CN109444870A - 一种测距方法、装置及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测距方法，该方法通过混频器测距，包括步骤：将同一射频信号功分成两路相同频率不同相位的信号；所述混频器的LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率计算所述被测距离。本发明方法利用混频器的器件特性，将信号转换成相位差数据，进行距离测算，精度较高，测量范围广；本发明还提供了测距装置和系统，只需要一对天线(发射天线、接收天线)即可实现高精度测距，对信号形式无特殊要求(连续波、脉冲都可)，利于辅助实现对测量参数的高精度计算。

Description

一种测距方法、装置及其系统
技术领域
本发明涉及微波测距技术领域，具体而言，为一种测量方法、装置及其系统。
背景技术
激光或微波测距应用越来越广泛，由于其具有测量精度高、反应速度快、定向性好等优点，常应用于军事上微波雷达测距，交通微波雷达测速和测距、航海定位、地形测量等。
根据不同的测量环境和测量领域，测距主要有干涉法、反馈法、脉冲法、相位法四种。
干涉法是利用干涉原理，平行两信号在固定夹角和间距下通过测量相位差换算成距离，想要获得高测量精度，需很大的间距；反馈法是利用反馈原理通过使振荡频率与待测距离相关，测量频率求得距离，高测量精度需高频射频电路来保证；脉冲法是通过测量微波传输时间换算成距离的方法，目前主要应用于雷达和激光领域，精度一般在1米左右。
相位式测距精度较高，常被用在精密测距中，其测距测量精度可达毫米量级，相对误差可达百万分之一。目前测相单元多数对电路要求较高，从而使精确测相变得困难，或者使用的后续信号处理电路复杂，从而造成成本较高。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的测距方法，通过混频器实现，并提供了可实施该方法的装置和系统。
为了实现上述目的，本发明提供的一种测距方法，该方法通过混频器测距，包括步骤：
S1.将同一射频信号功分成两路相同频率不同相位的信号；
S2.所述混频器的LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；
S3.根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率计算所述被测距离。
进一步的，上述的测距方法中，所述根据所述LO端和RF端输入信号的相位差计算所述被测距离包括：
S31.根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；
S32.根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离。
进一步的，上述的测距方法中，根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；计算公式为：
λ＝c/f；
λ为波长，c为波速，f为频率。
根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离，计算公式为：
L＝λ*φ/360；
L为被测距离，Φ为相位差，单位为°。
360为常数，代表一个完整相位周期，单位为°。
进一步的，上述的测距方法中，在所述根据所述LO端和RF端输入信号的相位差计算所述被测距离之前，还包括步骤：
S4.对测量精度进行分析，以及
S5.根据分析结果，调整信号频率。
进一步的，上述的测距方法中，步骤S4.对测量精度分析包括：
S41.通过模糊算法推算相位误差模糊阈值；
S42.根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离；
S43.根据最大不模糊距离计算信号频率值。
第二方面，本发明还提供了一种测距装置，包括功分器、混频器以及数据处理单元；功分器用于接收射频信号并将其功分成两路相同频率不同相位的信号；
所述混频器，其LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；
数据处理单元，用于根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率计算所述被测距离。
第三方面，本发明还提供了一种测距系统，包括处理器和存储介质，存储介质中存储有程序，所述程序被所述处理器运行时执行以下步骤：
设置计算规则；
获取混频器LO端的本振信号和RF端传输的在被测距离反射的延迟信号；两信号频率相同、相位不同；
根据相位差和频率，按照所述计算规则计算所述被测距离。
进一步的，上述的测距系统，所述所述计算规则包括：
根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；计算公式为：
λ＝c/f；
λ为波长，c为波速，f为频率。
根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离，计算公式为：
L＝λ*φ/360；
L为被测距离，Φ为相位差，单位为°。
360为常数，代表一个完整相位周期，单位为°。
进一步的，上述的测距系统，还包括：
当被测距离超过信号一个波长的长度时，程序执行步骤：对测量精度进行分析，以及
根据分析结果，发出调整信号频率指令。
进一步的，上述的测距系统，对测量精度分析包括：
通过模糊算法推算相位误差模糊阈值；
根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离；
根据最大不模糊距离计算信号频率值域，
本发明具有如下有益效果：
本发明一种测距方法，利用混频器的器件特性，将信号转换成相位差数据，进行距离测算，精度较高，测量范围广；本发明提供的测距装置只需要一对天线(发射天线、接收天线)即可实现高精度测距，对信号形式无特殊要求(连续波、脉冲都可)；本发明提供的用于实现上述测距方法的系统，利于辅助实现对测量参数的高精度计算。
附图说明
图1为本发明一种测距方法的一个具体实施例的流程图。
图2为图中所示测距方法中，步骤S5.以后执行的步骤流程图；
图3为本发明一种测距装置的一个具体实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例为本发明技术方案进行详细阐述，以便于本领域技术人员理解本发明。
实施例1
图1、2所示的，一种测距方法，该方法通过混频器测距，包括步骤：
S1.将同一射频信号功分成两路相同频率、不同相位的信号；
S2.所述混频器的LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；
S3.根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率作为数据基础计算所述被测距离。
本发明将同一射频信号功分成两路相同频率不同相位的信号，一路直接进入IQ混频器LO端，另一路通过发射天线发射出去，经过被测距离后，接收反射回来的信号进入混频器RF端，根据IQ混频器工作原理，IQ混频器输出的I、Q信号的相位关系为LO和RF端射频信号的相位差。
这个相位差由输入到IQ混频器LO和RF端的延迟长度差和信号的频率决定，而在频率固定的情况下，信号的频率和相位差成线性关系，从而实现测量信号的延迟长度差，计算出被测距离。
具体的，所述根据所述LO端和RF端输入信号的相位差计算所述被测距离，包括步骤：
S31.根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；；计算公式为：
λ＝c/f；
λ为波长，c为波速，f为频率。
S32.根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离，计算公式为：
L＝λ*φ/360；
L为被测距离，Φ为相位差，单位为°。
360为常数，代表一个完整相位周期，单位为°。
例如，现阶段射频IQ混频器相位不平衡度指标(相位差)为2度(RMS)，射频信号频率为20GHz，则信号在空气中传播波长为：
λ＝3×108/(20×109)＝0.015(米)；
则根据波长计算出被测距离为：
0.015×(2/360)＝0.000083(米)，即0.083mm(RMS)。
距离测量精度非常高。
实施例2
在任何频率下，相位差对应距离，是线性关系；但信号波形循环一周为360°，相位以360°为周期，则会使得比如一个5°的相位和一个365°的相位在实际测试下都显示为5°，这样就产生了模糊，即5°对应的距离和365°对应的距离，计算结果相同；故而，计算距离时，最长只能测量一个波长的距离，否则就会产生相位模糊，应用场合非常有限。
上述实施例1中，对于20GHz信号，最长只能测量一个波长的距离，即0.015米；如果要实现更长的测距功能，需选取波长更长的信号，进行模糊计算分析。
因此，由于相位精度限制，本发明在计算被测距离之前，需要对测量精度进行分析，确定当前信号频率和相位差保证测量精度的极限距离(即最大不模糊距离)。
计算出最大不模糊距离的目的是调整频率，使最大不模糊距离大于被测的最大距离，以免产生模糊。
进一步的，本发明方法中，在所述根据所述LO端和RF端输入信号的相位差计算所述被测距离之前，还包括步骤：
S4.对测量精度进行分析，以及
S5.根据分析结果，调整信号频率。
具体的，S4.对测量精度分析包括：
S41.通过模糊算法推算相位误差模糊阈值；
S42.根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离。
其中，步骤S41.通过模糊算法推算相位误差模糊阈值包括：
通过RMS(即多次测量的均方根值)公式推算最大相位误差A，并预设工程实现误差B以及解模糊算法需考虑的计算冗余C，三者之和作为相位误差模糊阈值R，记为：
R＝A+B+C。
本实施例中，预设工程实现误差为±12度，解模糊算法需考虑的计算冗余规定为最大误差±20度.
则，S42.根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离为：
MaxW＝λ*(360/R)。
例如，以IQ混频器相位不平衡度指标为2度为计算依据，根据RMS(即多次测量的均方根值)公式推算后最大相位误差约为±8度，工程实现上的一些误差，约为±12度，加上解模糊算法需考虑一些计算冗余规定最大误差±20度为解模糊界限，即40度的模糊区(相位误差模糊阈值)。
根据40度的模糊区计算，比20GHz信号上一层信号的波长，带入公式MaxW＝λ*(360/R)，计算得出：
0.015×(360/40)＝0.135(米)；
即能测试的最大不模糊距离为0.135米。
S43.根据最大不模糊距离计算信号频率值，将公式λ＝c/f进行推导，f＝c/λ；
由此上述算例中计算信号频率f需大于：
3×108/0.135＝2.22×109(Hz)＝2.22GHz。
以此类推，通过几级的解模糊计算，可测量的最大不模糊距离可以很大。而每一级信号的相位都和距离成线性关系，比如频率1MHz信号，0到360°对应0到100米；频率10MHz信号，0到3600°对应0到100米，以此类推。
步骤S5.中，计算出几级频率数据后，通过功分器发射脉冲信号，将计算出的不同频率信号分别对被测物发射，经过被测距离后，IQ混频器的RF端接收反射信号，连同直接进入IQ混频器LO端的发射信号，通过IQ混频器输出信号幅度计算相位，通过相位解模糊计算确定不模糊的相位，通过步骤S31、S32，计算出被测距离。
例如，设最大不模糊距离为100米，要实现的测量精度为1mm(RMS)(指测试场景需要能达到的测距误差均方根值)，
由解模糊算法反推计算，选取第一级信号频率1MHz(最不模糊距离300米，实现150米测距)，第二级信号频率8MHz，第三级信号频率60MHz，第四级信号频率500MHz，第五级信号频率4GHz(可实现测距精度0.2mm(RMS))，适应不同测量场景，相应选取不同频率信号即可。
实施例3
第二方面，本发明还提供了一种测距装置，如图3所示的，包括功分器、混频器以及数据处理单元；功分器用于接收射频信号并将其功分成两路相同频率不同相位的信号；一路直接进入IQ混频器LO端，另一路通过发射天线发射出去以经过被测距离后反射回来；
所述混频器，其LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；
数据处理单元，用于根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率计算所述被测距离。
该装置用于实施本发明测距方法，利用IQ混频器获取相位差信号数据基础，进行被测距离的计算。所述数据处理单元可通过芯片、计算机等实现。其中，数据处理单元进行的计算步骤包括实施例中S1.至S5.，此处不再赘述。
实施例4
本发明还提供了一种测距系统，包括处理器和存储介质，存储介质中存储有程序，所述程序被所述处理器运行时执行以下步骤：
设置计算规则；
获取混频器LO端的本振信号和RF端传输的在被测距离反射的延迟信号；两信号频率相同、相位不同；
根据相位差和频率，按照所述计算规则计算所述被测距离。
进一步的，所述的测距系统中，所述所述计算规则包括：
根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；计算公式为：
λ＝c/f；
λ为波长，c为波速，f为频率。
根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离，计算公式为：
L＝λ*φ/360；
L为被测距离，Φ为相位差，单位为°。
360为常数，代表一个完整相位周期，单位为°。
进一步的，当被测距离超过信号一个波长的长度时，程序执行步骤：对测量精度进行分析，以及
根据分析结果，发出调整信号频率指令。
其中，对测量精度分析包括：
通过模糊算法推算相位误差模糊阈值；
根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离。
其中，通过模糊算法推算相位误差模糊阈值包括：
通过RMS(即多次测量的均方根值)公式推算最大相位误差A，并预设工程实现误差B以及解模糊算法需考虑的计算冗余C，三者之和作为相位误差模糊阈值R，记为：
R＝A+B+C。
本实施例中，预设工程实现误差为±12度，解模糊算法需考虑的计算冗余规定为最大误差±20度.
则，根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离为：
Max W＝λ*(360/R)。
根据最大不模糊距离计算信号频率值域，将公式λ＝c/f进行推导，f＝c/λ；计算出信号频率f的值。
获得上述信号频率后，发出调整频率指令，令对应的上述实施例3中的测距装置调整频率，发出脉冲信号进行测距。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测距方法，该方法通过混频器测距，其特征在于，包括步骤：
S1.将同一射频信号功分成两路相同频率不同相位的信号；
S2.所述混频器的LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；
S3.根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率计算所述被测距离。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述根据所述LO端和RF端输入信号的相位差计算所述被测距离包括：
S31.根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；
S32.根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离。
3.根据权利要求2所述的测距方法，其特征在于，根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；计算公式为：
λ＝c/f；
λ为波长，c为波速，f为频率。
根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离，计算公式为：
L＝λ*φ/360；
L为被测距离，Φ为相位差，单位为°。
360为常数，代表一个完整相位周期，单位为°。
4.根据权利要求3所述的测距方法，其特征在于，在所述根据所述LO端和RF端输入信号的相位差计算所述被测距离之前，还包括步骤：
S4.对测量精度进行分析，以及
S5.根据分析结果，调整信号频率。
5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，步骤S4.对测量精度分析包括：
S41.通过模糊算法推算相位误差模糊阈值；
S42.根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离；
S43.根据最大不模糊距离计算信号频率值。
6.一种测距装置，其特征在于，包括功分器、混频器以及数据处理单元；功分器用于接收射频信号并将其功分成两路相同频率不同相位的信号；
所述混频器，其LO端接收其中一路信号，RF端接收另一路信号在被测距离上的反射信号；
数据处理单元，用于根据所述LO端和RF端输入信号的相位差和频率计算所述被测距离。
7.一种测距系统，包括处理器和存储介质，存储介质中存储有程序，其特征在于：所述程序被所述处理器运行时执行以下步骤：
设置计算规则；
获取混频器LO端的本振信号和RF端传输的在被测距离反射的延迟信号；两信号频率相同、相位不同；
根据相位差和频率，按照所述计算规则计算所述被测距离。
8.根据权利要求7所述的测距系统，其特征在于，所述所述计算规则包括：
根据所述输入信号的频率确定该信号波长大小；计算公式为：
λ＝c/f；
λ为波长，c为波速，f为频率。
根据所述波长与相位差的线性关系，计算所述被测距离，计算公式为：
L＝λ*φ/360；
L为被测距离，Φ为相位差，单位为°。
360为常数，代表一个完整相位周期，单位为°。
9.根据权利要求8所述的测距系统，其特征在于，还包括：
当被测距离超过信号一个波长的长度时，程序执行步骤：对测量精度进行分析，以及
根据分析结果，发出调整信号频率指令。
10.根据权利要求9所述的测距系统，其特征在于，对测量精度分析包括：
通过模糊算法推算相位误差模糊阈值；
根据相位误差模糊阈值计算最大不模糊距离；
根据最大不模糊距离计算信号频率值域。
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