雷达物位计-软件算法说明

1.法兰距离计算

1.1.流程图

1.2.信号加窗

信号加窗用于减小频谱泄露，可选择三种窗函数之一：矩形窗、汉宁窗、布莱克曼窗。假设中频信号电压采样数组为v[N]，采样点数为N（N=1199）；加窗实际上是构建一个N点的数组w[N]，将v[N]和w[N]进行点乘运算；信号加窗后的输出数组x[N]可表示为：

x[n]=v[n]∗w[n]（0≤n

(1-1)

1)矩形窗

矩形窗的w[N]是一个全1的数组，相当于对v[N]不进行加窗处理。

2)汉宁窗

汉宁窗的w[N]表示如下：

w[n]=0.5−0.5cos(2πn

N

)（0≤n

(1-2) 3)布莱克曼窗

布莱克曼窗的w[N]表示如下：

w[n]=0.42−0.5cos(2πn

N )+0.08cos(4πn

N

)（0≤n

(1-3)

1.3.信号补零

将N（N=1199）点的数组x[N]扩展成M（M=4096）点的数组y[M]：

y[n]={ x[n]（0≤n

(1-4)

1.4.FFT运算

对M点的数组y[M]进行实数快速傅里叶变换并求模，具体算法请参考数字信号处理相关书籍；TMS320F28335有现成的库函数RFFT_f32(RFFT_F32_STRUCT *)、RFFT_f32_mag(RFFT_F32_STRUCT *)供调用， FFT运算的输出为数组Y[M/2]。

1.5.频谱峰值探测

根据MATLAB信号处理工具箱中Peak Finder的算法思路：处于两个波谷间且大于波谷一定阈值的点即为波峰；对应的流程图为：

频谱峰值探测的输出为波峰索引数组。

1.6.回波筛选

有效回波必须满足一定的位置条件和幅值条件。系统的距离分辨单元为：

∆D=C

2B ∗1199

4096

(1-5)

式中，C—真空中光速

B—扫频带宽

则回波的位置和幅度可以表示为：

D=∆D∗i−TCL

A=Y[i]

(1-6)

式中，i—波峰索引

TCL— TCL长度

1)位置条件

有效回波位置必须处于盲区和罐底之间，将处于该范围之外的回波剔除。

2)幅值条件

有两种幅值条件：统一阈值、ATP阈值。统一阈值是将峰值小于某阈值的回波剔除；ATP阈值是由位置——阈值构成的一条折线，将峰值处于折线下方的回波剔除。

回波筛选的输出为回波索引数组。

1.7.谱估计

对回波索引数组中的每一个回波(D，Y[i]),根据该回波前后各1个点(D−∆D，Y[i−1])、

(D+∆D，Y[i+1])的值，利用二次曲线拟合法估算回波的真实位置为：

D0=D+Y[i−1]−Y[i+1]

2(Y[i−1]+Y[i+1]−2Y[i])

∗∆D

(1-7)

回波的幅度为：

A0=(D0−D)(D0−D−∆D)Y[i−1]−2(D0−D−∆D)(D0−D+∆D)Y[i]+(D0−D)(D0−D+∆D)Y[i+1]

2∆D2

(1-8)

1.8.回波跟踪

如果选择首回波算法，则回波跟踪过程可以用如下状态机表示：

如果选择回波搜索算法，则回波跟踪过程可以用如下状态机表示：

跟踪窗口内有回波

/

注：如果激活缓慢搜索，则搜索窗口初始化为跟踪窗口；否则，搜索窗口初始化为0~100m

回波跟踪的输出为液面状态、位置和幅度。

1.9.滤波处理

有三种滤波方法：跳跃滤波、阻尼、最小二乘法滤波；其中阻尼不能和最小二乘法滤波同时使用，但跳跃滤波能和阻尼或最小二乘法滤波同时使用。

1)跳跃滤波

跳跃滤波用于减少液面的大幅度快速抖动，跳跃滤波用到两个参数：跳跃滤波阈值JFilt_Thresh、

跳跃滤波延迟JFilt_Delay，其算法思路如下：

i. 如果当前液位与前一时刻液位输出值相距大于JFilt_Thresh ，跳跃滤波计数器累加；否则跳跃滤

波计数器清零, 用当前液位值作为当前时刻的输出。

ii. 如果跳跃滤波计数器大于JFilt_Delay ，用当前液位值作为当前时刻的输出；否则用前一时刻液位

输出值作为当前时刻的输出。 2) 阻尼

阻尼用距离滤波因子来度量，施加阻尼后系统的输出为：

D n ′=D n−1′+(D n −D n−1′

)∗DistFiltFactor

(1-9)

式中，D n ′ — 当前时间输出值 D n−1′ — 前一时刻的输出值 D n — 当前时刻的测量值

DistFiltFactor — 距离滤波因子

距离滤波因子和阻尼时间常数之间可用如下关系式表示：

DistFiltFactor =1−e −

∆T

T

(1-10)

式中，T — 时间常数，单位为s

∆T —液位计算的时间间隔(0.1s)

3) 最小二乘法滤波

最小二乘法滤波用于快速跟踪液位的变化，其算法步骤如下：

iii. 利用前N （N=10）个时刻的输出值D ′(0)、D ′(∆T )、D ′(2∆T )、…、D ′((N −1)∆T)，根据最小二

乘法，拟合一条输出随时间变化的直线：

D ′′(t )=a +b ∗t (1-11)

iv. 利用拟合直线，计算当前时刻的预测值：