CN105842681B - 单程调频连续电磁波高精度测距仪 - Google Patents

Abstract

单程调频连续电磁波高精度测距仪，调频连续波信号发射或接收装置在信号发射电路上设置有第一跳脚开关，在混频信号输出I通道上设置有第二跳脚开关。当第一跳脚开关闭合，而第二跳脚开关断开时，该控制电路板的电路系统仅能工作于信号发射状态下就成为信号发射端。当第一跳脚开关断开，而第二跳脚开关闭合时，这个电路系统仅能工作于信号接收状态下就成为信号接收端。采用发射端直接向接收端发射单程调频连续波信号而测距的模式，信号幅度强、衰减低、信噪比高、仪器成本低、不受烟雾灰尘影响，操作方便、性能可靠，极其适合需要测量部件运动位移信息的各类机电自动化系统所使用。

Description

单程调频连续电磁波高精度测距仪

技术领域

本发明涉及一种利用调频连续电磁波从发射端向接收端单程传输过程中产生的时间和频率差异进行高精度距离测量的测量仪，属于机械制造及其自动化领域，应用于机械装置移动距离的测量。

背景技术

随着经济的全球化以及信息网络的普及化，制造业面临的国际市场竞争已经进入白热化的阶段。制造业必须通过高速、高效、高精度、高自动化的技术手段以及高性能、高质量的产品快速响应市场，才能赢得竞争。

数控机床加工精度鲁棒性控制技术是提高数控机床加工精度的核心技术，也是困扰数控系统研究工作者的一个世界性难题，由于数控机床误差产生的因素复杂且众多，而一直没有取得突破性进展，如果能直接测量到数控机床主轴刀具的空间位置和姿态，就可以通过刀具轨迹的全闭环控制这条途径，解决数控机床加工精度的鲁棒性控制问题。数控机床误差补偿是提高数控机床加工精度的一个有效补救措施。在数控机床误差补偿的研究工作中，其中一项重要内容是数控机床误差源参数的辨识，这种辨识技术需要建立计及误差影响因素的数控机床运动部件位移模型，通过实际测量数控机床的运动部件的位移量，再与所建立的理论模型进行联立，便可从理论模型中求解出数控机床误差源参数。

因此，对数控机床运动部件位移量的直接测量，无论是对于数控机床误差补偿技术还是对于数控机床加工精度鲁棒性控制都是十分重要的一个内容。以往，人们通过双频激光干涉仪测量数控机床运动部件的位移量，但这种测量方法需要在数控机床运动部件整个位移过程中，搭建一个精确的激光测量反射光路，这种光路搭建需要大量的调试时间。特别是在数控机床两个运动部件的联动测量中，需要搭建包含折射镜在内的激光发射光路，不仅这种光路极难调整，而且由于折射镜与其中的一个联动部件存在干涉问题，必须将测量行程分成两半，一半一半的测量数控机床联动位移。因此，研发一种精度高、易操作、效率高的数控机床位移测量仪器就成为人们的一种渴望和梦想。

雷达是依靠接收目标对象反射回的电磁回波而进行测距的，其研究历史已经有近一百年的时间。附图1为雷达测距过程图，图中，该雷达测距系统包括雷达电磁波发送和接收器1、雷达发送和接收天线2、发送的电磁波3、目标物体反射回的电磁波4、待测距离的目标物体5依次连接组成该雷达测距的基本结构。然而，由于雷达接收信号的信噪比低、其目前为辨识测量距离而采用的频域细分方法还无法消除栅栏效应、截断误差、频谱泄露、特别是频率漂移对待测距离辨识精度的影响，因此，雷达的距离测量精度较低，大都只在厘米级别，少数在毫米级别。此外，由于数控机床结构复杂，反射面极多，更使得现有雷达技术无法应用于对数控机床运动部件的位移量进行测量。

发明内容

本发明的目的在于克服目前在使用激光干涉仪和雷达测距中存在的问题，提出一种工作于单程调频连续波体制下的高精度距离测量仪。

本发明提出的高精度测量仪，采取调频连续波信号发射端与接收端相分离的结构，由发射端直接向接收端传送调频连续波信号。利用调频连续波信号在从发射端到接收端单程传送过程中存在的时间延迟现象，通过混频器将延迟时间转换成差频信号而提取出来，从而获得发射端到接收端距离的粗估计值。再以距离粗估计值为初值，在时域内以延迟时间为变量，对差频信号的数据采样值进行细分拟合，从而获得精确的延迟时间，进而获得精确的距离测量值。

图2为本发明提出的距离测量仪测距实施过程图。单程调频连续电磁波高精度测距仪包括调频连续电磁波发射端6、发射天线7、发射出的调频连续电磁波8、接收天线9、信号接收端及信号处理装置10依次相连组成该测量仪。

图3为本发明提出的距离测量仪的接收端、发射端共用的模块电路设计图。该模块电路包括调频连续波信号发射或接收装置和控制电路板，两者通过电路元件连接并进行相互交互。图3中右半部分为一个集锯齿波信号发生、数据采集、信号处理控制与通讯功能为一体的电路板，为了叙述方便，简称为控制电路板。该控制电路板以数字信号处理器DSP芯片为核心；配置有现场可编程门电路用于产生电路板工作所需的时序逻辑控制信号；配置有数据采集电路用于获取差频信号的采样值；配置有信号发生器用于产生锯齿波信号。图3中左半部分为调频连续波信号发射或接收装置。调频连续波信号发射或接收装置在信号发射电路上设置有第一跳脚开关，在混频信号输出I通道上设置有第二跳脚开关。当第一跳脚开关闭合，而第二跳脚开关断开时，该控制电路板的电路系统仅能工作于信号发射状态下，没有信号接收功能，因此，就成为信号发射端。当第一跳脚开关断开，而第二跳脚开关闭合时，这个电路系统仅能工作于信号接收状态下，没有信号发射功能，因此，就成为信号接收端。调频连续波信号发射或接收装置由压控振荡器VCO、发射接收天线、环形器、两个乘法器以及两个跳脚开关组成。当该器件处于信号发射状态时(即第一跳脚开关闭合，第二跳脚开关断开)，其工作过程是，由控制电路板送来一个锯齿波电压信号，该锯齿波电压信号作用在压控振荡器VCO上，产生一个随电压变化的调频连续波信号，通过环形放大器放大后，从发射天线上发射出去。当该器件处于信号接收状态时(即第一跳脚开关断开，第二跳脚开关闭合)，其工作过程是，由控制电路板送来一个与发射端同频、同步、同周期的锯齿波电压信号，该锯齿波电压信号作用在压控振荡器VCO上，产生一个随电压变化的调频连续波信号，这个调频连续波信号并不发射出去，而是作为接收信号的参考比较信号，送乘法器与接收到的调频连续波信号做混频处理，也就是乘法运算，得到一个含有待测距离信息的差频信号。这个差频信号经过右边的控制电路板采样和经快速傅里叶变换后，获得差频信号的频谱和谱峰频率，进而经计算获得待测距离的粗估计值，再在时域做细分精确拟合，获得待测距离的精确值。

以下结合上述装置，进一步详细阐述本发明提出的单程调频连续波测距仪的测距方法。

图4给出了时域内发射信号、接收信号、差频信号各自的频率随时间变化的情况及彼此间相互关系。图中，f₀代表调制信号的基频，f_b代表差频信号的频率，T_m代表频率调制连续波的扫描周期，ΔF_m代表调制频率的带宽。黑色的粗实线代表发射信号，黑色的细实线代表接收信号，底下的黑色的粗实线代表差频信号。

从附图4中可以清晰的看到，接收信号相对于发射信号存在一个延迟时间τ。因此，在同一时刻，发射信号和接收信号之间存在一个频率差f_b。频差f_b与延迟时间τ、扫描周期T_m、调频带宽ΔF_m之间的关系表达式为：

而延迟时间，则由信号从发射端到接收端的传播距离所决定，其表达式为：

式中：R代表扫描调频连续波信号从发射端到信号接收端的距离；

c代表光在大气中的传播速度。

由以上公式，便可推导出差频信号的频率与发射端到接收端距离之间的相互关系方程：

从以上公式可以清楚的看到，只要得知差频信号的频率，就能够获得发射端和接收端之间的距离。这些公式反映出的正是本发明研发的测距仪的基本原理。

为了获得以上所述的差频信号，在信号接收端产生一个和发射端发射出的信号完全相同的同步参考信号，将其与接收到的信号一起送混频器(乘法器)做混频运算，便得到了差频信号，这个过程用如下的过程表达。

依据调频连续波原理，发射端发射的调频连续波信号或者接收端生成的参考比较信号的频率表达为：

发射端发射的调频连续波信号或者接收端自己生成的参考比较信号在t时刻的相角为：

设上述调频连续波信号为余弦信号，则其时域表达方程为：

由于发射出的调频连续波信号需要在空间传播一个距离，才能到达接收端，因此接收端接收到的调频连续波信号相对于发射端发出时的调频连续波信号具有一个时间延迟τ,所以，接收端接收到的调频连续波信号表达式为：

将发射端发出的信号与接收端接收到的信号一起送入混频器做乘法运算，这一过程的数学表达模型为：

设：

则：y₁(t)×y₂(t)＝cos A×cos B＝cos(A-B)＋cos(A＋B)

从混频信号中，滤去高频信号分量，即得到差频信号：

式中：

即为差频信号的频率，它与调频连续波从发射端到接收端的单程传输的时间有关，也与调频连续波从发射端到接收端的单程传输的距离有关。

经使用A/D采集卡对差频信号进行数据采集，将得到的离散数据送数字信号处理器DSP进行快速傅里叶变换，便可获得差频信号的离散频率谱，通过寻找离散谱峰对应的频率，可以获得待测距离的粗估计值。为了获得待测距离的精确值，本发明提出一种时频域混合的测量距离精确估计方法，即以距离粗估计值为初值，在时域内以延迟时间为变量，对差频信号的数据采样值进行细分拟合，从而获得精确的延迟时间，进而获得精确的距离测量值。这也是本发明的一个极其重要的特色内容。

附图说明

图1为通用的雷达测距过程。

图中1、雷达信号发送端 2、发射天线 3、发射出的调频连续波信号 4、被待测物体反射回的调频连续波信号 5、目标物体。

图2本发明提出的单程调频连续波测距仪测距的实施过程图。

图中6、测距仪信号发射端 7、发射天线 8、发射出的调频连续波信号 9、接收天线10、测距仪信号接收端及信号处理装置。

图3本发明提出的单程调频连续波测距仪接收、发射端共用的模块电路设计图。

图4时域内发射信号、接收信号、差频信号各自的频率随时间变化的情况及彼此间相互关系。

具体实施方式

依据图3所述单程调频连续波测距仪接收、发射端共用的模块电路设计图，制作两块模块电路。将其中的一块模块电路的第一跳脚开关接通，第二跳脚开关断开构成本发明提出的测距仪的发射端。将另一块模块电路的第一跳脚开关断开、第二跳脚开关闭合，构成本发明提出的测距的接收端。按图2所示的布局方式，将发射端安置在大地上的固定位置、将接收端固定在待测距离的物体上面。

通过设置数字信号处理器DSP的程序，使得接收端、发射端产生同步、同频的锯齿波信号。具体参数为：锯齿波信号扫描周期为10毫秒；调频连续波的基频为77GHz；调频带宽为：40GHz；此时，发射端已经开始发射调频连续波信号，接收端开始通过串行通信口，实时向外输出发射端与接收端的测定距离。通过计算机读取测距仪输出端串口数据，可以实时显示出测距仪发射端与输出端的距离。向远离发射端的方向移动接收端，可以看到实时测量的距离也随着变大。这样，只要把发射端固定在固定点上，将接收端固定在待测距离的物体上，就可以随时测量任何物体相距固定点的距离。

本发明提出的单程调频连续波测距仪具有成本低，不受烟雾、灰尘影响的特点，可用于替代现有数控机床依靠光栅尺获得机床刀具位置的工作机制，支撑数控系统实现对数控机床刀具空间位置的全闭环控制，彻底排除机床导轨变形、床身变形、热变形等对数控机床加工精度造成的影响，可显著提高数控机床的加工精度。

Claims (2)

1.一种时频域混合的测量距离精确估计方法，实现该方法的测距仪采取调频连续波信号发射端与接收端相分离的结构，由发射端直接向接收端传送调频连续波信号；利用调频连续波信号在从发射端到接收端单程传送过程中存在的时间延迟现象，通过混频器将延迟时间转换成差频信号而提取出来，从而获得发射端到接收端距离的粗估计值；再以距离粗估计值为初值，在时域内以延迟时间为变量，对差频信号的数据采样值进行细分拟合，从而获得精确的延迟时间，进而获得精确的距离测量值；

该测距仪包括调频连续电磁波发射端(6)、发射天线(7)、发射出的调频连续电磁波(8)、接收天线(9)、信号接收端及信号处理装置(10)，调频连续电磁波发射端(6)、发射天线(7)、发射出的调频连续电磁波(8)、接收天线(9)、信号接收端及信号处理装置(10)依次相连；

其特征在于：时域内发射信号、接收信号、差频信号各自的频率随时间变化的情况及彼此间相互关系中，f₀代表调制信号的基频，f_b代表差频信号的频率，T_m代表频率调制连续波的扫描周期，ΔF_m代表调制频率的带宽；

接收信号相对于发射信号存在一个延迟时间τ；因此，在同一时刻，发射信号和接收信号之间存在一个频率差f_b；频率差f_b与延迟时间τ、扫描周期T_m、调频带宽ΔF_m之间的关系表达式为：

而延迟时间，则由信号从发射端到接收端的传播距离所决定，其表达式为：

式中：R代表调频连续波信号从发射端到接收端的距离；

c代表光在大气中的传播速度；

由以上公式，便可推导出差频信号的频率与发射端到接收端距离之间的相互关系方程：

从以上公式清楚的看到，只要得知差频信号的频率，就能够获得发射端和接收端之间的距离；

为了获得以上所述的差频信号，在信号接收端产生一个和发射端发射出的信号完全相同的同步参考信号，将其与接收到的信号一起送混频器即乘法器做混频运算，便得到了差频信号，这个过程用如下的过程表达；

依据调频连续波原理，发射端发射的调频连续波信号或者接收端生成的参考比较信号的频率表达为：

发射端发射的调频连续波信号或者接收端生成的参考比较信号在t时刻的相角为：

设上述调频连续波信号为余弦信号，则其时域表达方程为：

由于发射出的调频连续波信号需要在空间传播一个距离，才能到达接收端，因此接收端接收到的调频连续波信号相对于发射端发出时的调频连续波信号具有一个时间延迟τ，所以，接收端接收到的调频连续波信号表达式为：

将发射端发出的信号与接收端接收到的信号一起送入混频器做乘法运算，这一过程的数学表达模型为：

设：

则：

从混频信号中，滤去高频信号分量，即得到差频信号：

式中：

即为差频信号的频率，它与调频连续波从发射端到接收端的单程传输的时间有关，也与调频连续波从发射端到接收端的单程传输的距离有关。

2.根据权利要求1所述的一种时频域混合的测量距离精确估计方法，其特征在于：测距仪的接收端、发射端共用的模块电路包括调频连续波信号发射或接收装置和控制电路板，两者通过电路元件连接并进行相互交互；该控制电路板以数字信号处理器DSP芯片为核心；配置有现场可编程门电路用于产生电路板工作所需的时序逻辑控制信号；配置有数据采集电路用于获取差频信号的采样值；配置有信号发生器用于产生锯齿波信号；调频连续波信号发射或接收装置在信号发射电路上设置有第一跳脚开关，在混频信号输出I通道上设置有第二跳脚开关；当第一跳脚开关闭合，而第二跳脚开关断开时，该控制电路板的电路系统仅能工作于信号发射状态下，没有信号接收功能，因此，就成为信号发射端；当第一跳脚开关断开，而第二跳脚开关闭合时，这个电路系统仅能工作于信号接收状态下，没有信号发射功能，因此，就成为信号接收端；调频连续波信号发射或接收装置由压控振荡器VCO、发射接收天线、环形器、两个乘法器以及两个跳脚开关组成；当调频连续波信号发射装置处于信号发射状态时即第一跳脚开关闭合、第二跳脚开关断开，其工作过程是，由控制电路板送来一个锯齿波电压信号，该锯齿波电压信号作用在压控振荡器VCO上，产生一个随电压变化的调频连续波信号，通过环形放大器放大后，从发射天线上发射出去；当调频连续波信号接收装置处于信号接收状态时即第一跳脚开关断开、第二跳脚开关闭合，其工作过程是，由右边的控制电路板送来一个与发射端同频、同步、同周期的锯齿波电压信号，该锯齿波电压信号作用在压控振荡器VCO上，产生一个随电压变化的调频连续波信号，这个调频连续波信号并不发射出去，而是作为接收信号的参考比较信号，送乘法器与接收到的调频连续波信号做混频处理，也就是乘法运算，得到一个含有待测距离信息的差频信号；这个差频信号经过右边的控制电路板采样和经快速傅里叶变换后，获得差频信号的频谱和谱峰频率，进而经计算获得待测距离的粗估计值。

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