董春阳

摘要：针对LFMCW连续波雷达在复杂反射面及存在径向运动的测距情况，采用FFT方法分析回波信号时会存在多个频谱峰值，采用速度-距离的去耦算法消除目标运动对测距造成的影响，同时根据目标本身的变化情况，采用相应的距离跟踪算法和自适应滤波算法提高测距的精度和稳定性。系统在煤炭料位测量实验中取得了较好的测量效果。

关键词：FMCW；雷达；测距

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0195-02

1 概述

LFMCW（Linear Frequency Modulation Continuous Wave，LFMCW）线性调频连续波雷达是一种高分辨雷达，具有测距精度高、盲区距离小、结构简单和峰值功率小等优点。使其广泛应用于距离测量、工矿企业、精确制导，汽车防撞等多个方面，受到人们越来越多的重视和研究[1][2]。由于LFMCW雷达输出的混频差拍信号存在有效区和非有效区，其数字信号处理技术在一定程度上决定了雷达的主要性能。目前通过采用高精度的频率估计方法估计有效区差频信号的频率，对提高雷达测距精度起着重要作用[3][4]。基于参数模型的谱估计、最大墒谱估计等方法具有频率分辨力高的优点，但由于其运算量量太大不利于实时处理，基于FFT的频谱分析方法，运算速度快，较适合于实时信号处理，但其频率估计精度取决于信号采集的时间长度和频谱泄漏的双重影响，应在频率分辨率和计算速度上进行折中处理。

2 LFMCW雷达的工作原理

LFMCW雷达的测距原理如图1所示，雷达工作时，三角波调制电压控制射频压控振荡器VCO产生频率按三角波规律变化的射频信号，经天线发射到目标反射体，延时后接收到的回波信号与发射信号送至混频器得到中频的差频信号，该信号的频率中包含了目标反射体的距离信号，频率越高距离越大。对该信号进行放大、滤波及处理即可得到目标距离[5]。

如图2所示为水平反射面情况，实线三角波表示发射信号频率变化，虚线三角波表示接收信号频率变化，经混频后得到下面的差频信号，t0-t1为有效区，t1-t2为无效区。设三角波的周期为T，发射信号扫描的频偏最大为B，微波电磁波的传播速度为光速c，差频频率为F，则测量距离为：

3 回波信号特性分析

由前面的分析可以看出，对雷达信号的处理主要是对差频信号的处理，目标的距离信息和速度信息反映在差频信号频率中，对于距离的测量，如何准确地分离距离和速度信息及准确测量频率值是提高测量精度的关键，同时微波混频器输出的差频信号中包含调频波寄生调幅特性，导致其频谱中出现多值的现象，因此滤波技术也是提高测量精度的重要因素。

3.1 速度去耦算法

在进行目标测距时，对于静止目标其回波信号的频率与发射信号相同，均按三角波的函数形式变化，只是在时间上落后于发射信号，其差频信号频率可准确反映距离信息。但对于存在径向运动目标，由于多普勒效应，其反射信号频率相当于在原发射信号频率的基础上叠加了多普勒效应频率，导致接收信号三角波频率相对于发射信号频率产生上下平移，差频信号频率也随之变化，使测量的距离出现偏差， 如图3所示。

进一步分析可以看出，在三角波上升段和下降段其差频信号按相反的方向变化，由于三角波的对称性且测量时间很短，可假设目标在此期间运动速度不变，则三角波上升段和下降段频率偏差相同，可采用两次测量取平均的算法来消除速度对测量距离的影响。

3.2 提高峰值频点测量精度算法

由式（1）可以看出，测量距离与三角波的周期T、扫频信号线性度k、最大频偏B及差频频率F有关，T，k和B的精度可由硬件通过校准来保证，因此提高测量精度就是如何准确地测量差频频率[6]。一般采用FFT算法来估算F，由于FFT算法的频率分辨率ΔF与时域采样时间成反比，即

其中Fs为采样频率，Ts为采样周期，T为采样时间，时域采样时间受到三角波的半周期的限制，不可能任意加长。解决的方法一是采用补零DFT算法，增大N值提高分辨率，二是采用chirp-Z变换在频点最大值处提高分辨率。对单一目标反射面，可假设接收的归一化差频信号为单一频率的正弦波， 窗口信号采用矩形窗，则信号的频谱为：

式中为矩形窗口函数，为差频信号频率，接收信号的频谱为位于处的抽样函数，为提高分辨率，减小频谱泄露和计算量，本文采用两步DFT算法来估算最大值频点。具体方法如下：

（1） 采用采样点数N做DFT，粗略估计的大小，根据估算的大小计算信号的周期，在采样点数N中取r整数倍周期的点数N1，以减小频谱泄漏。

（2） 将N1补零为N2做DFT，精确估计的大小。

4 系统结构图

由CPU产生的三角波，经放大输入到雷达传感器产生扫频信号，接收信号经带通滤波放大后送入CPU进行AD采样，采样信号再经自适应数字滤波，以适应不同的检测目标的变化要求，DFT实现峰值频点的精度测量。

跟踪算法完成距离的准确测量及跟踪，由于现场测量情况复杂多样，目标反射面情况各不相同，同时可能存在不同类型的干扰，如粉尘、落料等情况，在回波信号中会出现多个频率峰值，造成测量数据出现跳变。测量时可采用频率第一和第二峰值的变化方差的大小和目标的先验变化知识，利用距离的相关性，采用统计方法实际的距离的准确跟踪。

5 实验结果

实验采用24GHz IVS-148雷达模块，采用频率50Hz幅度为6V三角波，最大频偏300MHz，测量距离0.5m～50m，差频信号频率100Hz～10KHz，CPU采用32位STM32F405RG ARM单片机[7]，系统时钟168MHz。在8m距离平面目标实际测量中，测量精度小于2mm，整体误差小于0.2%。完全可满足现场的实际要求。下图为实际上传的测量数据在MATLAB下的显示的结果。

说明：上图为采样数据波形，中图为滤波处理后的波形，下图为信号频谱图（每0.5m/100Hz），最大频点在1.6KHz，对应8m距离。

6 结论

本文给出的测量算法具有运算量小，测量精度高的特点，两步频谱估计算法有效避免了频谱的泄漏，速度-距离去耦算法有效减小了目标运动对测量的影响。实验中可在1s的时间内实现三角波上升段和下降段的两次测量，具有很好的实时性，可适用于距离快速变化的测量。在平面、斜面、颗粒、表面运动等不同目标反射面情况下，实验测得的数据准确、稳定，完全达到现场应用要求，具有一定的使用价值。

参考文献：

[1] 齐国清，贾欣乐. 基于DFT相位的正弦波频率和初相的高精度估计方法[J]. 电子学报，2001，29（9）：1164-1167.

[2] 郑大青，陈伟民. 基于幅度调制的连续微波雷达测距研究[J]. 电子与信息学报，2015，37（1）：43-49.

[3] 侯庆文. 改进的FMCW信号加权补偿校正相位差法[J]. 仪器仪表学报，2010，31（4）； 721-726.

[4] 施玉海，何国瑜.FMCW雷达液面测量系统中的信号处理方法[J].电子测量与仪器学报，2003，17（3）：6-9.

[5] 戚昊琛，张鉴.FMCW 雷达测距系统的中频信号处理电路设计[J]. 仪表技术与传感器， 2015，8（8）：29-32.

[6] 胡广书. 数字信号处理（理论、算法与实现）[M]. 清华大学出版社（第二版），2003.

[7] 郑亮，郑士海. 嵌入式系统开发与实践（基于STM32F10x系列）[M]. 北京航空航天大学出版社，2015.

摘要：数字图像信息要实现快速传输和实时处理，必须要用到数字图像压缩技术。数字压缩技术是数字图像处理技术的重要组成部分，要用到的技术包括图像采集、数字化、图像分析等，因此数字图像压缩技术离不开对数字图像处理技术的研究与创新。本文围绕数字压缩技术的现状与发展展开论述，对数字处理技术的领域也有所涉及。

关键词：图像压缩技术；技术类型；发展之路

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0190-02

随着全球信息产业技术的不断进步，网络化、信息化的生活已经成为人们的日常。在信息化时代，高速、快捷、方便是人们对所有信息进行处理的要求，包括图像处理。在现有的信息技术所能提供的条件下，针对庞大的数据处理工作，不断提升处理速度并非易事，要在技术上攻克各种难关，尤其是数字图像更是挑战技术人员水平的重大课题。在数字图像处理领域，压缩技术更是备受关注，这一技术的难度在于要求将图像压缩、而且保持较好的画质，达到减轻存储和传输工作量的目的。

1 图像压缩技术的发展现状

图像压缩技术的起源，可以追朔到数字化电视信号的发明和应用。在数十年的发展历程中，曾经涌现出众多带有革命性和颠覆性意义的图像压缩技术和方法，包括小波变换理论等技术创新从未停止过。至今已经达到前所未有的高度，其中一些技术依然在当今数字图像技术处理技术领域中被广泛应用。

1） 第一个压缩编码阶段是在数据压缩理论产生之后，大约在18世纪末期，出现了十进制数研究；以及在19世纪末，莫尔斯代码产生。随着信息论的产生，模式识别、计算机视觉技术等逐渐进入人们的事业，使得无损压缩编码算法开始进入了崭新的阶段。1969年美国矩形图像编码会议，使得变幻压缩编码和量化压缩编码成了研究热点。

2） 第一代图像压缩编码存在图像画质不理想的问题，为了解决这一问题，第二代图像压缩数码的概念在20世纪80年代开始出现。多个处理图像的方案被提出，在不同程度上实现了图形信号的渐进式传输，视觉特性被引入分辨率信号的频带研究之中，分形图像编码压缩方案、小波变换等图像压缩编码算法陆续被提出，一些先进的图像压缩编码算法呈现雏形。

（1）图像增强技术是将图像中的有用信息留下，无用信息处理的方法。这项技术可以达到改善图像画质，增强图像处理的目的。而且图像增强方法还不止一项，将图像的模糊、失真、噪声的影响降低到最小，避免光照、温度等对图像产生的退化作用。减少退化源的影响，恢复图像空间，补偿图像磨合和消除噪声。恢复空间滤波、伪逆空间等。

（2）实现图像分割是在20世纪70年代产生的，在医学、军工领域被广泛使用。使用阚值法、区域生长法等将图像灰度、纹理等进行分割，使分割后的区域内部特征大于区域间的相似性。

（3）将图像的边缘进行不连续分割，使用边缘检测算子来对边缘进行检测和提取。计算简单、速度快，但是这种方法对图像的噪声干扰比较敏感。

（4）将图像中有用的数据和信息进行调取，利用模式识别技术等来抽取图像特征，进行符号化的描述和分析[1]。

2 图像压缩技术存在的若干问题

1）缺乏统一的评价标准和先进知识；

2）提取系统的计算量较大；

3）小波变化图像压缩编码算法等，存在工作效率较低的问题；

4）图像精度和处理速度的矛盾问题；

5）软件研发与其他学科相互结合和利用的问题；

6）图像压缩技术边缘学科，如视觉神经、心理学的融合与突破问题；

7）建立图像信息库和程序的标准化问题。

3 几种较为重要的图像压缩技术介绍

3.1 JPEG压缩技术

JPEG压缩技术已经为人们所熟知。其全称为“Joint photographic expert group”，1989年诞生技术规范，1991-1992年形成标准草案和国标。压缩技术原理在于：先将图像处理为块，每块的大小不均且不重叠，使用二维离散余弦方法进行变换，简称为DCT。变幻后的系数矩阵能量进行了量化，去除了高频系数，保留了低频系数，且主要矩阵能量都集中在低频区。在低频区完成扫描、重新组织、编码等过程，完成了JPEG图像压缩的全程处理，形成了具有中、高端比特率、画质良好，符合国标的JPEG图像。

但是JPEG图像压缩技术也有其缺陷，首先是方块效应。这是由于在图像进入分块处理时，由于高压缩比将本来高度非平稳的图像信号的结构进行了非线性突变，致使边缘信息用余弦基作为图像信号导致[2]。其次是压缩受到损害，压缩比不高，系数发生了量化。

JPEG图像压缩技术发生方块效应，压缩容易受到损坏的特性，是近年来技术人员一直力图解决的。所采用的改进方法，本文有比较集中的介绍：第一，使用DCT零树编码，就是将方块中的零树的系数先组成LOG2N个子带，然后进行编码，得出较高的PSNR值，在进行这种改进之后，按照相同的压缩比，获得的PSNR值比EZW要高很多。虽然算是有效的方法，但是方块效应依然没有得到根除。第二，使用集中低频块的方法，变换DCT，不断对图像进行变化操作，直到方块效应基本消除，然后对DCT进行系数零树编码排列处理。这种方法可以将方块效应清除的更加彻底，但是在人眼视觉处理条件下，依然还是有一些方块参与存在。因此在今后的发展中，还应趋向考虑与人眼视觉特相结合的压缩技术方向努力。

3.2 JEPG2000压缩技术

JEPG2000压缩技术是对JPEG技术的改进与创新，按照全新的静止图像压缩标准，将JPEG技术中的余弦变换技术转变为小波变换技术。采用了彩色编码方式，按照JPEG图像编码算法进行图像压缩。其原理为：说先对数字图像进行分片、直流电平位移等预处理，然后进行包括小波变换、熵编码等的核心处理，最后进行包括区域划分、码块等的流组织处理。