线性调频雷达物位计非线性进化校正方法 一、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地输出。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。
三、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、附图说明
图1是本发明实现形式1的结构图
图2是本发明形式2的结构图
图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线性化校正流程图
图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2
27、 扫频电压曲线分段3 28、 扫频电压曲线分段4
29、 扫频电压曲线分段5 30、 扫频电压曲线分段6
31、 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2
41、 原始采样序列重叠分段3 42、 原始采样序列重叠分段4
43、 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 序号 可变端点1 可变端点2 可变端点3 可变端点4 可变端点5 X1’ Y1’ X2’ Y2’ X3’ Y3’ X4’ Y4’ X5’ Y5’ 1 16838 5202 26703 2750 28528 21293 1696 19975 413 23236 2 5758 9171 6270 879 23363 29441 18585 10519 26281 7254 3 10113 4434 13870 30989 21087 19484 13455 21472 12389 11688 4 17515 28317 11529 30134 19052 12759 92 19641 11357 5003 5 31051 24582 27499 29752 31235 15400 18288 9349 4887 32203 6 5627 6815 4500 28364 15109 6211 31755 23391 17532 8788 7 23010 4586 8607 4880 17075 4144 29167 30563 1555 23915 8 7419 9653 5808 5629 11755 15335 27412 22184 12299 1199 9 16212 26306 15725 2235 10675 22704 25030 19958 9490 13424 10 4086 7174 12457 21332 288 32520 31717 41 26460 24408 11 2749 18451 16542 24145 32053 23789 24842 27666 24911 6490 12 12767 23448 16474 3356 14157 32121 28572 23363 14183 27655 13 9084 6473 11531 5243 5758 21913 26393 25344 22704 21593 14 12060 32434 17222 3079 5222 23571 27828 2410 17412 13310 15 32225 8193 3952 3988 17488 12369 11805 28635 20961 3072 16 17543 14110 17024 807 18945 2770 3660 1006 20382 12038 17 25089 24748 19894 24979 10294 1594 5838 20068 3608 5087 18 21183 28210 24015 31357 11200 887 9046 26660 5811 1697 19 25137 29320 18247 914 5171 18093 18182 20562 7168 23526 20 25566 32049 11276 21187 14305 32317 23772 29323 20794 7448 21 26966 12956 26278 3540 7951 11188 12354 13764 12286 17497 22 4978 14162 19365 14022 6601 27640 15377 21307 13771 15802 23 20495 4166 8746 10149 23608 4295 14885 7773 27844 19649 24 10311 14997 21976 609 7214 12490 22759 10683 6684 30555 25 11367 7793 18092 29009 6377 25859 22934 9013 11255 25891 26 30054 32310 25851 24833 13865 3106 1903 8216 29227 1020 27 17031 21391 29088 16696 25369 24786 6159 28834 26960 18267 28 13145 19799 29163 5432 27215 17097 26145 15571 27448 14366 29 19882 7926 2231 24999 8030 5062 10045 15241 9086 23408 30 25736 14905 26233 28863 177 27943 26847 2303 8526 12848 31 30524 25885 29732 16369 16849 31247 17401 24754 1211 29762 32 28505 2582 21106 28676 11337 12292 29783 928 26131 22042 33 28394 15610 5411 24077 2699 16846 4167 3417 8645 23252 34 22102 5000 9874 7701 23099 3962 781 32048 11552 31440 35 24851 8052 5448 1691 8531 28479 24287 12018 18627 21810
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 起始点 可变端点1 可变端点2 可变端点3 可变端点4 可变端点5 终点 X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X4 Y4 X5 Y5 X6 Y6二进制编码对应的整形值 无 无13061 40023410 92861147012125 5166 5896 15445 21762无无坐标 0 02170 26084223 467766016820 8714 9240 11133 109861338313383
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。