CN109917368A - 一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：在微波雷达发射端，变频控制模块控制射频源产生系列变频信号[f₀₀,f₀₁,...f_0n]，假设每个频率下由鉴相模块检测出的相位差为S2：利用公式获得绝对距离R的n+1个测量方程组，然后将方程组中的方程进行差频操作形成n个测尺长度为[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]的多级伪测尺测量方程组，且λ_fake1/2＞R；S3：根据伪测尺测量方程获得R的估计值。本发明在不改变系统硬件的条件下，能够实现大范围高精度的绝对距离测量，满足了绝大部分应用场合需求。

Description

一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法。

背景技术

有源异频收发式微波雷达系统能够减小发射机泄漏、多路径回波等干扰信号，具有能够在远距离情况下实现亚毫米级位移的测量能力。图1为有源异频收发式微波雷达测量系统的原理图：微波雷达的发射端与反射器采用异频信号源S₀和S₁，其中S₁通过A组天线发射在发射端内与S₀混频形成低频参考信号S_ref：

S_ref＝A₀cos[2π(f₁-f₀)t-2πf₁Δt+Φ₁-Φ₀] (1)

其中，f₀、f₁分别为信号源S₀和S₁的频率，Φ₀、Φ₁是初始相位，A₀为信号幅度，Δt是由相距R的A组天线发送和接收后产生的延时。

同时，S₀通过A组天线发射并在有源反射器内与S₁混频形成低频信号，低频信号再经过FM调制后由B组天线发射接收，在发射端内经FM解调以后形成测量信号S_meas：

S_meas＝A_meascos[2π(f₁-f₀)t-2πf₁Δt+4πf₀Δt+Φ₁-Φ₀] (2)

其中，A_meas为测量信号的幅值。对比(1)和(2)式可以发现S_ref和S_meas的相位差ΔΦ＝4πf₀Δt，假设电磁波的传播速度为c，则Δt＝R/c，因此存在

其中，N表示正整数，为ΔΦ的非整数周期部分，λ₀表示射频源0信号的波长。由于鉴相模块只能识别存在整周期相位模糊的问题，因此，该系统只能在测尺长度λ₀/2范围内实现绝对距离R的测量或者位移量ΔR的测量。为了提高绝对距离的测量量程，如果采用增长测尺的办法，就需要降低射频源0的频率f₀，表1列出不同测尺长度与测尺频率的对应关系：

表1不同测尺频率下的测尺长度

由表1可知，当测量距离在千米以上的时候，测尺频率将至150KHz以下，而这种频段的微波在空间中衰减非常严重，几乎不能传播；另外，要想在千米距离上实现mm级的绝对距离，其相位检测精度需要达到2π×10^-6，这在技术上也是难以实现的。因此微波雷达在测距中存在测量精度与工作距离之间的矛盾。

针对上述有源异频收发式微波雷达不能在远距离下实现高精度绝对距离测量的问题，本发明提出一种多级差频伪测尺测距方案，以在不改变系统硬件的条件下，实现大范围高精度的绝对距离测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法，在不改变系统硬件的条件下，实现大范围高精度的绝对距离测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法，具体包括以下步骤：

S1：在微波雷达发射端，变频控制模块控制射频源0产生n个变频信号[f₀₀,f₀₁,...,f_0n]，假设每个频率下由鉴相模块检测出的相位差为

S2：利用公式获得绝对距离R的n+1个测量方程组，然后将方程组中的方程进行差频操作形成n个测尺长度为[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]的多级伪测尺测量方程组，其中λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2是分别由差频(f₀₁-f₀₀),(f₀₂-f₀₀),...,(f_0n-f₀₀)形成的伪测尺长度，且λ_fake1/2＞R；

S3：根据伪测尺测量方程获得R的估计值R'。

进一步，所述步骤S2具体包括：利用公式获得绝对距离R的n+1个测量方程组，然后将第<2>到第<n+1>方程与第<1>方程进行差频操作，形成n个测尺长度为[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]多级伪测尺测量方程组，变换过程为：

其中，c为电磁波的传播速度，N₀,N₁,N₂,...,N_n为正整数，λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2是分别由差频(f₀₁-f₀₀),(f₀₂-f₀₀),...,(f_0n-f₀₀)形成的伪测尺长度，且λ_fake1/2＞R。

进一步，所述步骤S3具体包括：

S31：根据第<1>个伪测尺方程获得R的初步估计值R₁'；

S32：按照满足关系设置后续步进频率，其中为鉴相模块的鉴相精度，假设利用第<k>个伪测尺测量方程获得估计值为R'_k，通过(5)式确定第<k+1>个伪测尺测量方程中的整数部分(N_k+1-N₀)：

(N_k+1-N₀)＝floor(2R'_k/λ_fake(k+1)),k＝1,2,...,(n-1) (5)

其中，floor表示向下取整运算；进而再利用第<k+1>个伪测尺测量方程估计出R'_k+1：

通过依次取k＝1,2,...,(n-1)，利用(5)式和(6)式的交叉迭代确定整数部分(N_n-N₀)。

本发明的有益效果在于：本发明在不改变有源异频反射微波雷达系统硬件的条件下，能够实现大范围高精度的绝对距离测量，满足了绝大部分应用场合需求。此外，本发明不仅仅限于有源异频反射微波雷达系统，只要是通过如鉴相方式实现位移测量的微波雷达系统，均可利用本发明所述方法实现绝对距离的测量。

本发明的其他优点、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。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

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优选的详细描述，其中：

图1为有源异频收发式微波雷达测量系统原理图；

图2为测量精度与迭代次数的关系图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制。

图1为有源异频收发式微波雷达测量系统原理图，基于图1所示微波雷达的绝对距离测量的方法，即为实现多级差频伪测尺测距，变频控制模块控制射频源0产生系列变频信号[f₀₀,f₀₁,...,f_0n]，假设每个频率下由鉴相模块检测出的相位差为利用(3)式可以获得绝对距离R的n+1个测量方程组，然后将第<2>到第<n+1>方程与第<1>方程进行差频操作便可以形成n个测尺长度为[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]多级伪测尺测量方程组，变换过程如(4)式所示：

其中，λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2是分别由差频(f₀₁-f₀₀),(f₀₂-f₀₀),...,(f_0n-f₀₀)形成的伪测尺长度，N₀,N₁,N₂,...,N_n为正整数。

只要通过变频控制模块设置射频源0的步进频率(f₀₁-f₀₀)使伪测尺λ_fake1/2大于绝对距离R，便可使得(N₁-N₀)＝0，并可根据第<1>个伪测尺方程获得R的初步估计值R₁'。然后按照满足关系设置后续步进频率，假设利用第<k>个伪测尺测量方程获得估计值为R'_k，通过(5)式便可准确确定第<k+1>个伪测尺测量方程中的整数部分(N_k+1-N₀)：

(N_k+1-N₀)＝floor(2R'_k/λ_fake(k+1)),k＝1,2,...,(n-1) (5)

式中floor表示向下取整运算。进而再利用第<k+1>个伪测尺测量方程估计出R'_k+1：

通过依次取k＝1,2...(n-1)，利用(5)式和(6)式的交叉迭代便可以准确地确定整数部分(N_n-N₀)；又由于伪测尺[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]的长度随着差频的增加而逐渐减小，因此通过迭代运算之后绝对距离的估计精度将逐步提升。理论上，在鉴相模块鉴相精度一定的时候，通过第<n>个伪测尺测量方程获得的绝对距离测量精度δR可以达到：

本发明所述方法通过差频方式形成伪测尺，只需在较窄的带宽内变化发射端信号源频率，便可实现远距离高精度的绝对距离测量，避免了直接增大测尺而导致难以调和测量距离与精度的矛盾。

为了更好地说明测量精度、发生端变频频率、与变频迭代次数之间的关系，图2给出了以ISM免申请开放的频段2.4G频段为研究对象(f₀₀＝2.4GHz，f₀₁＝2.40015GHz，(f_0(k+1)-f₀₀)＝2(f_0k-f₀₀))，在λ_fake1/2＝1000m，鉴相精度时的关系图。可以看出，采用多级伪测尺的方法，只需在发射端进行不超出20MHz的变频，便可以在1000米以内实现毫米级测量精度的绝对距离测量。当然，鉴相精度越高，迭代次数越多，测量精度会越高；第一次变频步进(f₀₁-f₀₀)越小，测量的范围也将越大，例如市面上比较常规的射频源便可以实现10KHz的步进变频，测量范围将达到15000米，完全能够满足绝大部分应用场合需求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：在微波雷达发射端，变频控制模块控制射频源产生n个变频信号[f₀₀,f₀₁,...,f_0n]，假设每个频率下由鉴相模块检测出的相位差为

S2：利用公式获得绝对距离R的n+1个测量方程组，然后将方程组中的方程进行差频操作形成n个测尺长度为[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]的多级伪测尺测量方程组，其中λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2是分别由差频(f₀₁-f₀₀),(f₀₂-f₀₀),...,(f_0n-f₀₀)形成的伪测尺长度，且λ_fake1/2＞R；

S3：根据伪测尺测量方程获得R的估计值R'。

2.根据权利要求1所述的一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：利用公式获得绝对距离R的n+1个测量方程组，然后将第<2>到第<n+1>方程与第<1>方程进行差频操作，形成n个测尺长度为[λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2]多级伪测尺测量方程组，变换过程为：

其中，c为电磁波的传播速度，N₀,N₁,N₂,...,N_n为正整数，λ_fake1/2,λ_fake2/2,...,λ_faken/2是分别由差频(f₀₁-f₀₀),(f₀₂-f₀₀),...,(f_0n-f₀₀)形成的伪测尺长度，且λ_fake1/2＞R。

3.根据权利要求2所述的一种实现有源反射式微波雷达绝对距离测量的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：根据第<1>个伪测尺方程获得R的初步估计值R′₁；

S32：按照满足关系设置后续步进频率，其中为鉴相模块的鉴相精度，假设利用第<k>个伪测尺测量方程获得估计值为R'_k，通过(5)式确定第<k+1>个伪测尺测量方程中的整数部分(N_k+1-N₀)：

(N_k+1-N₀)＝floor(2R'_k/λ_fake(k+1)),k＝1,2,...,(n-1) (5)

其中，floor表示向下取整运算；进而再利用第<k+1>个伪测尺测量方程估计出R'_k+1：

通过依次取k＝1,2,...,(n-1)，利用(5)式和(6)式的交叉迭代确定整数部分(N_n-N₀)。