CN1187882A - Fmcw测量距离的方法 - Google Patents

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Abstract

FMCW测量距离的方法,其中使用时间函数f(t)对载波频率f0的波列调制,并且被分成一个发射信号和一个与其具有确定性相位关系的参考信号;发射信号被发射到传输区间并且参考信号输入到一个构成相位差的装置;在转输区间反射的信号具有延迟τ,作为接收信号同样输入到上述构成相位差的装置;该装置构成参考信号和接收信号间相位的时间差函数θ(t);分别利用属于载波频率f0的直流分量θ=和属于调制时间函数f(t)的交流分量θ～(t)计算相位差分函数并且通过组合计算两个相位信息确定与距离成比例的延迟τ。

Description

FMCW测量距离的方法
本发明涉及一种FMCW测量距离方法。
已经公开了很多种测量距离的方法。本发明涉及一种非接触测量的方法，这种方法适合测量到一个位于自由空间的目标的距离，并且尤其适合于测量目标的轮廓，此外还可以辨别并测量波导介质中的缺陷和它内部结构。测量原理是发射并接收强度调制或频率调制的声波、光波或通常的电磁波，尤其在高频领域内。下面将它们称做发射波或接收波。
如果发射波被频率调制，那么将通过表达式：S(t)＝A·cos(2πf0t+2π∫t-∞ f(η)dη)用幅度A、载波频率f0和频率调制函数f(t)说明发射信号。当强度调制时，发射波采取的一般形式为：s(t)＝A(t)·cos(2πνt+ε)其具有与时间相关的幅度A(t)、发射波的载波频率ν和一个任意的相位ε。在正弦形式调幅情况下，适用A(t)＝Acos(2πf0t+2π∫t-∞f(η)dη)，其中f0现在是调制载波频率，f(t)表示调制函数。在下面的实施例中，对于所有情况，频率f0被称作载波频率，频率ν称作发射频率。在频率调制情况下，载波频率和发射频率是相同的。
已经公开的测量方法例如基于脉冲延迟方法，在这个方法中，使用时间上限制的脉冲对发射波强度调制，从脉冲所测量的延迟推导距离信息。只要脉冲到达目标和返回的延迟小于系统脉冲重复时间，那么这种方法可能对感兴趣的测量点进行单值测量或对一个感兴趣的几何学图形进行单值测量。
当脉冲重复率在KHz范围内时，象在典型系统中存在的一样，实际中得出一个很大的单值范围。受到生成波的发射机所能发射的短脉冲能量限制和小的统计效率的限制，这样的系统的分辨率一般小，但由于累加很多测量脉冲，测量时间长。
与以上方法相比，同样普遍使用的相位比较方法以高的统计效率并因此在短测量时间内高准确度而受到称赞。由于持续发射和调制波的调制所使用的周期性，自然得出由调制频率确定限制的单值性区域。看上去要求高分辨率与大的单值性区域的要求矛盾。
脉冲延迟方法基于的测量原理的特征是使用在接收信号的所谓包络曲线上的信息。通过发射信号的脉冲形式说明包络曲线。
为了高的测量分辨率，根据估算理论的结果，调制的带宽必须尽可能的宽，这取决于尽可能短的发射脉冲。在实际系统中，限制了可供使用的电带宽。这时带宽被理解为从最大的正频率到最小的负频率之间的频率范围。这将要求以最优方式借助于适合的调制信号利用实际系统的带宽并因此设计统计上有效的测量方案。
如果频率调制中信号s(t)的频谱能量或强度调制中信号A(t)的频谱能量集中在系统可传输的最大的频率上，那么得出一个最优利用电带宽的方法。因为脉冲的频谱能量在频域中集中在频率源附近，虽然脉冲延迟方法能单值计算接收信号以确定想要的测量大小，可是没有以最优的方法利用系统可以利用的电带宽。
与此相比，相位比较方法最优利用电带宽，它的特征是使用接收信号的所谓微结构以获得信息。微结构信息包括信号相位形式的关于到达测量点距离所要求的信息。然而通过产生的多义性表明微结构。
得到单值测量并且同时可能使波的发射机继续工作的可能性在于调制发射信号的频率。根据这种方法工作的系统称作FMCW系统，这里缩写FMCW从“frequency modu1ated continous wave”导出。例如在tm-Technisches Messen 62(1995)2，66到73页中详细说明这样的方法。已经公开的方法主要工作在雷达领域。容易想到将FMCW概念转用到另一个频率范围。
在已经提到的参考文献处说明的FMCW概念是使用自由振荡的振荡器产生一微波信号并且将它作为发射信号发射到传输区间，传输区间相当于将被测定的自由空间的区间。用作载波的微波信号被一个持续频率变化调制。一般可以选择连续线性上升或下升的频率变化，然而还可以预先规定一个离散上升或下降的频率变化。
在传输区间被反射的信号在混合器中和发射的信号叠加，计算通过一个低频滤波器后的混合产物。反射信号的延迟与将要测量的距离成比例。这种方法被归入以上说明的脉冲延迟方法，这里附加到脉冲的包络曲线归入到信号的频率调制。
测定反射信号延迟的计算方法可以根据混合处理两个不同的频率来说明。这时以适当的方式使用一个复杂的混合处理，其中由振荡器产生的信号不仅不改变相位与反射信号混合而且在相移90度后和反射信号混合。混合器的特性相当于一个模拟乘法器，在高频技术中，这种信号处理方法作为零拍处理是已经公开的。
如果以f(t)图说明发射信号的频率调制，那么当线性频率变化时，在频率变化的起点和结束点之间得出一条线性上升的直线。对于反射信号得出相同的直线，可是在图中相对于第一条直线位移相当于延迟的距离。如果在接收反射信号后的一个确定点上考虑属于两条直线的频率差，那么可以得出差频，它一般依赖于接收信号的延迟并且因此依赖于所测量的距离。对于调制周期内的每个时刻，差频都相同。差频在数量级上小于信号频率并且因此在测量技术上容易实现。只要调制周期大于延迟时间，那么距离测量就是单值的。后面接有低通滤波器的所谓的混合处理用作产生一个具有差频的单频测量信号，这里零拍信号处理不仅提供一个和差频成比例的正弦信号还提供一个余弦信号。
在离散线性频率调制中，本方法提供了在离散调制频率中的正弦信号和余弦信号的单独取样点。在一个非线性调制频率变化的情况下，通过调制周期改变差频。
为确定包含距离信息的差频，在上边给出的参考文献处说明另一种方法。平均相位差的方法对于不同的瞬间频率，测量发射信号和接收信号间的相位移动，并且在相位频率图上表示。如果对于测量值确定了一条补偿直线，那么它的斜率和上面提到的差频成比例并且因此与距离成比例。
为测定差频，也可以由差频信号的傅立叶变换实现。这时在频域内得出一个sin(x)/x函数，它的最大值位于差频位置。
对于信号分析可以使用不同的统计方法，这些方法已知并且不是本发明的目的。
所有测量方法的准确度依赖于在接收信号中关于发射信号的测量时间和带宽的信噪比。另外一个参数是测量的单值性。基本任务在于尽可能获得调制发射波和附属接收方法和分析方法最适合的组合。其中特别追求这个组合高的统计效率以及测量最可能大的单值范围。目前在技术上使用已经公开的FMCW方法还没有满意地解决这个问题。
本发明基于以下任务：单值的FMCW距离测量的准确度在短时间内随着使用相位比较方法可以达到的精度增高而增高。此外应能对多个测量点同时测量。
这个任务在根据本发明的FMCW距离测量方法通过权利要求1的特征解决。在从属权利要求中的特征中得出本发明优选设计。
本发明基于以下认识：在信息部分中的存在于FMCW系统接收信号中的信息，信息部分位于信号的包络曲线上，并且使用信号的频率调制可以返回这个信息部分，并且可以分为一个微结构部分，该微结构在频率调制时，位于发射信号和接收信号的平均的频率的相位差中；当强度调制时，位于发射信号和接收信号的调制函数的平均频率的相位差中。
已知的FMCW系统仅仅使用接收信号的包络曲线信息并且因此忽略附加的供使用的微结构信息的决定性部分。这里当系统参数相同时，目前所实现的测量性能基本上小于根据本发明方法的情况。其中从现在起在组合中不仅利用接收信号的包络信息而且利用接收信号的微结构信息，在所给的系统参数中，因此比目前一般的系统提高了几倍测量分辨率或降低了数倍测量时间。
信号的频率调制象已经实施的一样不仅可以通过载波强度的频率调制实现，而且还可以通过发射波的频率调制实现。在光学系统中，在这个关系上谈到不相关和相关系统。
因为对于准确度起决定作用的主要信号信息位于载波的的微结构信息中，所以现在可以选择小的包络曲线带宽使它在同时维持测量准确度的情况下，保证计算微结构信息。这是当(E/N0)＞＞(2πf0)2/(βT)2的情况。其中，f0是载波频率，βT是通过频率调制形成的包络曲线的所谓的有效带宽，E是接收信号的能量，N0是接收信号的频谱噪声功率密度。因此，根据本发明的方法，在调制参数的相应的选择参数中可能利用系统的电带宽，上述系统相当于典型的相位比较方法，并且同时保证测量的单值性。
第一步，通过确定一个参考信号和接收信号之间的时间相位差θ(t)计算包络曲线和微结构信息。在参考信号中涉及一个与发射信号有确定相位关系的信号。例如可以通过输出耦合已调制发射信号的一部分来设置一个适合的参考信号。另外，还存在着输出耦合对载波强度调制的信号的一部分设置参考信号的可能性。两种情况下，参考信号象接收信号一样在形成相位差前，可以实现一个电性质的预处理网络或通过波导媒体构成的预处理网络。一个这样的网络例如可以用作频率转化或传输时间延迟或者用作使用其他方法条件化信号。同样情况下为生成参考信号使用与发射信号或调制信号同步的发生器。
为了说明目前没有公开并被计算的包络曲线和微结构间的关系，根据cos(2πf0t+2π∫t-∞f(η)dη)来调制发射波的强度或频率，其中f(t)表示时间函数，f0表示所说明的载波频率或其他，载波频率f0被时间函数f(t)调制。如果没有普遍性限制，不考虑对于接收或参考信号预处理网络的影响。然后，参考信号和接收信号间相位的时间相位差分函数θ(t)＝2πf0τ+2π∫tt-τf(η)dη，其具有在发射机、测量点或测量目标和接收机间的接收信号的延迟τ。已调制发射信号的瞬间频率f0+f(t)＝f＝+f～(t)对于任意过程可被分为直流分量f＝和一个交流分量f～(t)。这时在f＝中包含时间恒定的频率f0和可能包含f(t)中恒定部分。因此对于时间相位差分函数θ(t)，通过较小的延迟τ积分后，得到θ(t)＝2πτ(f＝+f～(t))＝θ＝+θ～(t)，其中θ＝＝2πτf＝，θ～(t)＝2πτf～(t)。
如果已知f＝和f～(t)，那么当已测量θ＝和θ～(t)后，因此可以通过两个互不依赖的函数确定延迟τ。
这时，θ＝和θ～(t)是时间相位差分函数的直流分量和交流分量，不仅θ＝而且θ～(t)对于小的延迟τ线性依赖于延迟，所以通过计算θ＝和θ～(t)可以得到对于信号延迟两个统计上不依赖的值，对于没有限制的工业上的距离测量，考虑小的延迟τ是有效的。
对于大的延迟τ，相位差分函数被相应的分为一个直流分量θ＝＝g’(τ，f＝)和一个交流分量θ～(t)＝g”(τ，f～(t))，当认识一般非线性的函数g’和g”以及认识频率直流分量和频率交流分量时，可能再次获得对于延迟两个互不依赖的值。
包含在θ～(t)中的延迟信息与接收信号的包络曲线一致。包含在θ＝中的延迟信息与微结构信息一致。附属于θ～(t)的包络曲线信息是单值的，仅使用了信号中所包含信息的一小部分。通过附加考虑θ＝中包含的微结构信息分析信号中包含的所有信息，微结构信息一般被看作多义的。借助于包络曲线信息得到一个单值的粗测，通过这种方法减小了微结构信息的多义性，然后两个测量值线形组合，单值地、准确地确定信号延迟。通过这些措施，与已经公开的FMCW方法相比，为决定性的改善测量的准确度直到达到理论界限，使用接收信号中的所有信息。
在任意调制信号情况下，通过确定时间相位差分函数的交流分量θ～(t)和调制频率函数的交流分量f～(t)间的标度系数测定包络曲线，因此得到对延迟的粗测。微结构信息从与调制频率直流分量f＝联系的相位差分函数的平均值得出。
在线形调制的特别情况下，瞬间频率的交流分量说明作为f(t)＝(fE-fA)·t/T；-T/2≤t≤T/2来说明，它具有调制起始频率fA，调制结束频率fE和信号长度T，然后f＝＝f0，f～(t)＝f(t)。
相位的时间差分函数内容是然后通过小的延迟τ对调制频率积分后θ(t)＝2πτ(f0+(fE-fA)·t/T)＝θ＝+θ～(t)，此时-T/2≤t≤6T/2其中θ＝＝2πτf0，θ～(t)＝2πτ(fE-fA)·t/T。
从包络曲线信息θ～(t)和微结构信息θ＝确定两个延迟信息。在这种情况下，在时域中例如通过瞬间相位值的线形回归实现。在信号长度T期间得到的差分相位值θ(t)通过一个补偿曲线性形化，以致另外上边已说明的相位直线的斜率和包络曲线的延迟τ成比例。除载波频率的相位测量值的平均值与从微结构信息得到的延迟τ成比例。
从补偿直线的斜率能计算第一个单值的距离值，它一般具有比较高的统计不可靠性。这第一个测量值接下来在单值的相位信息中折算，相位测量值的平均值位于0到2π之间，这个相位测量值的平均值累加2π直到结果值最可能的靠近由补偿直线确定的值。从使用这种方法获得的相位值中，能直接得到第二个单值的距离值，它具有显著小的方差。为得到一个最优的统计效率，两个测量值可以相互线形组合成为最终有效的测量值。
对于在频域中的计算，已知有特别的算法，例如快速傅立叶变换。
当发射信号微小的非线性调制时，可以类似的确定两个传输时间信息。
下面将根据附图中图示的实施例说明根据本发明的方法。分别是：
图1、激光支持的距离测量仪的原理图，
图2、同时测量多个测量位置的纤维光学距离测量仪的原理简图。
在图1中，调频发生器产生一个线性频率调制信号，这个信号在功率分配器中分为发射信号和参考信号。发射信号调制作为载波的激光射线的强度。也可采用已调制激光射线的一部分作为参考信号。激光射线通过发射镜组对准没做说明的目标点。光线的一部分在物体上反射或散射并且通过接收镜组聚焦在探测器上，探测器将光接收功率转化为电气信号。
放大后，该信号和参考信号一起到达正交接收机，在接收机上发射信号和接收信号相互复数相乘。结果是一个复矢量，它的时间相位函数相应于发射信号和接收机之间的差分相位θ(t)。复矢量的实部分、虚部分在这个实施例中流过一个AGC(自动增益控制)放大器通过A/D转换器后被数字化，为测定瞬间相位函数并且接下来为确定根据本发明方法的信号延迟，数字化的信号在计算机中处理。就这点而言，已说明的电路结构已公开。
具有这种结构的距离传感器因此不仅适合于高分辨率的距离测量也适合于结合扫描设备用于对目标的三维测量或者用于质量保证中或结构测量中控制标准安全系数时的不同任务，或者用作机器人中的视觉系统。
除了所说明的发射信号和接收射线在自由空间传播，为控制光，还可能使用任意光学元件例如纤维光学元件作为中间连接。
同一测量原理还可以在使用雷达频率范围内的载波来实现。为此图1中的激光发射器可以由发射天线、探测器可以由接收天线代替。如此构造的距离测量仪可以借助于包络曲线和微结构信息，以类似与激光支持的距离测量仪的方法在辐射方向上高分辨率地测量到一个目标的距离。在目标上反射雷达波。
此外还可以在使用声载波情况下实现测量方法。为此由发射声波转换器代替激光发射器，由一个接收声波转换器代替探测器。
图2说明了一个优选实施测量方案中的设计。在这种方法中，可以应用根据本发明的方法并且它可以同时测量多个测量位置。这能使用上面提到的纤维光学光导的中间连接。为一个光缆分配一个公共的发射接收镜组，它将发射光分到多个光导上并且继续将由测量位置上反射的光线共同传送。在激光发射器和光缆之间，安排一个光线分配器，它将接收信号导向探测器。没作说明的信号发生器元件和信号处理元件相当于图1的相同部分。以优选的方法再次借助于正交调制器、AGC放大器和数字信号处理分析信号。假如玻璃纤维长度和测量区间长度的和对于单独的纤维充分不同，那么属于每个测量位置的接收信号部分例如在频域内被分开，并且使用包络曲线信息和微结构信息分别分开计算。在相同的前提条件下，在自由空间传输时，这种方法自然也适用，以致于可以在单值测量过程中同时测量不同距离放置的目标。
在图1中说明的发射镜组代替图2中的光缆。这时可以规定具有镀层的镜组，它在接收机头直接反射发射波的一部分。使用这个方法，产生一个已知长度的内部比较路径。比较测量实现了同时的目标测量，所以存在相同仪器条件例如电子元件的漂移对发射功率没有影响。使用公共的发射/接收镜组的优点是在短的目标距离时，存在最大可能的接收功率。

Claims (6)

1)FMCW测量距离的方法，其中
-使用一个时间函数f(t)调制载波(f0)的波列，并且被分为一个发射信号和一个与它存在确定性相位关系的参考信号，
-发射信号被发射到将要测量的传输区间，并提供给一个构成相位差的装置作为参考信号，
-在传输区间反射的信号具有延迟τ的延迟，该信号作为接收信号同样提供给一个构成相位差的装置，
-构成相位差的装置在参考信号和接收信号间构成相位的时间差分函数θ(t)，
-相关地一个属于载波频率f0的直流分量θ＝＝g’(τ，f0)和一个属于调制时间函数f(t)的交流部分θ～(t)＝g”(τ，f～(t))，分别计算相位差分函数θ(t)并且通过组合分析两个相位差信息确定和距离成比例的延迟。
2)根据权利要求1的距离测量方法，其特征在于，当小的延迟τ时，相关地按照θ＝＝2πτf＝的直流分量和相关地按照θ～(t)＝2πτf～(t)的交流分量计算相位差分函数θ(t)。
3)根据权利要求1或2的测量距离的方法，其特征在于，使用一个正交接收机作为构成相位差的装置，其中参考信号和接收信号相互复数相乘，因此得出一个复数向量，它相当于时间相位函数θ(t)。
4)根据权利要求1或2的测量距离的方法，其特征在于，从θ～(t)
确定一个用于距离的单值粗测并从θ＝中确定一个微校正结构。
5)根据以上权利要求之一的测量距离的方法，其特征在于，对于不同的传输区间同时测定相位差分函数θ(t)并且关于直流分量或交流分量计算相位差分函数。
6)根据权利要求5的测量距离的方法，其特征在于，构成并计算内部
传输区间中已知长度的相位差分函数θ(t)。
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