CN102830395A - 一种高精度相位式微波测距装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波测距技术领域，并公开了一种高精度相位式微波测距装置及方法，具体包括：测距信号源输出两路相同测距信号cos wt，一路测距信号调制在微波载波上并通过功放后经过天线发射出去，无源反射器将信号反射回至测距仪，经过低噪放、带通滤波滤除杂波，并解调得到测距延迟信号cos(wt-Φ)，然后对测距延迟信号cos(wt-Φ)和信号源另一路信号cos wt分别与参考信号cos w0t做差频鉴相处理获得相位差Φ，进一步利用相位差Φ与被测距离D的正比关系求得距离D。本发明的微波测距装置和方法成本低，具有全天候、低成本、精度高(mm级)等优点，测程达1km以上。
Description
技术领域
本发明属于微波测距技术领域，尤其涉及一种高精度相位式微波测距装置及方法。
背景技术
微波测距是一种非接触式的能较准确测量两点之间距离方法，采用微波作为载波，它经由天线发射测距信号，遇到待测目标后，信号被反射并被接收天线接收，通过对发射和反射信号之间关系进行数据处理进而可求解得待测距离。
按照发射信号方式不同，可以分为脉冲式和相位式微波测距。脉冲式测距在很多场合有着重要应用，但其精度为dm级，在一些高精度测距领域中的应用越来越受到限制。而在相位式微波测距方式中，主要采用主副台微波测距仪，即将测距仪主、副台分别安置在测线两端，主台发射的测距信号被副台接收后，再由副台转发给主台，且在主台发射信号时，副台也同时发射信号给主台，经混频处理即可算出主台发射的信号往返于测线所产生的滞后相位差，进而推求待测距离。虽然其精度可达mm级，但是其载波频率达20GHz左右甚至更高，并且其主副台都进行混频等操作的工作方式比较复杂，造成测距仪成本昂贵，单价可达几十万。
为此，本发明的目的旨在提供一种测距装置和方法，即在保证高精度测距基础上，使微波测距仪工作方式和测距系统简化、进一步使成本极大降低。
发明内容
针对现有微波测距方法存在精度不高或精度高但价格昂贵情况，本发明公开了一种微波测距的装置，同时本发明还公开了一种微波测距的方法。
本发明的技术方案如下：
一种微波测距装置，其体征在于具体包括：微波测距仪、无源反射器，所述微波测距仪发射调制在微波载波上的测距信号cos wt并接收无源反射器反射回的微波测距延迟信号、解调得测距延迟信号cos(wt-Φ)，所述微波测距仪分别对两组信号cos wt与cos w0t、cos(wt-Φ)与cos w0t进行混频、低通滤波后的两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]进行高精度鉴相得相位差Φ，根据相位差Φ计算出微波测距仪和无源反射器距离D；所述微波测距仪调制和解调单元工作在相同微波载波频段。其中w测距信号的频率，w0为参考信号的频率，Φ为相位差，t为时间。
优选地，所述微波测距仪包括测距信号源、调制单元、载波信号源、功放、微波测距仪天线、低噪放、带通滤波、解调单元、参考信号源、鉴相器、显示器，所述微波无源反射器可以采用对微波具有较强反射性能的廉价金属材质制作而成；所述测距信号源用于产生测距信号cos wt，并将一部分测距信号cos wt送入调制单元，调制后的微波信号通过功放后经微波测距仪天线发射，另外一部分测距信号cos wt与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波后得cos(w-w0)t并送入鉴相器做鉴相参考；所述载波信号源给调制单元提供载波信号；所述无源反射器将接收到微波信号发射至测距仪；微波测距仪天线接收到无源反射器反射的微波延迟信号，经过低噪放放大、带通滤波滤除杂波后送入解调单元，解调得到的测距延迟信号cos(wt-Φ)与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波得cos[(w-w0)t-Φ]后送入鉴相器；鉴相器对两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]鉴相得相位差Φ，进一步得测距仪和被测点距离D，并发送给显示器。
优选地，所述微波测距仪还包括第一混频器、第二混频器，第一低通滤波器、第二低通滤波器，一部分参考信号cos w0t与测距信号cos wt混频后送入第一低通滤波器，滤波后送入鉴相器；另一部分参考信号cos w0t与测距延迟信号cos(wt-Φ)混频后送入第二低通滤波器，滤波后送入鉴相器；其中测距信号频率w大于参考信号频率w0。
优选地，所述测距装置还包括环形器，所述环形器依序设置连接发射端功放、测距仪天线、接收端低噪放。
本发明还公开了一种微波测距方法，其具体包括以下步骤：
所述微波测距仪发射调制在微波载波上的测距信号cos wt并接收无源反射器反射回的微波测距延迟信号、解调得测距延迟信号cos(wt-Φ)，所述微波测距仪分别对两组信号cos wt与cos w0t、cos(wt-Φ)与cos w0t进行混频、低通滤波后的两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]进行高精度鉴相得相位差Φ，根据相位差Φ计算出微波测距仪和无源反射器距离D；所述微波测距仪调制和解调单元工作在相同微波载波频段。其中w测距信号的频率，w0为参考信号的频率，Φ为相位差，t为时间。
优选地，所述微波测距仪包括测距信号源、调制单元、载波信号源、功放、微波测距仪天线、低噪放、带通滤波、解调单元、参考信号源、鉴相器、显示器，所述微波无源反射器可以采用对微波具有较强反射性能的廉价金属材质制作而成；所述测距信号源用于产生测距信号cos wt，并将一部分测距信号cos wt送入调制单元，调制后的微波信号通过功放后经微波测距仪天线发射，另外一部分测距信号cos wt与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波后得cos(w-w0)t并送入鉴相器做鉴相参考；所述载波信号源给调制单元提供载波信号；所述无源反射器将接收到微波信号发射至测距仪；微波测距仪天线接收到无源反射器反射的微波延迟信号，经过低噪放放大、带通滤波滤除杂波后送入解调单元，解调得到的测距延迟信号cos(wt-Φ)与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波得cos[(w-w0)t-Φ]后送入鉴相器；鉴相器对两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]鉴相得相位差Φ，进一步得测距仪和被测点距离D，并发送给显示器。
优选地，所述微波测距仪还包括第一混频器、第二混频器，第一低通滤波器、第二低通滤波器，一部分参考信号cos w0t与测距信号cos wt混频后送入第一低通滤波器，滤波后送入鉴相器；另一部分参考信号cos w0t与测距延迟信号cos(wt-Φ)混频后送入第二低通滤波器，滤波后送入鉴相器；其中测距信号频率w大于参考信号频率w0。
优选地，所述的微波测距方法，其特征在于所述测距装置还包括环形器，所述环形器依序设置连接发射端功放、测距仪天线、接收端低噪放。
优选地，所述鉴相器的鉴相方法为时间测量法、数字相关系数鉴相法或频域傅立叶鉴相法中的一种。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案有如下有益效果：本发明的装置及测距方法成本低，本发明的微波测距装置具有全天候、低成本、精度高(mm级)等优点，测程达1km以上。
附图说明
图1为本发明的微波测距装置的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
本发明公开了一种微波测距装置，其体征在于具体包括：微波测距仪、无源反射器，所述微波测距仪发射调制在微波载波上的测距信号cos wt并接收无源反射器反射回的微波测距延迟信号、解调得测距延迟信号cos(wt-Φ)，所述微波测距仪分别对两组信号cos wt与cos w0t、cos(wt-Φ)与cos w0t进行混频、低通滤波后的两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]进行高精度鉴相得相位差Φ，根据相位差Φ计算出微波测距仪和无源反射器距离D；所述微波测距仪调制和解调单元工作在相同微波载波频段。其中w测距信号的频率，w0为参考信号的频率，Φ为相位差，t为时间。本发明的微波距装置及方法具有全天候、低成本、精度高(mm级)等优点，测程达1km以上。
优选地，所述微波测距仪包括测距信号源、调制单元、载波信号源、功放、微波测距仪天线、低噪放、带通滤波、解调单元、参考信号源、鉴相器、显示器，所述微波无源反射器可以采用对微波具有较强反射性能的廉价金属材质制作而成；所述测距信号源用于产生测距信号cos wt，并将一部分测距信号cos wt送入调制单元，调制后的微波信号通过功放后经微波测距仪天线发射，另外一部分测距信号cos wt与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波后得cos(w-w0)t并送入鉴相器做鉴相参考；所述载波信号源给调制单元提供载波信号；所述无源反射器将接收到微波信号发射至测距仪；微波测距仪天线接收到无源反射器反射的微波延迟信号，经过低噪放放大、带通滤波滤除杂波后送入解调单元，解调得到的测距延迟信号cos(wt-Φ)与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波得cos[(w-w0)t-Φ]后送入鉴相器；鉴相器对两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]鉴相得相位差Φ，进一步得测距仪和被测点距离D，并发送给显示器。所述无源反射器可以采用廉价的金属材料制成，一个测点安装一个测点即可，极大地降低了系统测量成本。
优选地，所述微波测距仪还包括第一混频器、第二混频器，第一低通滤波器、第二低通滤波器，一部分参考信号cos w0t与测距信号cos wt混频后送入第一低通滤波器，滤波后送入鉴相器；另一部分参考信号cos w0t与测距延迟信号cos(wt-Φ)混频后送入第二低通滤波器，滤波后送入鉴相器；其中测距信号频率w大于参考信号频率w0。因为混频、并低通滤波后的两低频信号之间仍然保留着测距信号cos wt和测距延迟信号cos(wt-Φ)的相位差Φ，信号频率较之前得到降低，使得鉴相难度得以降低，进而鉴相精度得到提高。
附图1中，设测距信号为cos wt，参考信号为cos w0t，则测距仪接收解调后的测距延迟信号为cos(wt-Φ)，其中相位延迟Φ＝w·Δt，Δt为测距信号的传播往返时间。则上述两信号分别和参考信号混频、低通滤波后的待鉴相的信号为：cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]；它们之间的相位差为Φ，与降频前的cos wt和cos(wt-Φ)间相位差Φ一致，但这两待鉴相的信号频率由之前的w降低到了(w-w0)，低频信号的获得，使得信号周期极大拓展开，鉴相难度得到降低，高频电路效应对相位测量的影响较大地抑制，最终的鉴相精度得到提高，进一步使得微波测距精度大大提高。
优选地，所述测距装置还包括环形器，所述环形器依序设置连接发射端功放、测距仪天线、接收端低噪放。使测距仪的发射端和接收端共用一根天线，从而使测距结构简单，并且避免了收、发天线分开测距时两天线间测距信号的干扰。
本发明还公开了一种微波测距方法，其具体包括以下步骤：所述微波测距仪发射调制在微波载波上的测距信号cos wt并接收无源反射器反射回的微波测距延迟信号、解调得测距延迟信号cos(wt-Φ)，所述微波测距仪分别对两组信号cos wt与cos w0t、cos(wt-Φ)与cos w0t进行混频、低通滤波后的两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]进行高精度鉴相得相位差Φ，根据相位差Φ计算出微波测距仪和无源反射器距离D；所述微波测距仪调制和解调单元工作在相同微波载波频段。其中w测距信号的频率，w0为参考信号的频率，Φ为相位差，t为时间。其测量方法成本低，同时有效微波信号的传输距离可以达到数公里，测距范围大。
优选地，所述微波测距仪包括测距信号源、调制单元、载波信号源、功放、微波测距仪天线、低噪放、带通滤波、解调单元、参考信号源、鉴相器、显示器，所述微波无源反射器可以采用对微波具有较强反射性能的廉价金属材质制作而成；所述测距信号源用于产生测距信号cos wt，并将一部分测距信号cos wt送入调制单元，调制后的微波信号通过功放后经微波测距仪天线发射，另外一部分测距信号cos wt与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波后得cos(w-w0)t并送入鉴相器做鉴相参考；所述载波信号源给调制单元提供载波信号；所述无源反射器将接收到微波信号发射至测距仪；微波测距仪天线接收到无源反射器反射的微波延迟信号，经过低噪放放大、带通滤波滤除杂波后送入解调单元，解调得到的测距延迟信号cos(wt-Φ)与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波得cos[(w-w0)t-Φ]后送入鉴相器；鉴相器对两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]鉴相得相位差Φ，进一步得测距仪和被测点距离D。所述无源反射器采用廉价的金属材料制成，一个测点安装一个测点即可，极大地降低了系统测量成本。
优选地，所述微波测距仪还包括第一混频器、第二混频器，第一低通滤波器、第二低通滤波器，一部分参考信号cos w0t与测距信号cos wt混频后送入第一低通滤波器，滤波后送入鉴相器；另一部分参考信号cos w0t与测距延迟信号cos(wt-Φ)混频后送入第二低通滤波器，滤波后送入鉴相器；其中测距信号频率w大于参考信号频率w0。因为混频、并低通滤波后的两低频信号之间仍然保留着测距信号cos wt和测距延迟信号cos(wt-Φ)的相位差Φ，信号频率较之前得到降低，使得鉴相难度得以降低，进而鉴相精度得到提高。
附图1中，设测距信号为cos wt，参考信号为cos w0t，则测距仪接收解调后的测距延迟信号为cos(wt-Φ)，其中相位延迟Φ＝w·Δt，Δt为测距信号的传播往返时间。则上述两信号分别和参考信号混频、低通滤波后的待鉴相的信号为：cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]；它们之间的相位差为Φ，与降频前的cos wt和cos(wt-Φ)间相位差Φ一致，但这两待鉴相的信号频率由之前的w降低到了(w-w0)，低频信号的获得，使得信号周期极大拓展开，鉴相难度得到降低，高频电路效应对相位测量的影响较大地抑制，最终的鉴相精度得到提高，进一步使得微波测距精度大大提高。
其中调制单元和解调单元的调制解调方式可以是FM调制、AM调制、PM调制等调制方式中的一种，载波频段为1.2GHz，2.4GHz，5.8GHz等频段中的一种，载波频率的降低使得测距成本极大降低。本领域的技术人员可以根据需要进行选择。
优选地，所述的微波测距方法，其特征在于所述测距装置还包括环形器，所述环形器依序设置连接发射端功放、测距仪天线、接收端低噪放。使测距仪的发射端和接收端共用一根天线，从而使测距结构简单，并且避免了收、发天线分开测距时两天线间测距信号的干扰。
优选地，所述鉴相器的鉴相方法为时间测量法、数字相关系数鉴相法或频域傅立叶鉴相法中的一种。可以采用基于高精度测时芯片TDC-GP1或TDC-GP2时间测量鉴相方法，得到高精度鉴相结果、进一步得高精度测距精度。当然也可以采用数字相关系数法、频域傅立叶鉴相法等得到鉴相和测距结果，本领域的技术人员可以选择不同的鉴相器及鉴相方法进行，在此不再赘述。
这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本发明的范围通过附加的权利要求进行详细说明。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种微波测距装置，其体征在于具体包括：微波测距仪、无源反射器，所述微波测距仪发射调制在微波载波上的测距信号cos wt并接收无源反射器反射回的微波测距延迟信号、解调得测距延迟信号cos(wt-Φ)；所述微波测距仪分别对两组信号cos wt与cos w0t、cos(wt-Φ)与cos w0t进行混频、低通滤波后的两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]进行高精度鉴相得相位差Φ，根据相位差Φ计算出微波测距仪和无源反射器距离D；所述微波测距仪调制和解调单元工作在相同微波载波频段；其中w测距信号的频率，w0为参考信号的频率，Φ为相位差，t为时间。
2.如权利要求1所述的微波测距装置，其特征在于所述微波测距仪包括测距信号源、调制单元、载波信号源、功放、微波测距仪天线、低噪放、带通滤波、解调单元、参考信号源、鉴相器、显示器；所述测距信号源用于产生测距信号cos wt，并将一部分测距信号cos wt送入调制单元，调制后的微波信号通过功放后经微波测距仪天线发射，另外一部分测距信号cos wt与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波后得cos(w-w0)t并送入鉴相器做鉴相参考；所述载波信号源给调制单元提供载波信号；所述无源反射器将接收到微波信号反射至测距仪；微波测距仪天线接收到无源反射器反射的微波延迟信号，经过低噪放放大、带通滤波滤除杂波后送入解调单元，解调得到的测距延迟信号cos(wt-Φ)与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波得cos[(w-w0)t-Φ]后送入鉴相器；鉴相器对两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]鉴相得相位差Φ，进一步得测距仪和被测点距离D，并发送给显示器。
3.如权利要求2所述的微波测距装置，其特征在于所述微波测距仪还包括第一混频器、第二混频器，第一低通滤波器、第二低通滤波器，一部分参考信号cos w0t与测距信号cos wt混频后送入第一低通滤波器，滤波后送入鉴相器；另一部分参考信号cos w0t与测距延迟信号cos(wt-Φ)混频后送入第二低通滤波器，滤波后送入鉴相器；其中测距信号频率w大于参考信号频率w0。
4.如权利要求3所述的微波测距装置，其特征在于所述测距装置还包括环形器，所述环形器依序设置连接发射端功放、测距仪天线、接收端低噪放。
5.一种微波测距方法，其具体包括以下步骤：所述微波测距仪发射调制在微波载波上的测距信号cos wt并接收无源反射器反射回的微波测距延迟信号、解调得测距延迟信号cos(wt-Φ)，所述微波测距仪分别对两组信号cos wt与cos w0t、cos(wt-Φ)与cos w0t进行混频、低通滤波后的两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]进行高精度鉴相得相位差Φ，根据相位差Φ计算出微波测距仪和无源反射器距离D；所述微波测距仪调制和解调单元工作在相同微波载波频段；其中w测距信号的频率，w0为参考信号的频率，Φ为相位差，t为时间。
6.如权利要求5所述的微波测距方法，其特征在于所述微波测距仪包括测距信号源、调制单元、载波信号源、功放、微波测距仪天线、低噪放、带通滤波、解调单元、参考信号源、鉴相器、显示器；所述测距信号源用于产生测距信号cos wt，并将一部分测距信号cos wt送入调制单元，调制后的微波信号通过功放后经微波测距仪天线发射，另外一部分测距信号cos wt与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波后得cos(w-w0)t并送入鉴相器做鉴相参考；所述载波信号源给调制单元提供载波信号；所述无源反射器将接收到微波信号反射至测距仪；微波测距仪天线接收到无源反射器反射的微波延迟信号，经过低噪放放大、带通滤波滤除杂波后送入解调单元，解调得到的测距延迟信号cos(wt-Φ)与参考信号源产生的参考信号cos w0t混频、低通滤波得cos[(w-w0)t-Φ]后送入鉴相器；鉴相器对两低频信号cos(w-w0)t和cos[(w-w0)t-Φ]鉴相得相位差Φ，进一步得测距仪和被测点距离D，并发送给显示器。
7.如权利要求6所述的微波测距方法，其特征在于所述微波测距仪还包括第一混频器、第二混频器，第一低通滤波器、第二低通滤波器，一部分参考信号cos w0t与测距信号cos wt混频后送入第一低通滤波器，滤波后送入鉴相器；另一部分参考信号cos w0t与测距延迟信号cos(wt-Φ)混频后送入第二低通滤波器，滤波后送入鉴相器；其中测距信号频率w大于参考信号频率w0。
8.如权利要求7所述的微波测距方法，其特征在于所述测距装置还包括环形器，所述环形器依序设置连接发射端功放、测距仪天线、接收端低噪放。
9.如权利要求8所述的微波测距方法，其特征在于所述鉴相器的鉴相方法为高精度时间测量法、数字相关系数鉴相法或频域傅立叶鉴相法中的一种。
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