值的商的和作为评价函数，对进化校正效果的评价，进化校正的方法详见图9，图9中校正过程开始后的第一个子过程43用来在各中间可变端点变化区域内随机产生中间可变端点坐标的编码群体，编码可采用二进制编码或其它编码形式，编码的位数可根据需要确定，群体中个体的数量为N，种群的数量根据需要确定，个体中变量的数量为M，由曲线分段的数量决定，其后的子过程44将循环变量清零，子过程45将个体中曲线的各端点的编码值转换成坐标值，子过程46将起始点、各中间可变端点、终止点连在一起，生成扫频电压曲线，该曲线实际上是一个数字量序列，子过程47通过D/A转换器2将数字量序列以预定的速率连续输出，产生对压控振荡器6的扫频电压曲线，控制压控振荡器6输出微波调频信号，经过耦合器7、环行器10、天线9发射到一个平面金属薄板，天线9接收的反射回波信号经环行器10进入混频器11和通过耦合器7耦合出来的参考频率信号进行混频，产生的混频信号经过滤波器12后形成差频信号，经过数字程控增益放大器13放大或衰减后，在子过程48中由高速A/D转换器14进行采样量化形成差频信号的数字序列，在子过程49中数字信号处理器3对采样的数字序列进行FFT运算或小波分析，得到频谱曲线，进行曲线的特征量提取，其后的子过程50用来计算这条扫频电压曲线的性能评价函数，子过程51判断评价函数是否满足预定的要求，若满足要求则由子过程52保存结果，结束校正过程，否则子过程53、54对循环变量进行递增和判断，确保编码群体中每个个体所代表的曲线都能被测试和评价，在初始群体测试和评价完成后由进化计算子过程55进行进化计算，所产生的结果群体重复进行上述的测试和评价过程，图7中的粗线扫频电压曲线38表示了经过校正后的扫频电压曲线，可以看出扫频电压曲线38已经是非线性的，通过扫频电压曲线38的非线性来修正压控振荡器的非线性获得高线性度的微波调频信号，需要说明的是子过程55中可以采用遗传算法，或其它的进化算法诸如思维进化、进化规划、免疫进化方法等，同时评价函数的选择也是多样化的，本发明中对调频电压曲线分了6段，采用其它数量的分段也是可行的，分段越多校正效果也会好，提高A/D转换的采样速率，得到超过FFT点数的采样序列，采用对原始的采样序列进行重叠FFT运算，获得单一扫频曲线的多个频谱，图8详细表示了对原始采样序列进行重叠分段思想，例如可分为相互重叠序列长度相同的39、40、41、42数据段，对每一段进行FFT运算，综合多个频谱上的特征量进行评价，可以获得线性度更高的校正结果，但是会带来运算量的增加。
本发明优点主要用于工矿企业的各种物位的测量以及可以用于一些距离测量场合。线性调频线性度的校正依靠物位计本身即可进行，无须外部测量设备和仪器，校正方式和算法简单，校正后线性度高；仪器的造价低，生产和调试简单，提高生产效率；测量精度高、误差小、抗干扰能力强、适应恶劣工业环境，稳定可靠。
四
图1是本发明实现形式1的结构2是本发明形式2的结构3是压控振荡器的非线性特性图4校正前的频谱图5校正后的频谱图6扫频电压曲线的分段图7校正后扫频电压曲线图8原始采样序列的重叠分段图9线性化校正流程10进化结果对应的扫频电压曲线图中标号1、 显示键盘通信接口 2、 高速D/A转换器3、 数字信号处理器4、 缓冲放大器5、 存储器6、 压控振荡器7、 耦合器8、 目标物体或金属平板9、 天线 10、 环形器11、 混频器12、 低通滤波器13、 数字程控增益放大器14、 高速A/D转换器15、 微波延迟线16、 微波开关17、 实际发射的非线性信号 18、 理想的线性发射信号19、 实际接收的回波非线性信号 20、 理想的回波信号21、 频谱曲线中的目标峰值 22、 由调频非线性产生的干扰峰值23、 由调频非线性产生的干扰峰值24、 进化线性校正后的单一峰值25、 扫频电压曲线分段1 26、 扫频电压曲线分段227、 扫频电压曲线分段3 28、 扫频电压曲线分段429、 扫频电压曲线分段5 30、 扫频电压曲线分段631、 扫频电压曲线起始点32、 扫频电压曲线中间可变端点1及其变化区域33、 扫频电压曲线中间可变端点2 34、 扫频电压曲线中间可变端点3及其及其变化区域变化区域35、 扫频电压曲线中间可变端点4 36、 扫频电压曲线中间可变端点5及其及其变化区域变化区域37、 扫频电压曲线终止点38、 校正后的扫频电压曲线
39、 原始采样序列重叠分段1 40、 原始采样序列重叠分段241、 原始采样序列重叠分段3 42、 原始采样序列重叠分段443、 产生端点坐标的编码群体44、 循环变量清零45、 个体中端点编码值转换成端点46、 连接端点生成扫频曲线的坐标值47、 输出扫频电压曲线 48、 获得差频信号采样数字序列49、 进行频谱计算并提取频谱特征50、 计算扫频电压曲线的性能量51、 判断线性度是否达到要求52、 保存校正结果53、 循环变量递增 54、 判断对群体中各个体是否评价完成55、 对群体进行进化计算五具体实施方式
实施方式1如图1所示，校正时，在雷达物位计前垂直于天线轴向位置放置一金属平板，雷达物位计和金属平板之间的距离可进行初步测量输入到雷达物位计的有关参数中，作为参考，可加快校正过程，数字信号处理器3输出数字量信号给D/A转换器2，转换成电压信号，经过缓冲放大器4形成微波单元的压控振荡器6的控制电压，激励压控振荡器6产生微波调频信号，微波调频信号经过耦合器7后经环行器10由天线9发射出去，耦合器7同时耦合出的信号作为参考信号送到混频器11，目标物体8反射回波经天线9接收，经环行器10后也传送到混频器11与参考信号混频，混频后的信号通过低通滤波器12后形成差频信号，差频信号通过数字程控增益放大器13后由高速A/D转换器14采样，转换成数字序列由数字信号处理器3读取，在存储器5中存储，数字信号处理器3对采样数字序列进行FFT运算和分析，然后通过键盘输入命令利用本发明进化校正的线性调频雷达物位计的校正方法进行校正，表1给出了一个初始群体的示例，按6段分段的5个中间可变端点X坐标和Y坐标的初始种群二进制编码的16位整形值，个体数量N＝35，个体中变量数量M＝10，表2给出了进化计算后得到的5个中间可变端点X、Y坐标的编码值和经过换算后的坐标值，以及起始点坐标(0，0)和终点坐标(13383，13383)。图10是将各端点坐标连接生成的控制扫频电压的数字量序表1 初始种群示例
列曲线。将该扫频曲线通过D/A转换器2输出，即可获得线性的调频频率。校正结束后即可进入正常的测量方式，安装到现场。因此，采用本发明的方法在现场进行校正也是很方便的。正常使用时，计算得到真实的料位信号，经由显示键盘通讯接口单元1利用显示的方式，或通过电流输出给外部的显示仪表，或是通过通信接口与外部的显示仪表进行通信，传输数据；表2 校正结果
实施方式2如图2所示，在进化校正的线性调频雷达物位计内部增加了微波延迟线15和微波开关16，微波延迟线15对微波产生一定的迟延，可模拟固定距离的目标信号，因此可实现在线自校正。数字信号处理器3输出数字量信号给D/A转换器2，转换成电压信号，经过缓冲放大器4形成微波单元的压控振荡器6的控制电压，激励压控振荡器6产生调频信号，调频信号经过耦合器7后经环行器10由天线9发射出去，耦合器同时耦合出两路信号，一路作为参考信号送到混频器11，另一路经延迟线15产生固定延迟后送到微波开关16，经天线9接收的目标反射信号经环行器11后也传送到微波开关16，微波开关16受数字信号处理器3的控制，对经延迟线15的微波信号和经环行器10来的信号进行选择，允许其中一个通过，通过微波开关16的信号在混频器11与参考信号混频，混频后的信号通过低通滤波器12后形成差频信号，差频信号通过数字程控增益放大器13后由高速A/D转换器14采样，转换成数字序列由数字信号处理器3读取，在存储器5中存储，校正时，将微波开关切换到允许延迟线15的微波信号通过的状态，即可采用本发明的方法进行校正，正常测量时将微波开关切换到允许环行器10的微波信号通过的状态，数字信号处理器3对采样数字序列进行FFT运算和分析，计算得到真实的料位信号后，经由显示键盘通讯接口单元1利用显示的方式，或通过电流输出给外部的显示仪表，或是通过通信接口与外部的显示仪表进行通信，传输数据。
权利要求
1.一种线性调频雷达物位计非线性进化校正方法，利用进化原理对压控振荡器的调频非线性进行校正，其特征在于I.采用一种新的基于进化方法对压控振荡器频率非线性进行闭环校正原理；II.利用调频电压曲线的非线性来弥补压控振荡器的非线性，将调频电压曲线分为若干段，对每段端点坐标划分一定的变化区域，采用进化原理求取对应最佳调频线性度的端点坐标，将各端点连接即可形成扫频电压曲线；III.采用基于差频信号频谱特征分析的方法进行校正，无须测量高频微波信号的频率或相位，现有雷达物位计不需要增加任何新的硬件设备即可进行校正，或者在微波单元增加一个延迟器即可实现在线自校正；IV.可采用重叠分析的方法获得更高的校正线性度。
全文摘要
本发明线性调频雷达物位计非线性进化校正方法，属于信号处理和自动测量技术领域，对控制压控振荡器的扫频电压曲线进行分段，利用频谱分析提取特征信息，采用进化计算的原理得出分段曲线的端点坐标，形成非线性的扫频曲线来补偿压控振荡器的非线性，无须测量高频微波信号的频率或相位即可产生高线性度的线性调频信号，解决线性调频雷达调频非线性的问题，确保了测量精度，适用于各种物位的测量，而且不需要增加特殊的用于线性度校正的电路，成本低。
文档编号G01F23/22GK1632474SQ20041009244
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者谢克明, 阎高伟, 谢刚, 夏路易 申请人:太原理工大学