CN209640487U

CN209640487U - 一种射频测距装置

Info

Publication number: CN209640487U
Application number: CN201822176646.1U
Authority: CN
Inventors: 张亦明; 李小龙; 于东锋
Original assignee: Suzhou Institute Of Building Science Group Co Ltd
Current assignee: Suzhou Institute Of Building Science Group Co Ltd
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2028-12-24

Abstract

本实用新型公开了一种射频测距装置，其特征在于：包括控制器、射频发射单元、射频接收单元和时钟；所述射频发射单元设有相位测量信号发生器、信号调制器、RF功率放大器和信号发送天线，所述控制器分别经相位测量信号发生器和信号调制器后接入到RF功率放大器，所述相位测量信号发生器的第一信号输出端连接信号调制器调制输入端，信号发送天线连接RF功率放大器；所述射频接收单元设有RF接收器、信号解调器、鉴相器和信号接收天线，信号接收天线连接RF接收器，RF接收器分别通过鉴相器和信号解调器接入到控制器，所述相位测量信号发生器的第二信号输出端连接鉴相器的输入端；所述时钟连接控制器。本实用新型能够实现对目标进行高精度测距。

Description

一种射频测距装置

技术领域

本实用新型属于射频测量技术领域，尤其涉及一种射频测距装置。

背景技术

目前，随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境中，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场以及矿井等，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。目前针对定位测距主要包含超声波测距技术、蓝牙测距技术、射频识别测距技术、Wi-Fi测距技术等，而现有的射频测距装置在射频识别测距时由于射频电磁波的多径传播特性，导致射频测距无法像激光测距一样精确对准目标并利用反射来实现毫米级高精度测距。

名词定义：

相位测量信号：没有经过调制的，频率及相位稳定的信号，其频率和相位在一定范围内连续可调，信号频率为f_u。相位测量信号可以是射频通讯的载波信号，也可以是专用信号发生器产生的信号。在测量过程中，相位测量信号需要发射时送入射频功放，经天线向外辐射；在不需要发射时则维持信号发生器工作，保持其频率和相位不变。

数据帧：射频通讯装置在一段时间内发送的经过调制的带有数据信息的射频信号。

相位测量帧：射频通讯装置在一段时间内发送的相位测量射频信号。相位测量帧与数据帧的时序关系不固定，相位测量帧根据具体应用的需要，可以在数据帧前，也可在数据帧后，也可在数据帧中间。

实用新型内容

为解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种射频测距装置，能够实现对待测目标进行高精度的定位测距。

为了达到上述技术效果，本实用新型采用的技术方案是：

一种射频测距装置，其特征在于：包括控制器、射频发射单元、射频接收单元和时钟；所述射频发射单元设有相位测量信号发生器、信号调制器、RF功率放大器和信号发送天线，所述控制器分别经相位测量信号发生器和信号调制器后接入到RF功率放大器，所述相位测量信号发生器的第一信号输出端连接信号调制器调制输入端，所述信号发送天线连接RF功率放大器，用于将经RF功率放大器放大后的信号发送出去；所述射频接收单元设有RF接收器、信号解调器、鉴相器和信号接收天线，所述信号接收天线用于接收信号并将信号传送至 RF接收器，所述RF接收器分别通过鉴相器和信号解调器接入到控制器，所述相位测量信号发生器的第二信号输出端连接鉴相器的输入端；所述时钟连接控制器，用与输送时钟信号。

进一步地，还包括RF转换开关，所述RF转换开关连接RF功率放大器和RF 接收器。

进一步地，所述信号发送天线和信号接收天线为同一天线，且该天线连接 RF切换开关。

进一步地，还包括高速脉冲计数器，所述高速脉冲计数器连接控制器，所述相位测量信号发生器的第三信号输出端连接高速脉冲计数器的信号输入端。

进一步地，所述控制器上设有数字接口，用于输入或输出数据。

进一步地，所述控制器设有电源接入口，用于连接电源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的射频测距装置可以对目标距离进行精确测量，扩大了射频测距装置的应用范围。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构示意图。

图2为本实用新型实施例二的结构示意图。

图3为本实用新型测距工作原理图。

图中各标号和对应的名称为：

1-1.装置A的相位测量信号； 1-2.装置B的相位测量信号；

2-1.装置A发送的相位测量帧； 2-2.装置B接收的相位测量帧；

2-3.装置B发送的相位测量帧； 2-4.装置A接收的相位测量帧；

3.数据帧。

具体实施方式

实施例一：

一种射频测距装置，如图1所示，其包括控制器、射频发射单元、射频接收单元、时钟和RF转换开关。控制器上设有用于输入或输出数据数字接口和用于连接电源电源接入口。射频发射单元设有相位测量信号发生器、信号调制器、 RF功率放大器和信号发送天线，控制器分别经相位测量信号发生器和信号调制器后接入到RF功率放大器，相位测量信号发生器的第一信号输出端连接信号调制器调制输入端，信号发送天线连接RF功率放大器，用于将经RF功率放大器放大后的信号发送出去。射频接收单元设有RF接收器、信号解调器、鉴相器和信号接收天线，信号接收天线用于接收信号并将信号传送至RF接收器，RF接收器分别通过鉴相器和信号解调器接入到控制器，相位测量信号发生器的第二信号输出端连接鉴相器的输入端。RF转换开关连接RF功率放大器和RF接收器，信号发送天线和信号接收天线为同一天线，且该天线连接RF切换开关。

时钟连接控制器，用与输送时钟信号。

实施例二：

一种射频测距装置，如图2所示，该射频测距装置与实施例一基本相同，所不同之处在于：该射频测距装置还设有高速脉冲计数器，高速脉冲计数器连接控制器，其信号输入端连接相位测量信号发生器的第三信号输出端。

本发明在测距时利用多个射频测距装置(以下简称装置)，通过同步各装置间相位测量信号的频率与相位，测量本机相位测量信号与接收相位测量帧信号的相位差，实现快速地测量各装置间的精确距离；通过空间中至少4个三维坐标已知，具有足够高度差，空间位置稳定的装置(基站)进行组网测量，可以对测量范围内某个装置(测站)进行精确定位，测得其三维坐标。

如图3所示，本实施例一和实施例二的射频测距装置的测距过程及工作原理如下：

1.请求测距：

装置A向装置B发送测距请求，装置A发送数据帧3和相位测量帧2-1，发送完成后关闭射频发射但保持相位测量信号发生器的工作，使相位测量信号1-1 的频率和相位保持稳定并切换至接收模式。

2.相位同步：

装置B接收装置A发送过来的数据帧3和相位测量帧2-2，验证是向自身请求测距(若不是向自身请求测距则保持静默)，调整自身相位测量信号1-2的频率和相位，使自身的相位测量信号与接收到装置A的相位测量帧信号一致。

3.返回相位测量帧(模拟反射)：

装置A发射的射频电磁波信号以光速传播至装置B，所以实际上装置B经过同步的相位测量信号与装置A的相位测量信号已有了一定的相位差。装置B待装置A关闭射频发射后，从接收模式切换至发射模式，发送数据帧3和相位测量帧2-3。

4.相位测量：

装置A接收装置B返回的数据帧3和相位测量帧2-4，并将返回的相位测量帧信号与自己的相位测量信号一起送入鉴相器，测得相位差

5.测量电磁波飞行时间内的整周数N：

仅测得一个频率的相位差是无法计算距离的，还必须通过常规测距手段测量电磁波飞行时间内的整周数N(以下简称整周数)。

5.1.飞行时间法：

装置A向装置B发出射频信号同时记录该时刻t_a1；

装置B收到装置A发送的射频信号同时记录该时刻t_b1；

装置B返回射频信号给装置A同时记录该时刻t_b2；

装置A收到装置B发送的射频信号同时记录该时刻t_a2。

各装置之间可以通过射频通讯得到对方记录的时刻，根据下式计算电磁波在空中的飞行时间t_ab和整周数N：

t_ab＝[(t_a2-t_a1)-(t_b2-t_b1)]/2

N＝t_ab·f_u

由于每个装置的时钟源相互独立，时钟会有一定的偏差。为了减少该误差，装置A收到装置B发送的射频信号后，继续向装置B发出射频信号同时记录该时刻t_a3；

装置B收到装置A发送的射频信号同时记录该时刻t_b3。

根据下式计算可抵消时钟偏移引起的误差：

5.2.脉冲计数法：

将相位测量信号送入高速脉冲计数器(以下简称计数器)。

装置A向装置B发出相位测量帧的同时，装置A的计数器开始计数；

装置B收到装置A发送的相位测量帧的同时，装置B的计数器开始计数；

装置B返回相位测量帧给装置A的同时，装置B记录当前脉冲数N_b1；

装置A收到装置B发送的相位测量帧的同时，装置A记录当前脉冲数N_a1。

各装置之间可以通过射频通讯得到对方记录的脉冲数，根据下式计算整周数N：

N＝(N_a1-N_b1)/2

为了减少误差，装置A收到装置B发送的相位测量帧后，继续向装置B发出相位测量帧的同时，装置A记录当前脉冲数N_a2；

装置B收到装置A发送的相位测量帧的同时，装置B记录当前脉冲数N_b2。

根据下式计算可抵消频率偏移引起的误差：

6.测距计算：

测得相位测量信号的相位差和整周数N之后，根据以下公式计算距离：

其中：f_u—频率(Hz)

N—电磁波整周期数

—相位差

L—装置A到装置B的距离(m)

C—光速(m/s)

多频率测量

在不测量整周数N的情况下，使用多种不同频率的相位测量信号分别进行相位差测量，根据以下公式计算距离(以两种不同频率为例)：

当时，

其中：—较高频率相位测量信号下的相位差

—较低频率相位测量信号下的相位差

f₁—较高频率相位测量信号的频率

f₂—较低频率相位测量信号的频率

L—装置A到装置B的距离(m)

C—光速(m/s)

本实用新型装置的空间定位：

在测距量程的空间范围内，固定安装至少4个测距装置作为基站，其中至少1个基站与其它基站有足够的高度差，所有基站的三维坐标已知且保证其空间位置稳定(若空间位置不稳定，通过其它测量手段，例如静态RTK等，能够实时获得测站的精确三维坐标也可)。将本实用新型测距装置安装于需要定位的物体或位置上作为测站，测站与基站相互间组成定位测量网络。分别测量测站到基站间的距离L1、L2、L3、L4。以基站为球心，L1、L2、L3、L4为球的半径，各基站的球面相交就可以精确定位出某个测站在空间中的相对位置，测得其精确的三维坐标。

光速的修正：

由于大气环境变化会导致光速产生变化。通过2个或2个以上基站相互间进行测距，用射频测量的距离值与已知的实际距离对大气光速进行线性修正。修正后的光速通过数据帧3传输至每个装置，各装置用修正过的光速进行计算可以减少或消除光速变化引起的测距误差，提高测距定位的精度。

本实用新型不局限于上述具体的实施方式，对于本领域的普通技术人员来说从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种射频测距装置，其特征在于：包括控制器、射频发射单元、射频接收单元和时钟；所述射频发射单元设有相位测量信号发生器、信号调制器、RF功率放大器和信号发送天线，所述控制器分别经相位测量信号发生器和信号调制器后接入到RF功率放大器，所述相位测量信号发生器的第一信号输出端连接信号调制器调制输入端，所述信号发送天线连接RF功率放大器，用于将经RF功率放大器放大后的信号发送出去；所述射频接收单元设有RF接收器、信号解调器、鉴相器和信号接收天线，所述信号接收天线用于接收信号并将信号传送至RF接收器，所述RF接收器分别通过鉴相器和信号解调器接入到控制器，所述相位测量信号发生器的第二信号输出端连接鉴相器的输入端；所述时钟连接控制器，用与输送时钟信号。

2.根据权利要求1所述的一种射频测距装置，其特征在于：还包括RF转换开关，所述RF转换开关连接RF功率放大器和RF接收器。

3.根据权利要求2所述的一种射频测距装置，其特征在于：所述信号发送天线和信号接收天线为同一天线，且该天线连接RF切换开关。

4.根据权利要求3所述的一种射频测距装置，其特征在于：还包括高速脉冲计数器，所述高速脉冲计数器连接控制器，所述相位测量信号发生器的第三信号输出端连接高速脉冲计数器的信号输入端。

5.根据权利要求1所述的一种射频测距装置，其特征在于：所述控制器上设有数字接口。

6.根据权利要求1所述的一种射频测距装置，其特征在于：所述控制器设有电源接入口。