文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2011)01-0074-03
液位是自動計量領(lǐng)域中重要的檢測與控制參數(shù)之一，液位測量技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展,，已經(jīng)得到了很大的進步,。其中微波法測量液位是近幾年發(fā)展迅速而且日益成熟的一種方法，它采用非接觸的測量方法,，通過測量微波傳播延遲時間的原理來測量液位,。在微波液位測量系統(tǒng)中，液位測量的關(guān)鍵在于正弦信號的頻率估計[1],。正弦信號的頻率估計有很多方法,，其中最簡單的方法是FFT變換,，但是由于FFT的柵欄效應(yīng)[2]，使得正弦信號的頻譜發(fā)生泄漏,，導(dǎo)致頻率估計精度不高,，無法滿足高精度的測量要求。目前提高頻率估計精度的校正方法有很多,，Rife插值法[3]利用兩個采樣點的比值來估計峰值的位置,，但在噪聲背景中，容易造成插值方向錯誤,，引起較大的估計誤差,。參考文獻[4]提出的FFT+FT譜連續(xù)細化法所需的計算量較大。參考文獻[5-6]提出的三角形法是根據(jù)幾何原理進行頻譜校正的,，該方法運算簡單，受信噪比變化影響較小,。參考文獻[7]提出的相位差法精度較高,，但在進行相位估計時會遇到相位模糊的問題。
基于上述分析可以發(fā)現(xiàn),，Rife比值法和三角形校正法在頻譜校正上存在著各自的問題,。本文在分析兩者優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者的優(yōu)勢,，提出了一種魯棒性更強的滑動頻率估計算法,。該方法假設(shè)噪聲是加性高斯白噪聲，根據(jù)信噪比的變化情況,，利用單次FFT后峰值譜線周圍的多條譜線信息的三角形法和Rife比值法估計信號頻率,。
1 算法分析
1.1 Rife比值法
Rife比值法是利用主瓣峰頂附近兩條譜線的幅度比值進行頻譜校正的，信號的實際頻率與估計頻率之間的相對偏差δ為(加矩形窗)：
式中m為幅值最大值處的離散頻率索引值,，fs為采樣頻率,，N為采樣點數(shù)。該方法的優(yōu)點是插值公式簡單,，且不考慮噪聲影響的情況下,，F(xiàn)FT主瓣內(nèi)次大值的幅度永遠大于其他旁瓣的幅度，因此插值不會出現(xiàn)方向錯誤,。但是在有噪聲的情況下,，當|?啄|比較小時，可能會出現(xiàn)FFT頻譜中其他譜線的幅度超過主瓣內(nèi)次大值的情況,，從而造成頻率插值方向相反,，引起較大的頻率估計誤差。當N一定時,，不同信噪比下存在相應(yīng)的臨界值?啄0,。當|δ|<δ0時,，Rife比值法的頻率估計誤差比較大,特別是在|δ|接近于0時，頻率估計誤差將大大增加,。
1.2 三角形法
三角形法主要是根據(jù)幾何原理進行頻譜校正,，即用直線分別連接主瓣內(nèi)峰值的左右譜線時, 可近似形成一個三角形，通過三角形的比例關(guān)系,，可以得到譜線號修正量的式子am,即:
該方法校正原理簡單,，計算量小，精度較高,。選取不同的n值,，所獲得的測量精度也不同。隨著信噪比的增加,，三角形法的測量精度有所增加,，但提高幅度不大，受信噪比變化的影響較小,。它不同于Rife插值法,，整個頻段誤差的變化范圍較小，穩(wěn)定性好,，但是頻率估計誤差比Rife插值法在|?啄|不接近0時大,。
1.3 滑動頻率估計算法
矩形窗Rife比值法和三角形法都只需要一次FFT的運算量，但在頻率估計精度上都存在各自的問題,。因此,，本文提出了滑動頻率估計算法，將兩種算法有效地結(jié)合起來,，在有噪聲的情況下,，根據(jù)比例因子，即頻率所在位置的不同（δ的不同）,，自適應(yīng)地采取相應(yīng)的算法,。算法的具體過程如下：
(1)通過仿真實驗，實時確定現(xiàn)場所在環(huán)境下的信噪比,，記Rife比值法的偏差閾值為δ0,，并查找P(k)的最大值P(m)，其中P(k)=X2(k),。
(2)由于三角形法的頻率估計誤差穩(wěn)定,，因此估計的偏差am可信度高，當|am|<δ0,，使用Rife插值法估計效果較差,，此時使用三角形法進行頻率估計，按照公式(4)可得到信號的實際頻率估計。
(3)反之為|am|≥δ0時,，三角形法對實際頻率的估計誤差大于矩形窗Rife插值法,，因此，使用Rife插值法進行頻率估計,，按照公式(2)可得到信號的實際頻率估計,。
可見，Rife比值法與三角形法的有效結(jié)合構(gòu)成了滑動頻率估計算法,，根據(jù)次大值與最大值的幅度比值來預(yù)先設(shè)定偏差閾值δ0,。根據(jù)|δ|的不同，即頻率所在位置的不同,，采用不同的估計方法,。
2 仿真實驗
為了驗證所提算法的有效性，作如下仿真實驗,。
這里采用鋸齒波LFMCW雷達測量液位,，根據(jù)被測頻率與目標距離之間的關(guān)系，采用3種方法對實際距離進行測量,。設(shè)定液面與天線的距離為0~20 m,，信噪比為12 dB。雷達的調(diào)制周期Ts=1 ms,，調(diào)制帶寬B=600 MHz，fs=256 kHz,，N=256,。對所選的幾個被測距離分別采用Rife比值法、三角形法(n=3),、滑動頻率估計算法進行估值（δ0=0.12）,，各被測點進行了1 000次測量得到平均值R和均方根誤差σR如表1所示。
從表1可以看出,，當被測距離接近離散頻譜最大譜線所對應(yīng)的距離時（R=8.045）,，即|?啄|較小時，Rife插值法的距離測量均方根誤差大大增加,，為0.010 8,。而此時的三角形法距離測量的均方根誤差較小，為0.000 5,，且整個變化區(qū)間內(nèi),，均方根誤差變化較小。但是當被測距離遠離離散頻譜最大譜線所對應(yīng)的距離時,，三角形法的估計誤差比Rife插值法大（R=8.020）,。而本文所提出的滑動頻率估計算法結(jié)合兩者的優(yōu)勢，根據(jù)|δ|的不同選取不同的估計方法，在整個所觀測的測量范圍內(nèi),，距離估計的均方根誤差較小,，測量精度較高。
下面來觀察一下距離估計誤差與數(shù)據(jù)輸入長度N(N=16,，32,，64，128,，256,，512，1 024)之間的關(guān)系,。圖1為N不同時三種估計方法的性能比較,。設(shè)R=4.176 m,SNR=15 dB，其他條件同上,。由仿真結(jié)果可以看出,，當N取值較小時， Rife算法的頻率估計精度較低,，而三角形法的頻率估計精度較高,，且在所觀察的變化區(qū)間內(nèi)，三角形法的頻率估計性能穩(wěn)定,，而Rife算法在N較大的時候,，頻率估計效果較好。在結(jié)合兩者優(yōu)點的基礎(chǔ)上,，本文提出的滑動頻率估計算法在所觀察的區(qū)間內(nèi)受數(shù)據(jù)長度的變化影響較小,，測距精度較高，而且運算簡單,，計算量不大,。
再來觀察一下不同估計方法隨信噪比的變化情況。此時R=14.565 m,，其他條件同上,。圖2是三種估計方法的距離估計的均方根誤差與信噪比的變化情況。從圖中可以看出,，Rife插值法在整個信噪比區(qū)間均方根誤差變化較大,，受信噪比的影響較大，當信噪比較低時,，Rife插值法引起了更大的估計誤差,。而三角形法在整個信噪比區(qū)間變化較小，即使在信噪比較低時,，其均方根誤差也不大,，但在信噪比較高時,，估計誤差大于Rife插值算法。而本文所采用的滑動頻率估計算法,，克服了上述兩種算法的不足,，在所觀測的整個信噪比變化區(qū)間內(nèi)，距離測量的均方根誤差都較小,，測量精度高,。
本文通過對Rife比值法和三角形法的研究，建立了一種隨信噪比變化的頻譜校正模型,。根據(jù)信噪比的變化情況,，利用正弦信號采樣序列的FFT頻譜圖上譜峰附近的多條譜線信息，結(jié)合Rife比值法和三角形法各自的優(yōu)點,，提出了一種滑動頻率估計方法,。該方法有效地融合了多條譜線信息的貢獻，根據(jù)頻率所在位置的不同選取不同的估計方法,，避免了Rife算法的插值方向錯誤問題,。實驗結(jié)果顯示，該方法的測量精度高,，即使在噪聲背景中,，微波液位測量的誤差也能滿足工程需要，并且頻譜校正精度受數(shù)據(jù)長度的變化影響較小,。
參考文獻
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