一种多目标背景下的水位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种多目标背景下的水位测量方法，包括步骤：雷达水位计发射天线以固定周期发射一组调频连续波信号；三个接收天线接收采样后的第一锯齿波回波信号和第二锯齿波回波信号；将信号处理得到离散傅里叶频谱；在频谱上用CFAR算法检测出局部幅值最大的m个目标的谱线位置，求解m个目标的四元组属性值；通过若干周期的测量，得到若干周期的检测得到目标的四元组属性值；将目标分类，并根据预设规则选择类内的目标类为待定目标类，将距离均值最小的目标类判定为水面目标。本发明专利技术可准确识别出水体目标，排除干扰目标的影响，提高水位测量的准确性，降低对雷达水位计的安装要求。降低对雷达水位计的安装要求。降低对雷达水位计的安装要求。

【技术实现步骤摘要】
一种多目标背景下的水位测量方法


[0001]本专利技术属于水位测量
，尤其涉及一种多目标背景下的水位测量方法。

技术介绍

[0002]目前市面上的调频连续波体制雷达水位计和脉冲体制雷达水位计都是单个发射天线，单个接收天线或者收发共用一个天线的形式，只能获取目标的距离和回波强度信息。当雷达水位计波束照射范围内存在如建筑物边壁、凸台等人造物，树木、水草等自然物甚至行船等移动目标时，雷达回波中存在多目标干扰。现有的解决措施有：在自然河道和渠道场景下，通过加长雷达水位计的横臂安装支架，将雷达水位计安装位置尽量远离河岸，伸入水体区域，减小雷达波照射边壁、树木和水草的几率，这种安装方式无疑会增加水位监测设施的土建成本，且依然无法排除行船等动目标的干扰，容易出现水位跳变；在城市地下排水管网窨井水位监测场景下，通过外壳结构设计(如透镜天线结构)以减小雷达水位计的波束照射范围，或者将水位计安装在窨井正中心位置，以减小井边壁及金属踏步的反射，这种安装方式对现场安装的要求高，且会阻碍后期工人下井进行管道清淤等工作。因此，现有的雷达水位计测量方法难以实现多目标背景下的水体目标的正确识别，以及高精度、稳定准确的水位测量要求。
[0003]另外，现有的提高雷达水位测量精度的方法主要有：在回波的频率域，利用频谱差值法对目标频率进行细化处理，以提高目标空高和水位测量的精度。在多目标存在的情况下，该方法的计算效率和实时处理能力有待提升。

技术实现思路

[0004]为简化水位测量的计算方法，提高计算效率，增强多目标背景下水体目标的检测识别能力，提高水位测量准确度和稳定性，本专利技术提出了一种多目标背景下的水位测量方法。
[0005]本专利技术公开的一种多目标背景下的水位测量方法，使用雷达水位计测量水位，所述雷达水位计包括一个单阵元发射天线TX和三个单阵元接收天线RX1、RX2和RX3，所述水位测量方法包括以下步骤：
[0006]雷达水位计通过发射天线TX以固定周期T
frame
发射一组调频连续波信号，每组调频连续波由第一锯齿波S1和第二锯齿波S2组成，两段锯齿波间隔T
shape
时间发射；
[0007]三个接收天线接收采样后的第一锯齿波回波信号S
1RX1
(n)，S
1RX2
(n)，S
1RX3
(n)和第二锯齿波回波信号S
2RX1
(n)，S
2RX2
(n)，S
2RX3
(n)，n∈[1,N]；将S
1RX1
(n)，S
1RX2
(n)，S
1RX3
(n)和S
2RX3
(n)加N点汉明窗后，做N点离散傅里叶变换后，得到离散傅里叶频谱和其中M
i
(k)和为第i个频谱在谱线位置k的频谱幅值和相角，k∈[1,N]；
[0008]在S
1RX3
(n)的频谱上用CFAR算法在k∈[1,N/2]范围内检测出局部幅值最大的m个目标的谱线位置k1、k2、...、k
m
，求解所述m个目标的四元组属性值；
[0009]通过若干周期T
frame
的测量，得到若干周期T
frame
的所述m个目标的四元组属性值；
[0010]将所述若干目标分类，并根据预设规则选择类内的目标类为待定目标类，将距离均值最小的目标类判定为水面目标。
[0011]进一步的，所述三个接收天线两两构成正交关系，且天线阵元中心间距D
i
相等，间距小于等于雷达发射信号波长的一半，定义三个接收天线的中心点为原点O，RX2和RX3中心点连线方向为Y轴，RX1和RX3中心点连线方向为X轴，建立参考直角坐标系。
[0012]进一步的，所述目标的四元组属性为(r,θ,ρ,v)，若目标W在第一平面上的投影点为W'，在第二平面上的投影点为W"，OZ为雷达中心点到水平面的垂线，则θ为OW'与OZ的夹角，ρ为OW"与OZ的夹角，r为雷达中心点O到目标W的距离，v为目标W在OW径向上的相对速度，所述第一平面和第二平面互相垂直，并分别和水平面垂直。
[0013]进一步的，单段锯齿波形状的调频连续波发射时起始频率为f0，结束频率为f1，带宽为B
W
，发射时间为T
p
，且T
p
<T
shape
，其余时间段雷达不工作。
[0014]进一步的，所述求解m个目标的四元组属性值包括以下步骤：
[0015]对于第i个目标，1<＝i<＝m，
[0016]步骤一：在S
1RX3
(n)的频谱谱线k
i
的相邻两条谱线k
i
‑
1和k
i
+1中找到幅值最大的谱线，假设谱线幅值M3(k
i
)<M3(k
i
+1)，则以谱线k
i
和k
i
+1的频谱幅值M3(k
i
)和M3(k
i
+1)进行步骤二计算；
[0017]步骤二：计算目标i的距离r
i
为：
[0018][0019]其中c为电磁波在真空中的传播速度，a为系数，Bw为带宽；
[0020]步骤三：计算目标i的角度参量(θ
i
,ρ
i
)：
[0021][0022][0023]其中λ0＝c/f0，为FMCW起始扫频频率f0对应的波长；为接收天线RX1和RX3的回波信号频谱在谱线k
i
处的相位差，计算方法如下：
[0024][0025]为接收天线RX2和RX3的回波信号频谱在谱线k
i
处的相位差，计算方法如下：
[0026][0027]步骤四：计算目标i的径向相对速度v
i
：
[0028]根据所述系数a，先求取目标i在频谱和中对应频率k＝(k
i
‑
1+a)处的相角和
[0029][0030][0031]再求目标i的径向相对速度v
i
：
[0032][0033]其中
[0034]v
i
为正数时，表示目标i的运动方向靠近雷达水位计；v
i
为负数时，表示目标i的运动方向远离雷达水位计；T
shape
是决定目标的径向速度的测量范围的参数；
[0035]重复上述步骤一至步骤四过程，得到当前frame雷达数据检测到的其余目标的四元组属性值。
[0036]进一步的，所述系数a的计算公式为：
[0037][0038]其中p0,p1,p2,p3为预设的系数，M3(k
i
)和M3(k
i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多目标背景下的水位测量方法，使用雷达水位计测量水位，其特征在于，所述雷达水位计包括一个单阵元发射天线TX和三个单阵元接收天线RX1、RX2和RX3，所述水位测量方法包括以下步骤：雷达水位计通过发射天线TX以固定周期T
frame
发射一组调频连续波信号，每组调频连续波由第一锯齿波S1和第二锯齿波S2组成，两段锯齿波间隔T
shape
时间发射；三个接收天线接收采样后的第一锯齿波回波信号S
1RX1
(n)，S
1RX2
(n)，S
1RX3
(n)和第二锯齿波回波信号S
2RX1
(n)，S
2RX2
(n)，S
2RX3
(n)，n∈[1,N]；将S
1RX1
(n)，S
1RX2
(n)，S
1RX3
(n)和S
2RX3
(n)加N点汉明窗，做N点离散傅里叶变换后，得到离散傅里叶频谱和其中M
i
(k)和为第i个频谱在谱线位置k的频谱幅值和相角，k∈[1,N]；在S
1RX3
(n)的频谱上用CFAR算法在k∈[1,N/2]范围内检测出局部幅值最大的m个目标的谱线位置k1、k2、...、k
m
，求解所述m个目标的四元组属性值；通过若干周期T
frame
的测量，得到若干周期T
frame
的所述m个目标的四元组属性值；将所述若干目标分类，并根据预设规则选择类内的目标类为待定目标类，将距离均值最小的目标类判定为水面目标。2.根据权利要求1所述的多目标背景下的水位测量方法，其特征在于，所述三个接收天线两两构成正交关系，且天线阵元中心间距D
i
相等，间距小于等于雷达发射信号波长的一半，定义三个接收天线的中心点为原点O，RX2和RX3中心点连线方向为Y轴，RX1和RX3中心点连线方向为X轴，建立参考直角坐标系。3.根据权利要求2所述的多目标背景下的水位测量方法，其特征在于，所述目标的四元组属性为(r,θ,ρ,v)，若目标W在第一平面上的投影点为W'，在第二平面上的投影点为W"，OZ为雷达中心点到水平面的垂线，则θ为OW'与OZ的夹角，ρ为OW"与OZ的夹角，r为雷达中心点O到目标W的距离，v为目标W在OW径向上的相对速度，所述第一平面和第二平面互相垂直，并分别和水平面垂直。4.根据权利要求2所述的多目标背景下的水位测量方法，其特征在于，单段锯齿波形状的调频连续波发射时起始频率为f0，结束频率为f1，带宽为B
W
，发射时间为T
p
，且T
p
<T
shape
，其余时间段雷达不工作。5.根据权利要求2所述的多目标背景下的水位测量方法，其特征在于，所述求解m个目标的四元组属性值包括以下步骤：对于第i个目标，1<＝i<＝m，步骤一：在S
1RX3
(n)的频谱谱线k
i
的相邻两条谱线k
i
‑
1和k
i
+1中找到幅值最大的谱线，假设谱线幅值M3(k
i
)<M3(k
i

【专利技术属性】
技术研发人员：朱世平，陈德莉，袁开见，
申请(专利权)人：无锡航征科技有限公司，
类型：发明
国别省市：