CN102590808B - 基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波测距技术，公开了一种基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法。在被测点处放置微波无源反射器，在测量点处放置微波测距仪。测距信号源先产生主频测距信号经混频、功放后由发射天线发射，反射器将入射到它的微波信号按原路反射回，接收天线接收微波信号，经过低噪放、带通滤波、混频后，鉴相器测出反射和发射信号相位差ΔΦ₁；该相位差与所测距离成比例，因而可得距离。该测距范围受主频信号波长限制，虽增大波长可扩大测距范围，但测距精度会降低。为了保证精度并扩大测距范围，信号源再产生辅频测距信号测距，得到相位差ΔΦ₂，再据ΔΦ₁和ΔΦ₂求出所测距离。本发明解决了单频微波测距精度和范围的矛盾，可实现高精度下的大范围距离测量。

Description

基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法

技术领域

本发明涉及一种距离测量方法，特别涉及一种高精度微波相位测距的测量方法。

背景技术

两点间距离测量，尤其是高精度距离测量在社会生产和工程实际中具有重要意义。目前，应用比较广泛的高精度距离测量方法主要有激光测距、全站仪测距、GPS测量方法等。激光和全站仪测距具有精度高、测点成本低等优势，但易受雨雾等环境干扰而不能全天候工作；而GPS测量方法可以实现多点同时测距，且基本不受环境干扰、具有全天候工作的优点，但它的测量精度相对较低、单点测量成本高。然而，目前社会生产和工程实际对具有高精度、低成本、不受环境干扰和全天候等优点的距离测量需求越来越迫切。因此，研究和开发出一种集上述优点的距离测量新方法具有重要的经济和社会意义！

分析发现，采用微波作为测距介质可以实现多点同步的全天候测量，而借鉴激光和全站仪的高精度测距方法，可以实现高精度、低成本测量，而这正具有上述各方法优势，因此，对微波测距在高精度、大范围等进行深入研究很有必要。

下面是微波测距的基本原理和背景：

微波测距是一种非接触式能够准确测量两点之间相对距离的方法，它经由天线发射微波信号，遇到待测目标后，微波被反射回并由接收天线接收，然后通过对发射和反射的信号做一定的信号处理进行求解，得出待测距离。测量方法按测量信号方式的不同可以分为微波时间测距和相位测距，其中微波相位测距更加精确。

微波相位测距原理如图1，它通过测量微波在A、R间往返一次产生的相位延迟Φ而获得距离D。具体地，由 $D=\frac{1}{2}C\·\mathrm{\Δt},$ 以及 $\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\ω}}=\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\πf}}$ 得： $D=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\π}}.$

其中C为光速，Φ为微波传播时间Δt内的相位延迟；f、λ为分别微波测距信号的频率和波长；因此，只要测量出相位延迟Φ，便可获得距离D。

相位延迟还可以表示为：Φ＝N·2π+ΔΦ；

其中，N为Φ中周期相位2π的整数倍，ΔΦ为不足2π的相位延迟。

将其带入测距公式得： $D=\frac{\mathrm{\λ}}{2}(N+\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}});$

因此，要求出距离D就必须求出整数N和相差ΔΦ。

然而，目前测量相位的仪器不能确定整数N值，而只能测量出ΔΦ。因此，测距公式存在多值性，距离D无法被唯一确定，即无法被测出。

分析知，若被测距离D在测距信号半波长范围内，即

时，由式

可得N＝0，即：

因此，已知波长λ，并测量出ΔΦ，就可以唯一确定所测距离D。

在此情况下，得测距精度有： $\mathrm{\ΔD}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\frac{\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δ\Φ}\right)}{2\mathrm{\π}}=\frac{C}{2f}\·\frac{\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δ\Φ}\right)}{2\mathrm{\π}}$

可见，测距精度ΔD与测距信号波长λ和测相精度Δ(ΔΦ)有关。对固定的测相仪器，其精度Δ(ΔΦ)只能达到某一定值常数；因此，测距信号频率f越高，即波长λ越小(对应测距范围越小)，测距精度ΔD就越高；反之，频率f越低，即波长λ越大(对应测距范围

越大)，测距精度ΔD就越低。

因此，在仪器测相精度Δ(ΔΦ)受限情况下，微波测距存在测距精度和范围的矛盾。然而，目前的工程实际中，高精度下的大范围测距越发重要，如何解决测距精度和范围矛盾具有重要现实意义。

因此，急需一种在工程实际中能满足高精度、大范围测距的微波测距方法。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种在工程实际中能满足高精度、大范围测距的微波测距方法，即采用在单一主频测距信号的测距基础上添加辅频测距信号方法进行测距，涉及的具体测距原理如下：

以两个频率测距信号为例加以说明，具体地，设测量主频为f₁，辅助频率为f₂，且f₂＝k·f₁，k为小于且接近于1的常系数，因此有f₁＞f₂，对应波长λ₁＜λ₂，且λ₁＝kλ₂。

分别以主频f₁、辅频f₂测距信号测量同一段距离D(附图1)，得：

$D=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}\·(N_1+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_1}{2\mathrm{\π}}),$ $D=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}\·(N_2+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_2}{2\mathrm{\π}});$

由前面的分析知，它们对应的测距范围分别为

和

将两式相减并整理得： $D=\frac{1}{1-k}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}[(N_1-N_2)+\frac{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_2)}{2\mathrm{\π}}];$

对比主频和辅频测距式知，此式对应的测距范围为

而测距精度仍可由主频测距时的精度ΔD计。所以，在测距精度保持不变的情况下，添加辅助测距频率f₂后微波测距范围由变为

因为系数

大于1，即添加辅助测距后，测距范围扩大了

倍(0＜k＜1)。

因此，主频和辅频测距信号联合测距，测距精度保持不变，而测距范围得到了扩大，从而解决了之前单频率测距精度和测距范围的矛盾。

本发明提供的基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，具体实现包括以下步骤：

S1：先由测距信号源产生主频测距信号f₁，该信号通过测距系统后得到主频测距信号相位差ΔΦ₁；

S2：再由测距信号源产生辅频测距信号f₂，该信号通过测距系统后得到辅频测距信号相位差ΔΦ₂；

S3：通过以下公式计算所测量距离D：

$D=\frac{1}{1-k}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}[(N_1-N_2)+\frac{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_2)}{2\mathrm{\π}}]$

该式的最大可测量范围为

其中，N₁为主频测距信号相位差ΔΦ₁中周期2π的整数倍，N₂为辅频测距信号相位差中ΔΦ₂周期2π的整数倍，λ₁为主频测距信号f₁的波长(即

C为光速)，k为辅频f₂和主频f₁的比例系数，即f₂＝k·f₁。

进一步，所述主频测距相位差ΔΦ₁和辅频测距相位差ΔΦ₂分别通过以下方式得到：

S11：所述主频测距信号f₁和辅频测距信号f₂先后与参考信号源混频得到主频载波测距信号f₁和辅频载波测距信号f₂；

S12：所述主频载波测距信号f₁和辅频载波测距信号f₂先后经功放、发射天线发射至无源反射器，并被原路反射回至接收天线，然后经过低噪放放大、带通滤波I滤除杂波，分别得到主频载波测距延迟信号f′₁和辅频载波测距延迟信号f′₂；

S13：所述主频载波测距延迟信号f′₁和辅频载波测距延迟信号f′₂分别与参考信号源混频和带通滤波II，解调得到主频测距延迟信号f′₁和辅频测距延迟信号f′₂；

S14：所述主频测距延迟信号f′₁先送入高精度鉴相器与测距信号源的主频测距信号f₁比较，得主频测距相位差ΔΦ₁；

S15：所述辅频测距延迟信号f′₂后送入高精度鉴相器与测距信号源的辅频测距信号f₂比较，得辅频测距相位差ΔΦ₂；

进一步，所述主频测距信号f₁相位差ΔΦ₁中周期2π的整数倍数N₁与辅频测距信号f₂相位差ΔΦ₂中周期2π的整数倍数N₂之差(N₁-N₂)通过以下公式来确定：

当ΔΦ₁＞ΔΦ₂时，(N₁-N₂)＝0；

当ΔΦ₁＜ΔΦ₂时，(N₁-N₂)＝1。

进一步，所述k值由测距范围D_max与主频测距信号f₁的波长λ₁关系，即

确定。如测距范围D_max取主频测距信号f₁半波长的10的整数倍，即

可取：

$k=1-\frac{1}{{10}^M},$ M＝1，2，3...且为整数。

进一步，所述参考信号源发出的是微波信号f₀，而主频测距信号f₁和辅频测距信号f₂为常规的中频信号。

进一步，所述微波无源反射器采用对微波具有较强反射性能的金属材质制作而成。

进一步，所述主频测距延迟信号f′₁与主频测距信号f₁的频率相同，所述辅频测距延迟信号f′₂与辅频测距信号f₂的频率相同。

本发明的优点在于：本发明针对单频率微波测距存在测距精度和范围的矛盾，在微波相位测距原理基础上，提出在单频率测尺上添加辅助频率的测距方法，进一步利用载波调制原理实现多频率尺度微波测距，该方法解决了单频测距精度和范围的矛盾，可实现高精度、大范围微波测距。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为微波相位测距示意图；

图2为基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法系统原理图；

图3为基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法测距流程图。

具体实施方式

以下将结合各附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明提供的基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，包括以下步骤：

S1：所述测距信号源3分别产生主频测距信号f₁即cosω₁t及辅频测距信号f₂即cosω₂t；然后分别与参考信号源4的cosω₀t混频后得到主频载波测距信号cosω₁t·cosω₀t和辅频载波测距信号cosω₂t·cosω₀t。

S2：所述主频载波测距信号cosω₁t·cosω₀t和辅频载波测距信号cosω₂t·cosω₀t分别经过功放5、发射天线6发射，并被被测点处无源反射器1反射，反射的微波信号经微波测距仪2上的接收天线7后进行低噪放8进行放大、带通滤波I9进行带通滤波滤除杂波，分别得到主频载波测距延迟信号A·cosω₁(t-Δt)cosω₀(t-Δt)和辅频载波测距延迟信号A′·cosω₂(t-Δt)cosω₀(t-Δt)；其中，A和A′为对应测距信号幅度；Δt为信号传播延迟时间，即

D为天线至反射器间的所测距离，C为光速。

S3：所述主频载波测距延迟信号A·cosω₁(t-Δt)cosω₀(t-Δt)和辅频载波测距延迟信号A′·cosω₂(t-Δt)cosω₀(t-Δt)分别与参考信号源4信号cosω₀t混频后经过带通滤波II10，得到主频测距延迟信号B·cosω₁(t-Δt)和辅频测距延迟信号B′·cosω₂(t-Δt)，B和B′为测距信号幅度，并将其输入到高精度鉴相器11中，最后高精度鉴相器11的内容输入到距离显示12中。

S4：所述主频测距延迟信号B·cosω₁(t-Δt)与主频测距信号cosω₁t鉴相后得相位差ΔΦ₁＝ω₁Δt，辅频测距延迟信号B′·cosω₂(t-Δt)与辅频测距信号cosω₂t鉴相后得相位差ΔΦ₂＝ω₂Δt。

S5：通过以下公式计算测量距离D：

$D=\frac{1}{1-k}\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}[(N_1-N_2)+\frac{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_2)}{2\mathrm{\π}}]$

其中，N₁为主频测距信号相位差ΔΦ₁中周期2π的整数倍数，N₂为辅助频率测距信号相位移中ΔΦ₂周期2π的整数倍数，λ₁为主频测距信号f₁的波长(

C为光速)，k为辅助频率f₂和主频率f₁之间的比例系数，f₂＝k·f₁。

S6：所述主频测距信号相位差ΔΦ₁中周期2π的整数倍数N₁与辅频测距信号相位差ΔΦ₂中周期2π的整数倍数N₂之差(N₁-N₂)通过以下公式来确定：

当ΔΦ₁＞ΔΦ₂时，(N₁-N₂)＝0；

当ΔΦ₁＜ΔΦ₂时，(N₁-N₂)＝1。

S7：所述k值由测距范围D_max与主频测距信号f₁的波长λ₁关系，即

确定，如测距范围D_max取主频测距信号f₁半波长的10的整数倍，即

可取：

$k=1-\frac{1}{{10}^M},$ M＝1，2，3...且为整数。

所述主频测距信号f₁和辅频测距信号f₂为常规中频信号，所述参考信号f₀为微波信号。

所述微波无源反射器1采用对微波具有较强反射性能的廉价金属材质制作而成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，其特征在于：包括以下步骤： 

S1：先由测距信号源（3）产生主频测距信号f₁，该信号通过测距系统后得到主频测距信号相位差ΔΦ₁； 

S2：再由测距信号源（3）产生辅频测距信号f₂，该信号通过测距系统后得到辅频测距信号相位差ΔΦ₂； 

S3：通过以下公式计算所测量距离D： 

该式的最大可测量范围为其中，N₁为主频测距信号相位移ΔΦ₁中周期2π的整数倍，N₂为辅频测距信号相位移ΔΦ₂中周期2π的整数倍，λ₁为主频测距信号f₁的波长，即

C为光速，k为辅频f₂和主频f₁的比例系数，即f₂=k·f₁； 

所述主频测距相位差ΔΦ₁和辅频测距相位差ΔΦ₂分别通过以下方式得到： 

S11：所述主频测距信号f₁和辅频测距信号f₂先后与参考信号源(4)混频得到主频载波测距信号和辅频载波测距信号； 

S12：所述主频载波测距信号和辅频载波测距信号先后经功放(5)、发射天线(6)发射至无源反射器(1)，并被原路反射回至接收天线(7)，然后经过低噪放(8)放大、带通滤波I(9)滤除杂波，分别得到主频载波测距延迟信号和辅频载波测距延迟信号； 

S13：所述主频载波测距延迟信号和辅频载波测距延迟信号分别与参考信号源(4)混频和带通滤波II，解调得到主频测距延迟信号f₁′和辅频测距延迟信号f₂′； 

S14：所述主频测距延迟信号f₁′先送入高精度鉴相器(11)与测距信号源（3）的主频测距信号f₁比较，得主频测距相位差ΔΦ₁； 

S15：所述辅频测距延迟信号f₂′后送入高精度鉴相器（11）与测距信号源（3）的辅频测距信号f₂比较，得辅频测距相位差ΔΦ₂； 

所述主频测距信号f₁相位差ΔΦ₁中周期2π的整数倍数N₁与辅频测距信号f₂相位差ΔΦ₂中周期2π的整数倍数N₂之差(N₁-N₂)通过以下公式来确定： 

当ΔΦ₁＞ΔΦ₂时，(N₁-N₂)=0； 

当ΔΦ₁＜ΔΦ₂时，(N₁-N₂)=1。 

2.根据权利要求1所述的基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，其特征在于：所述k值由测距范围D_max与主频测距信号f₁的波长λ₁关系，即确定，测距范围D_max取主频测距信号f₁半波长的10的整数次方倍，即

可取： 

且为整数。 

3.根据权利要求2所述的基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，其特征在于：所述参考信号源（4）发出的是微波信号f₀，而主频测距信号f₁和辅频测距信号f₂为常规的中频信号。 

4.根据权利要求3所述的基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，其特征在于：所述微波无源反射器采用对微波具有较强反射性能的金属材质制作而成。 

5.根据权利要求4所述的基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法，其特征在于：所述主频测距延迟信号f₁′与主频测距信号f₁的频率相同，所述辅频测距延迟信号f₂′与辅频测距信号f₂的频率相同。 

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