工程科学学报，第37卷，第3期：366-372,2015年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.3:366-372,March 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.03.016:http://journals.ustb.edu.cn 基于先验信息的低信噪比调频连续波雷达信号处理 侯庆文12区，胥志激2》，鲁亿方) 1)北京科技大学自动化学院，北京1000832)北京科技大学钢铁流程先进控制教有部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:hougw@ustb.cdu.cn 摘要针对恶劣测量条件下宽频带低信噪比调频连续波雷达信号距离模糊问题，建立了固态料面调频连续波雷达信号模 型，并提出了以先验信息为辅助，包含信号频域预处理、频带截取及频带能量加权的距离反演方法.实际数据处理结果显示： 经过预处理的信号频谱平均信噪比由原来的-5.55B提高到8.32dB:采用包络线截频带法和最小二乘截频带法进行距离 反演后拟合料线与实际料线间的料形相似度由0.46分别提高到0.71和0.79 关键词雷达：先验信息：信噪比：处理算法：距离测量 分类号TM931 Low SNR FMCW signal processing with prior information HOU Qing-en回，XU Zhi--e2,LU Yi-fang》 1)School of Automation Electrical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Advanced Control for Iron and Steel Process (Ministry of Education),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:hougw@ustb.edu.cn ABSTRACT A solid surface frequency modulated continuous wave (FMCW)radar signal model was built to solve the range ambigu- ity problem of wideband and low signal-to-noise ratio (SNR)FMCW signal under severe measurement conditions.Based on prior in- formation,a distance inversion method was proposed,which contained signal pretreatment,band intercepting,and energy weighting. Actual data processing results show that the SNR of the frequency spectrum rises from-5.55 to 8.32 dB after pretreatment.The index of similarity of the stock level shape increases from 0.46 to 0.71 and 0.79 by band envelope interception and least squares intercep- tion,respectively. KEY WORDS radar:prior information;signal-to-noise ratio:processing algorithm:distance measurement 密闭容器内料面高度及其形状，一直是工业生产 值，由二维孔径合成得到三维图像：第二类是对每个雷 过程中的重要参数.由于微波对于物料表面的凹凸敏 达的回波数据进行单独处理，得到每个雷达对应的高 感，具有不受温度、粉尘、气体和压力影响的优点，在恶 度信息，然后根据这些高度值由点及面，得到整个料面 劣环境下能够检测出准确的距离信息0，近年来调频 的近似形状.第一类方法多适用于规则排布的阵列雷 连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW) 达，成像结果较为准确，但成像原理较为复杂，运算时 雷达在工业生产和民用自动化领域获得了广泛的应 间较长：第二类方法多适用于不规则排布的单点雷达， 用，也被利用到高炉料面的高度测量和料面成像 成像原理较为简单，运算时间较短，但由于料面形状仅 依据雷达排布和信号处理方法的不同，料面成像 来源于有限个点的拟合，所以成像结果不够准确. 大体有以下两类方法：第一类是对多个雷达的回波数 作为第一类方法的代表，采用MMO技术的雷达 据进行联合处理，在二维傅里叶变换的基础上进行插 成像系统四给天线布阵方式和信号模式都带来了很大 收稿日期：2013-12-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61333002)工程科学学报，第 37 卷，第 3 期: 366--372，2015 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 3: 366--372，March 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 03． 016; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于先验信息的低信噪比调频连续波雷达信号处理 侯庆文1，2) ，胥志溦1，2) ，鲁亿方1) 1) 北京科技大学自动化学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁流程先进控制教育部重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: houqw@ ustb． edu． cn 摘 要 针对恶劣测量条件下宽频带低信噪比调频连续波雷达信号距离模糊问题，建立了固态料面调频连续波雷达信号模 型，并提出了以先验信息为辅助，包含信号频域预处理、频带截取及频带能量加权的距离反演方法． 实际数据处理结果显示: 经过预处理的信号频谱平均信噪比由原来的 － 5. 55 dB 提高到 8. 32 dB; 采用包络线截频带法和最小二乘截频带法进行距离 反演后拟合料线与实际料线间的料形相似度由 0. 46 分别提高到 0. 71 和 0. 79． 关键词 雷达; 先验信息; 信噪比; 处理算法; 距离测量 分类号 TM931 Low SNＲ FMCW signal processing with prior information HOU Qing-wen1，2)  ，XU Zhi-wei1，2) ，LU Yi-fang1) 1) School of Automation ＆ Electrical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of Advanced Control for Iron and Steel Process ( Ministry of Education) ，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: houqw@ ustb． edu． cn ABSTＲACT A solid surface frequency modulated continuous wave ( FMCW) radar signal model was built to solve the range ambigu￾ity problem of wideband and low signal-to-noise ratio ( SNＲ) FMCW signal under severe measurement conditions． Based on prior in￾formation，a distance inversion method was proposed，which contained signal pretreatment，band intercepting，and energy weighting． Actual data processing results show that the SNＲ of the frequency spectrum rises from － 5. 55 to 8. 32 dB after pretreatment． The index of similarity of the stock level shape increases from 0. 46 to 0. 71 and 0. 79 by band envelope interception and least squares intercep￾tion，respectively． KEY WOＲDS radar; prior information; signal-to-noise ratio; processing algorithm; distance measurement 收稿日期: 2013--12--26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 61333002) 密闭容器内料面高度及其形状，一直是工业生产 过程中的重要参数． 由于微波对于物料表面的凹凸敏 感，具有不受温度、粉尘、气体和压力影响的优点，在恶 劣环境下能够检测出准确的距离信息［1］，近年来调频 连续波( frequency modulated continuous wave，FMCW) 雷达在工业生产和民用自动化领域获得了广泛的应 用，也被利用到高炉料面的高度测量和料面成像． 依据雷达排布和信号处理方法的不同，料面成像 大体有以下两类方法: 第一类是对多个雷达的回波数 据进行联合处理，在二维傅里叶变换的基础上进行插 值，由二维孔径合成得到三维图像; 第二类是对每个雷 达的回波数据进行单独处理，得到每个雷达对应的高 度信息，然后根据这些高度值由点及面，得到整个料面 的近似形状． 第一类方法多适用于规则排布的阵列雷 达，成像结果较为准确，但成像原理较为复杂，运算时 间较长; 第二类方法多适用于不规则排布的单点雷达， 成像原理较为简单，运算时间较短，但由于料面形状仅 来源于有限个点的拟合，所以成像结果不够准确． 作为第一类方法的代表，采用 MIMO 技术的雷达 成像系统［2］给天线布阵方式和信号模式都带来了很大