CN102323580A - 一种采用三频连续微波无线测距系统及测距方法 - Google Patents

Abstract

一种采用三频连续微波无线测距系统，由发射机、接收机、相位计和信号处理部分构成，发射机的连续波垂直发射到待测目标面，接收机接收由待测目标面垂直反射回来的连续波。该系统的测距方法是：由发射机发射三种频率的微波，频率分别为

,其所对应的波长分别为

,波长范围限制在0.47~0.57m；确定以上三种频率的微波在待测距离L范围内包含的波长个数

，通过发射三个波长构成一个包含未知数

的方程组，在测距L范围内，只有一组

解满足条件，计算出满足条件的

值；采用高精度相位计测量相位差

，通过公式

即可求得待测距离L。该发明实现简单，测距精度高，解决了测量精度和测距范围的矛盾，并且在一定的范围内不会产生距离模糊问题。

Description

一种采用三频连续微波无线测距系统及测距方法

技术领域

本发明涉及连续波雷达无线测距的电子技术应用领域，特别是一种采用三频连续微波无线测距系统及测距方法。

背景技术

由于超声波测距存在测距范围小的问题，人们提出了用线性调频连续波雷达来测量距离，起初人们用的是双频连续波雷达测距，但由于双频的测距范围和精度存在矛盾，容易产生距离模糊，远不能满足远距离的测量要求。于是提出了多频测距，多频测距又分为多频参差法和二次差频法。多频参差法参数的选取相互制约，且该方法对信噪比的要求比较高，这必然使发射机的设计比较困难。在一定的信噪比条件下，二次差频法为了增大测距范围或提高测距精度，必须增加发射频点，这同样会使发射机和接收机的设计比较复杂。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题提供一种采用三频连续微波无线测距系统及测距方法，该测距方法可以解决现有测距方法容易产生距离模糊以及测距范围和精度之间存在矛盾的问题。

本发明的技术方案：

一种采用三频连续微波无线测距系统，由发射机、接收机、相位计和信号处理部分构成，发射机的连续波垂直发射到待测目标面，接收机接收由待测目标面垂直反射回来的连续波，发射机、接收机、相位计和信号处理部分通过导线连接。

一种所述采用三频连续微波无线测距系统的测距方法，步骤如下：

1)由发射机发射三种频率的微波，三种频率的波长为互素关系；

2)采用相位计测量相位差

通过测量三组相位差来计算测距中不满一个波长的部分；

3)确定以上三种频率的微波在待测距离L范围内包含的波长个数n，通过发射三个波长构成一个包含未知数n的方程组，在测距L范围内，只有一组n解满足不会产生距离模糊条件，从而确定波长个数n；

4)通过Microsoft Visual C++6.0模拟，计算出满足条件的n值，进而通过公式

求得待测距离L。

所述三种频率的微波的频率分别为f₁，f₂，f₃，频率范围为526M-638M；其所对应的波长分别为λ₁，λ₂，λ₃，波长范围限制在0.47～0.57m且相邻波长差≤0.01m。

本发明的技术原理：

由于无线电波传播时的直线传输特性，遇到障碍物就能反射回来，雷达就是根据这个原理把无线电波发射出去，再用接收装置接收反射回来的无线电波，这样就能获得目标的距离信息。设雷达与目标间的距离(即待测距离)为L，发射机发射频率分别为f₁，f₂，f₃的微波，所对应的波长分别为λ₁，λ₂，λ₃，本发明对λ的实施范围在0.47～0.57m之间，为了增大不模糊测量的距离，三个波长的选择为互素关系，并且相邻波长差≤0.01m。发射机发射的信号到达目标后反射回来，回波信号被接收机接收，相位计对反射回来的信号进行测相，从而得到相位差

然后根据公式

只要确定波长个数n和相位差就可以确定需要测量的距离。

由于本发明采用三频测距，即对应三个波长，根据测距公式可以得到三个方程，若不对三个方程加限制条件，此方程组会有无数组解，就会得出无数组满足条件的测量距离，因为实际测量距离L在一定的数值范围内是一个确定的值，所以只有一组n值符合要求。在用Microsoft Visual C++6.0进行模拟计算时，需要设置合适的循环条件，这样才能得出需要的n值。

从测距公式中可以看出，测量距离L与波长λ和相位差有关，而实际的测量过程中，波长和相位的测量不可避免的会存在误差，设相位计的允许误差为±0.5％，若所用的相位计误差大于±0.5％，可以采用线性相位修正数学模型来减小相位对测距的影响；波长允许的误差为±10^-7。则实际的测距公式可以写为：

测量精度等于测距的误差距离与理论距离的比值。从公式(1)中可以得出当时，误差最大，此时测距精度P为：

$P={10}^{-7}+\frac{5}{n+1}\·{10}^{-3}---\left(2\right)$

从公式(2)中可以看出，n越大测量精度越高，当n＝1000时，测距精度可达5×10^-6，实现了测距的高精度要求。

本发明的优点和有益效果：

该测距方法装置简单，方便实施，采用高精度的相位计测量相位差，即可实现距离的准确测量，而且在一定的测距范围内不会产生距离模糊问题，具体而言在波长范围为0.47-0.57m的范围内，即可实现25～500m的不模糊测量，当波长允许的误差为±10^-7，相位允许的误差为±0.5％时，测距精度可达5×10^-6。

附图说明

图1为该无线测距系统原理示意图。

图2为该无线测距系统三频连续微波接收机示意框图。

具体实施方式

实施例：

一种采用三频连续微波无线测距系统，如图1所示，由发射机、接收机、相位计和信号处理部分构成，发射机的连续波垂直发射到待测目标面，接收机接收由待测目标面垂直反射回来的连续波，信号处理部分包括CPU、键盘和显示器，发射机、接收机、相位计和信号处理部分通过导线连接。

由于现有的接收机不完全符合设计的要求，故搭建了如图2所示的接收机。该测距系统发射三路信号，故需要三个发射机和三个接收机，图2为发射波长λ₂＝0.48m时的接收机框图，该接收机包括声表面滤波器、混频器、陶瓷滤波器和点频源并通过导线相连，其中声表面滤波器为定制器件，频率为625MHz；混频器型号为RAY-1；陶瓷滤波器型号为SFU-455KHz；点频源为定制器件，频率为624.545MHz。λ₁＝0.47m，λ₃＝0.49m时的接收机框图与之相同，只是要求的声表面滤波器频率和点频源的频率不同。当λ₁＝0.47m时，声表面滤波器的频率为638MHz，点频源的频率为637.545MHz；当λ₃＝0.49m时，声表面滤波器的频率为612MHz，点频源的频率为611.545MHz。

该实施例中，发射机采用深圳银通电子仪器有限公司提供的HP-8647A，相位计采用北京盛盈合泰电子科技有限责任公司的SD1000，声表面滤波器和点频源为定制器件，混频器采用深圳市浩时健电子有限公司提供的RAY-1，陶瓷滤波器采用深圳市华晶达电子有限公司提供的SFU-455KHz。

该采用三频连续微波无线测距系统的测距方法，步骤如下：

1)由发射机发射三种频率的微波，三种频率对应的波长为λ₁，λ₂，λ₃，本案例中λ₁＝0.47m，λ₂＝0.48m，λ₃＝0.49m；

2)采用相位计测量相位差

通过测量三组相位差来计算测距中不满一个波长的部分，不同距离下测得的相位如表1所示；

表1实际测量距离与相位的关系

3)根据公式

则应有下面的关系：

将步骤2中测得的相位代入公式(3)、(4)和(5)，每一个距离L都对应着包含未知数n₁，n₂，n₃和L的三个方程，在计算n值时，若循环条件设置的不合适，会出现多组n解，出现距离多解问题，并且会增加系统运行的负担和时间开销，因此，需要设置一个合适的循环条件；

4)通过Microsoft Visual C++6.0模拟，计算出满足条件的n值，进而通过公式求得实际测量距离L，n值与实际测量距离L的关系如表2所示，

实际测量距离L为雷达与目标间的双程距离。

表2实际测量距离与第一组n解和第二组n解对应的距离

由于为了验证本方法的正确性，本例中设置输出两组n解，若第二组n解对应的距离比第一组小，会产生距离模糊问题，若第二组n解对应的距离大于第一组n解对应的距离，则第一组n解对应的距离就是实际需要测量的距离。三频测距法的特征在于，在一定的测距范围内不会产生距离模糊现象，因此，在实际测量时，系统只需输出满足条件的第一组n解即可，此时n所对应的距离就是实际需要测量的距离。

表2中可以看出，在50-1000m的测量范围内，第一组n解对应的距离均小于第二组，因此第一组n解所对应的距离就是实际需要测量的距离。，所以雷达到目标单程可以测量的距离为25-500m。综上，本发明通过计算波长的个数实现了测距，并且解决了测量精度和最大测量距离之间的矛盾，满足设计的要求。

Claims (3)

1.一种采用三频连续微波无线测距系统，其特征在于：由发射机、接收机、相位计和信号处理部分构成，发射机的连续波垂直发射到待测目标面，接收机接收由待测目标面垂直反射回来的连续波，发射机、接收机、相位计和信号处理部分通过导线连接。

2.一种如权利要求1所述采用三频连续微波无线测距系统的测距方法，其特征在于步骤如下：

1）由发射机发射三种频率的微波，三种频率的波长为互素关系；

2）采用相位计测量相位差                                                

，通过测量三组相位差来计算测距中不满一个波长的部分；

3）确定以上三种频率的微波在待测距离L范围内包含的波长个数，通过发射三个波长构成一个包含未知数

的方程组，在测距L范围内，只有一组

解满足不会产生距离模糊条件，从而确定波长个数

；

4）通过Microsoft Visual C++6.0模拟，计算出满足条件的

值，进而通过公式求得待测距离L。

3.根据权利要求2所述采用三频连续微波无线测距系统的测距方法，其特征在于：所述三种频率的微波的频率分别为

,频率范围为526M-638M；其所对应的波长分别为

, 波长范围限制在0.47~0.57m且相邻波长差

。

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