CN1804654A - 一种复合鉴相方法及其复合鉴相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合鉴相器及其方法，涉及一种鉴相器及方法；一种复合鉴相方法是将单纯的鉴相计时法和计数计时法综合起来的一种方法，即发射一组相同频率f的适当周期个数的信号，接收该信号经过一段时间飞行返回的接收信号，粗略估算接收信号参考时刻t₀，然后计算模块算出信号的相位φ，再判断t₀点的位置距离接收信号真起点的信号周期个数，计算信号的准确飞行时间t_fly；实现该复合鉴相方法的复合鉴相器，包括电源、信号发射模块、信号接收模块、计算模块、D/A和A/D，同步控制器控制D/A、A/D、信号发射模块和信号接收模块同步工作；本发明应用于信号飞行时间的测量，具有大量程、高精度和高动态响应速度的三大优点。

Description

一种复合鉴相方法及其复合鉴相器

技术领域

本发明涉及一种鉴相方法和鉴相器，尤其是涉及一种复合鉴相方法和复合鉴相器。

背景技术

有源雷达系统通常是通过信号发射模块发射信号，信号接收模块接收到目标物的反射信号来分析目标物的距离运动速度等性状。而有一类测距雷达，如：激光测距雷达、超声测距雷达……(也叫激光(超声)测距机)，是通过计算信号从发射到接收的时间差，所谓信号飞行的时间，再与速度相乘得到目标物与信号发射模块的距离。而这之中信号飞行时间的测量成为关键，精确而高速的信号飞行时间的测量可以大大提升这些测量领域的测量精确度和动态特性，从而使这些测量方法有更广的适用范围。

以下就信号发射模块发射信号的不同，给出目前最新的两类测距技术：

第一类：基于连续调幅信号的信号飞行时间测量：

这类测距信号的原理为：基于连续调幅信号的信号飞行时间测量，由于发射的信号是周期信号，其返回的信号和发射信号有一定的相位差，在一个发射信号的周期T之内，该相位差与发射信号的飞行时间差成正比，从而可以通过对相位差的测量来获得信号的飞行时间。下面详细介绍其技术方案：

1、信号发射。其中，信号发射模块有发射单频连续周期信号和混频连续周期信号两种：

(1)单频连续周期信号

在现有最接近本专利的技术中，其中一种技术为信号发射模块发射的信号为单频连续周期信号，不失一般性，如公式(1-1)我们假设信号发射模块发射正弦信号y，(如果是光波，可以是经过光强调制的信号，那么ω₀为光调制的圆频率)，信号接收模块接收信号y′：

        y＝Asin(ω₀t+)                        (1-1)

        y′＝A′sin(ω₀t+′)’

我们得到信号的飞行时间为t_fly：

        t_fly＝(′-)/ω₀，                   (1-2)

但由于现在常用信号接收模块所使用的鉴相器只能检测一个周期内的相位差，那么

我们假设：

               (′-)＝2mπ+Δ，Δ＜2π，            (1-3)

得

               t_fly＝Δ/ω₀，                             (1-4)

(2)混频连续周期信号

单频周期信号测得飞行时间差小于一个信号周期。有时，信号在介质中飞行的速度非常快，通常采用发送含有两个圆频率为ω₀，ω₁的信号的混频信号，

    y＝A[sin(ω₀t+₀)+sin(ω₁t+₁)]，                     (1-5)

    y′＝A′[sin(ω₀′t+₀′)+sin(ω₁′t+₁′)]，         (1-6)

如果我们单独计算每个频率信号的相位差，那么，我们可知

    t_fly＝Δ₀/ω₀，                                        (1-7)

    t_fly＝Δ₁/ω₁，                                       (1-8)

我们可得：

从式(1-9)可知，信号飞行时间的测量等效于一个低频(ω_s＝₀-ω₁)信号的相位测量，该相位的值域也只能在2π的范围内。但这样的发射信号会使时差测量绝对精度降低。

2、信号接收及处理

如果信号发射模块发射的是连续调幅信号，那么由公式(1-2)(1-9)，测量发射和接收信号的飞行时间所使用的相位差法普遍使用的是差频测相技术。

如图1所示，设主控振荡器信号e_s1＝Acos(ω_st+_s)，经调制器发射后经2L距离接收信号接收器，接收到信号e_s2＝Bcos(ω_st+_s+Δ)，Δ表示相位变化。设基准振荡器信号e₁＝Acos(ω₁t+₁)，把e₁送到混频器1和2中与e_s1，e_s2混频，在混频器的输出端得到差频参考信号e_r，和测距信号e_s，他们分别表示为：

er＝Dcos[(ω_s-ω₁)t+(_s-₁)]，                        (1-10)

e_r＝Ecos[(ω_s-ω₁)t+(_s-₁)+Δ]，用相位检测电路测出这两个混频信号相位差Δ′＝Δ。可见，差频后的得到的两个低频信号的相位差Δ′和直接测量高频信号的相位差Δ是一样的。

3、基于连续调幅信号的飞行时间测量的缺陷分析：

由于鉴相器本身的限制，不管用直接法还是间接法，其精度和测量速度受鉴相器本身的限制。要么是通过长时间的测量来获得一个精确的平均值，要么是在较短的时间内获得一个粗略的值。也就是说，通过鉴相器来测信号飞行时间从而得到测量距离的方法的动态测试性能和精确度都较差。而且，鉴相器本身需要信号在一定时间内是连续的，这对测试方法是一个很大的限制。由于只能测试一个周期内的相位差，为了测量量程的扩大，必须增加电路的复杂程度。而且，随着量程的扩大，其相对误差基本不变，但绝对误差逐渐增大。

第二类：基于脉冲信号的时差测量：

1、发射信号：

如果信号发射模块发射的是脉冲信号，主要应用在脉冲激光测距中，其原理如图2和图3所示。由脉冲激光器发出持续时间极短的脉冲激光，称之为主波。经过待测距离L后，射向被测目标。被反射回来的脉冲激光称之为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时差，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可算出待测目标的距离：

                        L＝ct/2                           (1-11)上式中，c为光速。

图2是脉冲激光测距仪的结构图。它主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成。其工作过程是：首先开启复位开关K，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能使触发器发生翻转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。

图3为结构图中各点的信号波形。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离

$L=\frac{\mathrm{cN}}{2f_0}---(1-12)$

式中，N为计数器计到的脉冲个数，f₀为计数脉冲的频率。

在图2中，干涉滤光片和小孔光阑的作用是减少背景光及杂散光的影响，降低探测输出信号的背景噪声。

2、缺陷分析

脉冲测距仪的分辨率P_L取决于计数脉冲的频率，如果要求测距仪的分辨率P_L＝1m，则要求计数脉冲的频率为150MHz。由于计数脉冲的频率不能无限制的提高，所以要获得更高的测量精度也可由平均法多次测量，则测量次数增加(时间加长)，那么测量频率较低，故脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为米的量级。而由大气折射率n测量误差所带来的光速c的误差为10^-6，对于几公里到几十公里的测量来说可以忽略。

综上，对上文中的基于单周期内鉴相在信号飞行时间的测量中的应用中，用鉴相器是不能测出多于一个周期的相位差的，从而衍生出了发射两个频率接近的波来测其相位差的方法，叫间接测频法。其中使用鉴相器还使用了的差频间相法，没有直接测量高频调制信号的相位，而是测量差频的相位差，这也进一步引入了误差。基于连续信号的测量方法由于只能测量一个周期内的相位，为了增大量程则必须减小信号调制频率，从而增大测量的绝对误差。而激光脉冲测距法中发射的脉冲信号的精度在全量程又很低。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的是克服现有测信号飞行时间的鉴相法存在的缺点，为用户提供具有大量程、高精度和高动态响应速度的复合鉴相器及其方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种复合鉴相方法，其特征在于：主要由如下步骤组成：

A、通过信号发射模块发射一组相同频率f的周期个数为n的信号，其中，n为正整数，同时计数器开始以系统时钟振荡频率计数；

B、通过信号接收模块接收A步骤发射的经过一段时间飞行返回的接收信号，并通过A/D转化为数字信号；

C、根据预定触发条件，粗略估算接收信号参考时刻t₀；所述的预定触发条件是指根据系统的发射信号起始段性质，选取最易辨识的起始段信号周期作为预定触发段，这里最易辨识指该信号周期的第二个波峰减第一波峰的差为最大。

D、根据时间t₀，计算模块依据接收信号稳定段，用离散傅利叶变换计算出信号的相位；

F、根据预定触发条件，判断t₀点的位置距离接收信号真起点的信号周期个数N，信号的准确飞行时间t_fly可由下式计算为：

              t_fly＝t₀-/2πf-N/f

其中，式中N为非负整数，当N＝0时，t₀是对接收信号的起点时刻的粗略估计。

上述步骤C中所述的粗略估算的t₀，可根据接收信号满足预定的触发条件时的计数器的计数值，乘以系统时钟振荡周期得到。上述步骤D中所述的信号稳定段的位置，可根据图8，由系统相对带宽(系统的通频带与信号频率的比)获得。本发明中实现上复合鉴相方法的复合鉴相器的系统结构包括支持系统正常工作的电源；将预制频率为f多周期数字信号转换为模拟发射信号的D/A转换器；将该信号转化为声波、光波、电磁波…等可在介质中传播的信号的信号发射模块；将在介质中传播的信号转化为电信号的信号接收模块；将信号接收模块信号转化为数字信号的A/D；对D/A、A/D、信号发射模块和信号接收模块系统进行同步控制的同步控制器；以及对数字信号进行飞行时间差计算的计算模块。

上述系统结构中的D/A、A/D和同步控制器可以集成为数字电路模块，所述的计算模块为CPU或PDSP；也可将计算模块用FPGA或ASIC集成于数字电路模块中。

下面详细介绍本发明的一种复合鉴相方法的原理：

图4为复合式鉴相法的原理图，如图4所示，在测量起始时发射一组频率为f周期个数为n(n为适当大小的正整数)，同时计数器开始以系统时钟振荡频率开始计数，通过信号接收模块接收到发射信号的接收信号。在信号发射的起始段会存在一个不稳定段，该信号的不稳定是由于系统的带宽与信号之比(以下简称相对带宽)很小的原因造成的。图8是通过数字模拟计算得到的系统相对带宽vs信号不稳定段图。从图8中我们可以看到相对带宽与信号不稳定段周期数在双对数坐标下成线性关系，当信号相对带宽大于2，信号的不稳定段周期小于0.5，所以这时可以不考虑信号不稳定段的影响，而当信号相对带宽小于2的时候，信号不稳定周期大于1，所以我们的计算应该避开该段信号。如图9所示，假设测量系统的阻尼系数为0.7，设定系统为不同的相对带宽，将输入信号通过系统后计算输出信号的包络线，从图9可以计算出接收信号真起点到信号包络线的过冲点(即第一个大于输入信号幅度的极大值点)的周期数。根据不同信号起始段的性质，可选取最易辨识的起始段信号周期作为预定触发段(如图4)，该周期的起点在信号的波峰处。最易辨识的起始段信号周期存在信号不稳定段，最易辨识是指该信号周期的第二个波峰减第一个波峰的差为最大，也就是说在该周期内由大于第一个波峰小于第二个波峰的预定义触发条件的范围最大。正如图4所示，我们选取的预定触发段在信号第三个周期处，即N＝3-1，那么预定触发条件的下限为该周期内的第一个波峰，上限为该周期内的第二个波峰。选取接受信号中第一个满足预定触发条件的点的触发时间t₀作接收信号参考时刻。由于受各种噪声的影响t₀是一个粗略的估算值，由t₀起始向右移m个信号周期记为t₁，m为图8中根据系统带宽求得的信号不稳定段周期数。从t₁点对信号做频率f的离散频率的傅利叶变换(DFT)，获得其相位，那么真实而精确的信号飞行时间为

              t_fly＝t₀-/2πf-2/f。           (2-2)

而选择恰当预定触发条件可以减小噪声的影响。从图8中我们可以看到，如果系统的相对带宽越大，从而信号的不稳定段周期越小，从而系统的抗干扰能力越强，在系统相对带宽大于2的情况下，我们的预定义触发段是第一个信号周期那么式(2-2)简化为：

              t_fly＝t₀-/2πf                 (2-3)

通过原理的叙述我们可知该方法的测信号飞行时间是由两部分组成的，一部分是对接收信号的参考时刻的粗略估计，即t₀的测量，相当于对脉冲信号的计数；一部分是对的测量，相当于基于单周期内的相位测量，所以命名为复合式鉴相法。

下面详细介绍本发明的复合鉴相器的原理：

如图5所示，是复合鉴相器的系统结构图，该系统的结构分五部分，D/A将预制的n个周期频率为f的信号输入信号发射模块的信号控制系统，信号发射模块将电信号转化为声波、光波、电磁波…等可在介质中传播的信号，该信号通过一段距离的飞行后，进入信号接收模块，信号接收模块将介质中传播的信号通过A/D转换为数字信号，数字信号通过计算模块的计算转化为飞行时间差输出。同步控制器控制D/A、A/D、信号发射模块和信号接收模块同步工作，假设如图4的t₀是在信号发射后的第k时钟周期到达，那么由式(2-1)我们可得精确的信号飞行时间为：

                t_fly＝k/f_A/D-/2πf-N/f      (2-3)

该系统结构可以提高飞行时间测量的精度并且减小系统的测量时间。由该系统结构我们可知，信号飞行时间的测量精确度与信号飞行过程中引入的噪声、D/A&A/D产生的噪声和信号接收模块及信号发射模块对信号引入的噪声。在40MHz12 BitA/D使用的相对稳定度为10^-6的晶振时，DFT的计算长度取100个发射信号周期的长度，该D/A&A/D模块引入的噪声所产生的误差为20ps，相当于50GHz的计数器产生的±1误差，相当于我们使用40MHz的系统时钟达到了使用50GHz的系统时钟的效果。而信号在飞行过程所引入的噪声随不同的应用而不同，如在短距离室内的激光测距应用中，在飞行过程中引入的噪声就会很小，最后的合成的信号飞行时间测量在百皮秒量级；在如果使用超声波在水中测距，在静态水中系统的合成误差为100ps左右。

如图5所示，该复合鉴相器的每个采样数据输出的时间t_total由信号飞行时间t_fly、高速A/D向计算模块传输数据的时间t_tran、计算模块的计算时间t_cal和计算结果数据输出t_out的时间决定：

             t_total＝t_fly+t_tran+t_cal+t_out，   (2-4)t_fly和信号的性质和飞行距离有关，t_tran和不同的电路结构采用的方法有关，有些结构可以忽略不计，有些结构需要几毫秒。t_cal和算法模块有关，由于算法比较简单，容易硬件化，在硬件化后计算时间可以忽略不计，在没有硬件化的时候需要1毫秒左右，t_out由于传输数据少，始终是一个高阶小量。从中我们可以看到，即便我们采用最差的方案(t_fly，t_tran，t_cal都不可忽略)，那么信号的输出时间也只需要10毫秒左右，约合100Hz，其采样率也高于同等精确度下使用传统鉴相器的系统。

由于数字电路的高速发展，高性能A/D芯片性价比大大提高使复合式鉴相法的低成本高速度的实现成为现实。

需要指出的是：如果我们将复合鉴相法(器)应用到超声测距和激光测距中可以以很小的成本大大提高现有产品的性能。

如在超声测距中，假设超声频率为1MHz，声音在空气中的速度为~300米每秒(由于声音在空气中传播的速度是随温度变化，我们可以让参考通道测量一固定距离的声波传输时间来计算声速，从而实时校准测量结果)，那么超声波的波长为0.3mm，理论上单次测量的最大精度极限为6nm(声音在20ps走过的距离)，考虑到信号飞行过程中引入的误差，估计可以达到大约6μm的精度，测量速度如果使用图7的电路图的话，测量速度在近距离可达数千赫兹。

如果应用在激光测距中，假设激光调制频率为10MHz(通讯中所用到的半导体激光的调制频率最高可达4GHz)，光速为3×10⁸米每秒，那么调制波的波长(也叫光尺的长度)为30m，那么理论上使用复合鉴相法单次测量的最高精度约为6mm，且量程可以有多个光尺的长度。由于我们测量系统的高速性能，我们可以采用多次平均的方法来提高精度，系统测量速度可以达到数千到几十千赫兹，在几百赫兹的测量速度下其精度就可以小于1mm。

本发明的有益效果为：本发明的复合鉴相方法，是将单纯的鉴相计时法和计数器计时法综合起来的一种方法，既克服了鉴相计时不能记录超过一个信号周期的缺点，又没有计数法对时钟工作频率要求过高的缺点(因为它的时间准确度可以超过系统时钟的工作频率)。应用在激光测距上，就可以在很大的量程对激光使用很高的频率进行调制，理论上量程只受接收光信号质量的影响；复合鉴相法由于可以在同等绝对精度下，测量多周期的相位差，从而可以使测量精度大大提高，而随激光的调制频率的提高，其绝对精度还可以进一步提高，且不影响量程；该复合鉴相法中采用A/D，相比传统数字鉴相器(相当于只使用了1位的A/D)在相同时间内，相同信号中获取了更多的信息量，再加上FPGA或ASIC的高速流水线算法，从而使该方法比传统的鉴相法的速度大大提高，成为了一种动态测试方法。该复合鉴相器由于是数字化实现，所以信号在系统内传输时具有高保真的效果，做成产品系统结构简单，集成度高，适用范围广。并可以以较低的成本达到很高的性能。系统可采用40MHz的A/D以达到50GHz以上的计数器的效果，而40MHz的A/D是非常常见的；复合鉴相器可以提高飞行时间测量的精度并且减小系统的测量时间。

综上，本发明的复合鉴相方法及其复合鉴相器具有大量程、高精度和高动态响应速度的三大优点。

将这项技术应用在激光和超声测距中，可以将现有激光测距精确度提高一个数量级，对应于同等精确度的产品测量的频率从的几赫兹提高到几十千赫兹。大大的提高了其性能，从而使激光测距可以在广泛得多的场合使用。

附图说明

图1是背景技术中的差频测相原理图，

图2是背景技术中的脉冲激光测距仪器结构图，

图3是图2的各输入、输出点的信号波形图，

图4是本发明的一种复合鉴相法的原理图，

图5是本发明的复合鉴相器的系统结构图，

图6是本发明的复合鉴相器实施例2的电路原理图，

图7是本发明的复合鉴相器实施例3的电路原理图，

图8是系统相对带宽对应于信号不稳定周期图，系统的相对带宽等于系统带宽除以飞行信号的频率，

图9是信号不稳定周期的计算示意图，即是通过数字模拟来计算不稳定周期，将信号输入一已知带宽且阻力系数为0.7的系统，求输出信号的包络，如图所示包络线的第一个大于信号稳定段幅值极大值为过冲点，过冲点到信号真起点的点数除以一个输入信号周期的点数即为信号不稳定段周期数，通常取整数。

具体实施方式

实施例1

如图4所示，一种复合鉴相方法，有如下步骤：

A、通过信号发射模块发射一组相同频率f的周期个数为n的信号，其中，n为正整数，同时计数器开始以系统时钟振荡频率计数；

B、通过信号接收模块接收A步骤发射的经过一段时间飞行返回的接收信号，并通过A/D转化为数字信号；

C、根据预定触发条件，粗略估算接收信号参考时刻t₀；所述的预定触发条件是指根据系统的发射信号起始段性质，选取最易辨识的起始段信号周期作为预定触发段，这里最易辨识指该信号周期的第二个波峰减第一波峰的差为最大。

D、根据时间t₀，计算模块依据接收信号稳定段，用离散傅利叶变换计算出信号的相位；

F、根据预定触发条件，判断t₀点的位置距离接收信号真起点的信号周期个数N，信号的准确飞行时间t_fly可由下式计算为：

              t_fly＝t₀-/2πf-N/f

其中，式中N为非负整数，当N＝0时，t₀是对接收信号的起点时刻的粗略估计。

上述步骤C中所述的粗略估算t₀，可根据接收信号满足预定触发条件时的计数器的计数值乘以系统时钟振荡周期得到。上述步骤D中所述的信号稳定段的位置可根据图8由系统相对带宽(系统的通频带与信号频率的比)获得。

当系统相对带宽大于2时，预定触发条件为：大于第一个信号周期最大值的一半，小于信号周期的最大值。当系统相对带宽小于2时，可根据不同信号起始段的性质，选取最易辨识的起始段信号周期作为预定触发段，该周期的起点在信号的波峰处。最易辨识的起始段信号周期是在信号不稳定段，最易辨识是指：该信号周期的第二个波峰减第一个波峰的差达到最大，也就是说在该周期内由大于第一个波峰小于第二个波峰确定的预定义触发条件的范围最大。

实现上述一种复合鉴相方法的复合鉴相器的系统结构，包括支持系统正常工作的电源；将预制频率为f多周期数字信号转换为模拟发射信号的D/A转换器；将该信号转化为声波、光波、电磁波…等可在介质中传播的信号的发射模块；将在介质中传播的信号转化为电信号的信号接收模块；将信号接收模块信号转化为数字信号的A/D；对D/A、A/D、信号发射模块和信号接收模块系统进行同步控制的同步控制器；以及对数字信号进行飞行时间差计算的计算模块。

实施例2

一种复合鉴相方法，同实施例1。

实现上述的一种复合鉴相方法的复合鉴相器，包括电源、信号发射模块和信信号接收模块，还包括由D/A、A/D和同步控制器集成的数字电路模块和计算模块，计算模块为CPU或PDSP。其中，信号发射模块包括调制器和发射器，调制器调制的信号模式由数字电路模块的A/D通道提供，调制器控制发射器发射信号；信号接收模块包括接收器、参考信号接收器和调理电路，接收器将接收到的信号转化为电信号，经过调理电路输入数字电路的A/D通道，参考信号接收器是用来接收参考信号的。

下面介绍该复合鉴相器的工作流程：

系统通过CPU或PDSP接受外界发送的一启动信号采集的指令，该指令通过系统总线发送给数字电路模块，数字电路模块的总线控制器将指令转换为启动DAC通道(接D/A的通道)发射信号的命令，该命令同时启动系统内的计数器开始计数，以求t₀，信号通过信号发射模块发射，这时信号分两路，一路直接通过信号接收模块的参考信号接收器返回，到达ADCR---参考A/D通道，该通道作为系统校准的辅助通道；另一路接外界，再经过一段时间后，信号从信号接收模块返回ADC0(接A/D的通道)。每一通道达到有效触发段的条件后，计数器停止技术，这时每一通道得到其相应的t₀，各通道相应t₀在顺延m个信号周期后开始采集数据(正延时触发采集)，采集到的数据存储在系统的内存模块，数据通过总线传输到CPU和PDSP进行计算。ADC0通道计算出的时间差减去ADCR通道的时间差即为真实的时间差。

在这里要指出的是：参考通道的设置是当信号发射模块和信号接收模块易受外界影响时为了校准这个因影响而设，如果在一个相对稳定的状况下进行测试，可以在系统工作之前先校准，这时，就不需要ADCR通道和参考信号接收通道，可以降低系统成本，那么这系统就可以同时测量两个通道的数据，以后的叙述我们默认ADCR通道需要。整个过程中，每一步的衔接、转换和启动都是在内时钟单元的控制下保持严格同步的。

该复合鉴相器的特点：由于该复合鉴相器的算法模块是由CPU或PDSP完成，所以其连续监测数据的采样速度受总线数据传输速度的限制。由于有了数字电路模块，我们可以根据不同的应用，选择不同的数据传输总线。由于我们可以很方便地在CPU或PDSP上根据不同的信号发射模块和信号接收模块改变算法，所以可以以很低的成本应用到广泛的领域，其适应性强，这是软件实现算法的优点，所以称之为基于软件计算实现的复合鉴相器。该复合鉴相器的各方面性能要高于传统的飞行时间测量的鉴相器。

在采用基于软件计算实现的复合鉴相器的电路原理进行数字电路的实现时，虽然牺牲了部分测量的动态性能，其精确度和采样率性能还是优于现有技术，但却获得了算法的自由度，使复合鉴相法具有更广泛通用性，只要配上不同的信号发射模块和信号接收模块就可以进行不同种类的信号飞行时间测量。

实施例3

一种复合鉴相方法，同实施例1。

实现上述的一种复合鉴相方法的复合鉴相器，包括五个部件：信号发射模块、信号接收模块、数字电路模块、计算机和电源。与基于软件计算实现的复合鉴相器的电路原理图不同的是：计算机只做人机界面的工作而不作算法的工作，算法的工作放在了数字电路模块中，也就是说算法硬件化了。

下面介绍该复合鉴相器的工作流程：

通过系统总线接收到一个开始测量的指令，数字电路模块的总线控制器将指令转换为启动DAC通道(接D/A的通道)发射信号的命令，该命令同时启动系统内的计数器开始计数，以求t₀，信号通过信号发射模块发射，这时信号分两路，一路直接通过信号接收模块的参考信号接收器返回，到达ADCR，即参考A/D通道；另一路接外界，再经过一段时间后，信号从信号接收模块返回ADC0(接A/D的通道)。每一通道达到预定触发段的条件后，计数器停止计数，这时每一通道得到其相应的t₀，各通道相应t₀在顺延m个信号周期后A/D开始工作，A/D每完成模拟信号的数字转换，数字信号就传送给FPGA参与DFT的运算，当A/D工作了k个信号周期的时间后(k为50~1000的整数)，FPGA的计算完成得到传输时间，由ADC0通道计算出的时间减去ADCR通道的校准时间得到真实的时间，整个过程中，每一步的衔接、转换和启动都是在内时钟单元的控制下保持严格同步的。

该硬件化的复合鉴相器的特点：由于不受总线传输速率和计算速度的限制，该方法的各方面性能要高于基于软件计算实现的复合鉴相器。在基于高动态响应硬件化的复合鉴相器的电路原理进行数字电路的实现时，由于采用了D/A-＞A/D-＞FPGA或ASIC结构，并在DFT时采用流水线算法，可以达到数据采完即算完的计算效果，大大提高了测量的速度，在激光测距仪的应用上，理论上其测量的频率在远距离是仅和测量距离相关，f_measure＝c/L；由于光速非常大，在一公里的测量距离时，测量频率理论上可以接近100kHz，使高精度高动态响应的信号飞行时差的测量成为现实。而FPGA或ASIC的结构，虽然其算法的修改要比软件计算实现困难，但是由于不涉及对系统的修改，其修改的时间成本和硬件成本也要低于现有飞行时间测量的系统设计。

Claims (6)

1、一种复合鉴相方法，其特征在于：主要由如下步骤组成：

A、通过信号发射模块发射一组相同频率f的周期个数为n的信号，其中，n为正整数，同时计数器开始以系统时钟振荡频率计数；

B、通过信号接收模块接收A步骤发射的经过一段时间飞行返回的接收信号，并通过A/D转化为数字信号；

C、根据预定触发条件，粗略估算接收信号参考时刻t₀；所述的预定触发条件是指根据系统的发射信号起始段性质，选取最易辨识的起始段信号周期作为预定触发段，这里最易辨识指该信号周期的第二个波峰减第一波峰的差为最大；

D、根据时间t₀，计算模块依据接收信号稳定段，用离散傅利叶变换计算出信号的相位；

F、根据预定触发条件，判断t₀点的位置距离接收信号真起点的信号周期个数N，信号的准确飞行时间t_fly可由下式计算为：

                 t_fly＝t₀-/2πf-N/f

其中，式中N为非负整数，当N＝0时，t₀是对接收信号的起点时刻的粗略估计。

2、根据权利要求1所述的一种复合鉴相方法，其特征在于：上述C步骤所述的粗略估算的t₀，是根据接收信号满足预定触发条件时的计数器的计数值乘以系统时钟振荡周期得到。

3、根据权利要求1或2所述的一种复合鉴相方法，其特征在于：上述D步骤中所述的信号稳定段的位置，根据系统相对带宽获得。

4、实现权利要求1所述的一种复合鉴相方法的复合鉴相器，其特征在于：包括支持系统正常工作的电源；将预制频率为f多周期数字信号转换为模拟发射信号的D/A转换器；将该信号转化为可在介质中传播的信号发射模块；将在介质中传播的信号转化为电信号的信号接收模块；将信号接收模块的输出信号转化为数字信号的A/D；对D/A、A/D、信号发射模块和信号接收模块系统进行同步控制的同步控制器；以及对数字信号进行飞行时间差计算的计算模块。

5、根据权利要求4所述的复合鉴相器，其特征在于：所述的D/A、A/D/和同步控制器集成为数字电路模块，所述的计算模块为CPU或PDSP。

6、根据权利要求5所述的复合鉴相器，其特征在于：将所述计算模块用FPGA或ASIC集成于数字电路模块中。

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