CN107678021B - 一种同步无线差频相位测距装置及方法 - Google Patents

一种同步无线差频相位测距装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步无线差频相位测距装置。该装置包括无线发射装置和无线接收装置，无线发射装置包括时钟电路、第一无线发射电路和第二无线发射电路，第一无线发射电路和第二无线发射电路用于同时发射两个频率不同的无线信号；无线接收装置包括第一无线接收电路、第二无线接收电路、相位差计算器、时钟同步单元、第一下变频器和第二下变频器，时钟同步单元同步无线收发电路的时钟信号，相位差计算器用于计算两无线信号的相位差。本发明根据不同载波差频的相位信息测距，改变载波频率即可调节测距精度，可以轻松实现毫米级测距精度。

Description

一种同步无线差频相位测距装置及方法
技术领域
本发明涉及无线测距领域，具体涉及一种同步无线差频相位测距装置及方法。
背景技术
无线电测距是一种基于电磁波应用技术的测距方法。无线电测距即用无线电的方法测量距离，这是无线电定位的基本任务之一。
现有的无线测距的时钟是异步的，没有把接收方和发射方的时钟同步起来。异步接收方案无法得到可用的相位信息。另外现有的无线测距技术直接使用单个或多个载波频率携带的信息。无论接收方是同步还是异步，单频率的载波信号无法提取可用的相位信息。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种同步无线差频相位测距装置及方法。
为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种同步无线差频相位测距装置，该装置包括无线发射装置和无线接收装置，
所述无线发射装置包括时钟电路和与所述时钟电路分别连接的第一无线发射电路和第二无线发射电路，所述时钟电路用于同步第一无线发射电路和第二无线发射电路的时钟，所述第一无线发射电路和第二无线发射电路用于同时发射两个频率不同的无线信号；
所述无线接收装置包括第一无线接收电路、第二无线接收电路、相位差计算器、时钟同步单元、第一下变频器和第二下变频器；
所述第一下变频器和第二下变频器用于分别降低所述第一无线接收电路和第二无线接收电路接收到的两个无线信号的频率，并产生两路相同频率的中频信号；所述相位差计算器用于计算两无线信号的相位差，所述时钟同步单元分别与第一无线接收电路与第二无线接收电路连接，用于同步无线收发电路的时钟信号；
还包括计算单元，用于根据两个无线信号的波长与相位差计算距离。
作为优选，所述时钟同步单元包括第一锁相环和与所述第一锁相环的输出端连接的第二锁相环与第三锁相环，
所述第一锁相环的输入端分别与第一下变频器和所述分频器的输出端连接，
所述第二锁相环的输出端与第一下变频器连接，用于将第一锁相环输出的时钟信号升频后作为所述第一下变频器的本振信号；
所述第三锁相环的输出端与第二下变频器相连，用于将第二锁相环输出的时钟信号升频后作为第二下变频器的本振信号。
作为优选，所述分频器的输入端与所述第一无线接收电路连接，用于接入第一无线接收电路基带时钟信号。
作为优选，所述分频器的输入端与所述第一锁相环的输出端连接，用于接入第一锁相环输出的时钟信号。
作为优选，所述相位差计算器分别与第一下变频器和第二下变频器的中频输出端连接。
作为优选，所述相位差计算器分别与所述分频器的输出端和第二下变频器的输出端连接。
作为优选，所述无线接收装置还包括RSSI电路，所述RSSI电路集成在第一无线接收电路或第二无线接收电路内。
在第二方面，本发明还提供了一种同步无线差频相位测距方法，该方法包括以下步骤：
在被测距离的一端采用两个无线发射电路同步发射两个频率不等的无线信号；
在被测距离的另外一端采用两个无线接收电路分别接收所述两个无线信号；
对接收的两个无线信号进行下变频处理；
根据所述下变频处理后的两个信号同步两个接收电路和两个发送电路的时钟；
对下变频处理后的两个信号计算相位差Δφ；
通过相位差Δφ根据公式L1＝(λ1*λ2)*Δφ/(2π*Δλ)计算距离L1，其中，λ1和λ2分别为所述两个频率不等的无线信号的波长，Δλ为λ1与λ2的差值。
作为优选，还包括以下步骤：
调节两个无线信号的波长，使量程(λ1*λ2)/Δλ大于RSSI测距最大误差的2倍；
采用RSSI电路粗测出距离L2；
计算出RSSI电路粗侧距离L2包含量程的个数N:N＝L2/[(λ1*λ2)/Δλ]；
对N进行整数和余数进行拆分，得整数N1和余数M；
对距离L1和M个量程与量程的二分之一比较，当L1和M同时小于1/2量程或同时大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1，当L1小于1/2量程，同时M大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1+1，当L1大于1/2量程，同时M小于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1-1；
根据所述实际量程个数N2，计算N2个量程的长度L3＝N2*(λ1*λ2)/Δλ
计算出被测距离L为：L＝L1+L3
有益效果：本发明根据不同载波差频的相位信息测距，改变载波频率即可调节测距精度，可以轻松实现毫米级测距精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无线发射装置的原理图；
图2是本发明实施例提供的无线接收装置的原理图；
图3是本发明另一实施例提供的无线接收装置的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1至3所示，本发明实施例提供了一种同步无线差频相位测距装置，该装置包括无线发射装置和无线接收装置，无线信号发射装置包括时钟电路1、第一无线发射电路2和第二无线发射电路3，时钟电路1分别与第一无线发射电路2和第二无线发射电路3连接，用于同步第一无线发射电路2和第二无线发射电路3的时钟，第一无线发射电路2和第二无线发射电路3用于同时发射两个频率不同的无线信号。
无线接收装置包括第一无线接收电路4、第二无线接收电路5、相位差计算器6、时钟同步单元、第一下变频器8和第二下变频器9，第一无线接收电路4与第二无线接收电路5接收到两个频率不同的无线信号后，分别经第一下变频器4和第二下变频器5降低该无线信号的频率，并产生两路相同频率的中频信号，以便于测量接收到的两个频率不同的无线信号的相位差，并同步第一无线接收电路4和第二无线接收电路5与第一及第二无线发射电路的时钟。
相位差计算器6用于计算两路中频信号的相位差。时钟同步单元分别与第一无线接收电路4与第二无线接收电路5连接，用于同步无线收发电路的时钟。
本发明实施例还包括计算单元，用于根据两个无线信号的波长与相位差计算距离。
本发明实施优选采用的时钟同步单元包括多个锁相环和至少一级分频器10，多个锁相环与分频器10用于使第一、第二无线接收电路的时钟跟踪无线发送电路电路的时钟实现收发同步。分频器10可以通过多级分频逐步分频实现，也通过一次大幅分频实现。
多个锁相环包括第一锁相环11、第二锁相环12和第三锁相环13，第一锁相环11的输出端分别与第二锁相环12与第三锁相环13输入端连接，第一锁相环11的输入端分别与第一下变频器8和分频器10的输出端连接，第一锁相环11使分频器10输出的分频信号f(FB)与第一下变频器8的输出信号f(FI)相等，并输出时钟信号f(CLK)，使进入第二锁相环12与第三锁相环13的信号相同，第二锁相环12与第三锁相环13分别与第一下变频器8和第二下变频器9的中频信号端连接，第二锁相环12与第三锁相环13分别用于将第一锁相环11输出的时钟信号f(CLK)的频率升高，并将频率升高后的信号f(LO)作为第一下变频器8和第二下变频器9的本振信号。并且分别将f(CLK)升频后的信号再经分频器分频，就可得到两个相同的第一无线接收电路4与第二无线接收电路5的基带时钟信号f(B)，进而使第一无线接收电路4与第二无线接收电路5的时钟跟踪无线发送电路电路的时钟，实现收发同步。
需要说明的是，第一无线接收电路4和第二无线接收电路5均可采用现有集成芯片。锁相环、分频器和下变频器可以单独采用多个芯片外部设置的锁相环、分频器和下变频器，也可将芯片外部设置的锁相环、分频器和下变频器与芯片内的锁相环、分频器和下变频器一起使用。
如图2和图3所示，分频器10的输入端可以与第一无线接收电路4连接，用于将接入使用基带时钟信号。也可以将分频器10的输入端与第一锁相环11的输出端连接，用于接入第一锁相环11输出的时钟信号。
第一下变频器8输出的中频信号f(FI)与分频器输出的信号f(FB)进入第一锁相环后，使得f(FB)与f(FI)相等，因此本发明实施例的相位差计算6有两种连接方式。如图2或图3所示，将相位差计算器6分别与第一下变频器8和第二下变频器9的中频输出端连接，分别对第一下变频器8和第二下变频器9输出的中频信号f(FI)，进行相位差计算，根据下变频的数学性质可知，两路中频信号的相位差等于两路无线信号的相位差。也可以将相位差计算器6分别与分频器10的输出端和第二下变频器的输出端连接。
为摆脱量程限制，本发明实施例的无线接收装置还包括RSSI电路。RSSI电路可以集成在第一无线接收电路4或第二无线接收电路5内，采用RSSI电路测量出距离的粗略长度，然后再根据该长度计算出该长度内包含量程的数量，对该数量取商舍余，然后计算出整数量程的长度，余数部分采用相位差计算公式计算出来，然后与整量程的长度相加，就可得出实际距离。
本发明所依据的原理如下：
假设：
L1：被测距离；
λ1：载波1的波长；
λ1：载波2的波长；
φ1：载波1在接收端相对于发送端的相位，即同时测量载波1在接收端与发送端的相位，然后用接收端的相位减去发送端的相位即得到φ1；
φ2：载波2在接收端相对于发送端的相位，即同时测量载波2在接收端与发送端的相位，然后用接收端的相位减去发送端的相位即得到φ2；
φ1/(2π)＝L1/λ1 公式1
φ2/(2π)＝L1/λ2 公式2
公式1减去公式2即得：
Δφ/(2π)＝Δλ*L1/(λ1*λ2) 公式3
公式3中的Δφ为接收端的相位差值，都是在接收端测得的，也就摆脱了以发送端作为参考点的限制，即不用再同时测得接收端与发送端的相位，只需要将接收端接收到的载波1的相位与载波2的相位相减，得到的差值即为公式3中的Δφ。
由公式3进行变换即得：
L1＝(λ1*λ2)*Δφ/(2π*Δλ) 公式4
由公式4可以看出，只要知道测量用的载波1的波长λ1与载波2的波长λ2，和测量出接收端的载波1与载波2的相位差Δφ，就能获得被测距离L1的长度。
由于现有技术中的测量相位差的设备，只能将相位角Δφ体现在0-2π之内，目前，在不采取其它手段的的情况下，这种测量方法具有一个量程限制，其量程的上限值为当Δφ为2π时，则L1＝λ1*λ2/Δλ。也就是说在不采取其它辅助手段的情况下，被测量的距离l应当小于λ1*λ2/Δλ。
为解决上述量程限制，本发明现采用了一种辅助手段，来摆脱量程的限制，先采用RSSI电路测出被测距离，由于RSSI电路测量出的距离的精度有限，被测出的距离也只是粗略值，RSSI电路测距的原理与技术均为现有技术，在此不再赘述。
假设采用RSSI电路粗略测出的距离值为L2，那么在L2的长度内可以根据上述量程(λ1*λ2)/Δλ，计算出上述量程的个数N为：
N＝L2/[(λ1*λ2)/Δλ] 公式5
调节两个无线信号的波长，使量程(λ1*λ2)/Δλ大于RSSI测距最大误差的2倍。采用RSSI电路粗测出距离L2。计算出RSSI电路粗侧距离L2包含量程的个数N为:
N＝L2/[(λ1*λ2)/Δλ] 公式6
对公式6中的N进行整数和余数进行拆分，得整数N1和余数M；
对上述相位差测出的距离L1和余数M个量程与量程的二分之一比较，当L1和M同时小于1/2量程或同时大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1，当L1小于1/2量程，同时M大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1+1，当L1大于1/2量程，同时M小于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1-1。由于(λ1*λ2)/Δλ大于RSSI测距最大误差的2倍，所以通过这种方法计算出的整数N2准确无误差。
根据所述实际量程个数N2，计算N2个量程的长度L3为：
L3＝N2*(λ1*λ2)/Δλ 公式7
则测量出的实际距离L为：
L＝L1+L3＝(λ1*λ2)*Δφ/(2π*Δλ)+N2*(λ1*λ2)/Δλ 公式8
这样也就解决了当被测距离较远时，获取相位角差的设备造成的量程限制问题，使本发明适用于各种测距场合。并且，与单纯采用RSSI测距相比，测量精度大幅提高。也可采用其他方法先测出距离，然后通过上述方法摆脱量程限制，可使测量精度大幅提高。
本发明实施例还提供了一种同步无线差频相位测距方法，包括以下步骤：
步骤1：在被测距离的一端采用两个无线发射电路同步发射两个频率不等的无线信号；
步骤2：在被测距离的另外一端采用两个无线接收电路分别接收所述两个无线信号；
步骤3：对接收的两个无线信号进行下变频处理；
步骤4：根据所述下变频处理后的两个信号同步两个接收电路和两个发送电路的时钟；
步骤5：对下变频处理后的两个信号计算相位差Δφ；
步骤6：通过相位差Δφ根据公式L1＝(λ1*λ2)*Δφ/(2π*Δλ)计算距离L1，其中，λ1和λ2分别为所述两个频率不等的无线信号的波长，Δλ为λ1与λ2的差值。
为摆脱测距量程限制，还包括以下步骤：
步骤7：调节两个无线信号的波长，使量程(λ1*λ2)/Δλ大于RSSI测距最大误差的2倍；
步骤8：采用RSSI电路粗测出距离L2；
步骤9：计算出RSSI电路粗侧距离L2包含量程的个数N:N＝L2/[(λ1*λ2)/Δλ]；
步骤10：对N进行整数和余数进行拆分，得整数N1和余数M；
步骤11：对距离L1和M个量程与量程的二分之一比较，当L1和M同时小于1/2量程或同时大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1，当L1小于1/2量程，同时M大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1+1，当L1大于1/2量程，同时M小于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1-1；
步骤12：根据所述实际量程个数N2，计算N2个量程的长度L3＝N2*(λ1*λ2)/Δλ
步骤13：计算出被测距离L为：L＝L1+L3
基于上述实施例所述，本发明根据不同载波差频的相位信息测距，改变载波频率即可调节测距精度，可以轻松实现毫米级测距精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种同步无线差频相位测距装置，其特征在于，包括无线发射装置和无线接收装置，
所述无线发射装置包括时钟电路和与所述时钟电路分别连接的第一无线发射电路和第二无线发射电路，所述时钟电路用于同步第一无线发射电路和第二无线发射电路的时钟，所述第一无线发射电路和第二无线发射电路用于同时发射两个频率不同的无线信号；
所述无线接收装置包括第一无线接收电路、第二无线接收电路、相位差计算器、时钟同步单元、第一下变频器和第二下变频器；
所述第一下变频器和第二下变频器用于分别降低所述第一无线接收电路和第二无线接收电路接收到的两个无线信号的频率，并产生两路相同频率的中频信号；所述相位差计算器用于计算两无线信号的相位差，所述时钟同步单元分别与第一无线接收电路与第二无线接收电路连接，用于同步无线收发电路的时钟信号；
还包括计算单元，用于根据两个无线信号的波长与相位差计算距离，计算方法为：
通过相位差Δφ根据公式L1＝(λ1*λ2)*Δφ/(2π*Δλ)计算距离L1，其中，λ1和λ2分别为所述两个频率不同的无线信号的波长，Δλ为λ1与λ2的差值；
调节两个无线信号的波长，使量程(λ1*λ2)/Δλ大于RSSI测距最大误差的2倍；
采用RSSI电路粗测出距离L2；
计算出RSSI电路粗测距离L2包含量程的个数N:N＝L2/[(λ1*λ2)/Δλ]；
对N进行整数和余数进行拆分，得整数N1和余数M；
对距离L2和余数M与量程的二分之一比较，当L2和M同时小于1/2量程或同时大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1，当L2大于1/2量程，同时M小于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1-1；
根据所述实际量程个数N2，计算N2个量程的长度L3＝N2*(λ1*λ2)/Δλ；
计算出被测距离L为：L＝L1+L3；
所述无线接收装置还包括RSSI电路，所述RSSI电路集成在第一无线接收电路或第二无线接收电路内。
2.根据权利要求1所述的同步无线差频相位测距装置，其特征在于，所述时钟同步单元包括第一锁相环和与所述第一锁相环的输出端连接的第二锁相环与第三锁相环，
所述第一锁相环的输入端分别与第一下变频器和分频器的输出端连接，所述第二锁相环的输出端与第一下变频器连接，用于将第一锁相环输出的时钟信号升频后作为所述第一下变频器的本振信号；
所述第三锁相环的输出端与第二下变频器相连，用于将第二锁相环输出的时钟信号升频后作为第二下变频器的本振信号。
3.根据权利要求2所述的同步无线差频相位测距装置，其特征在于，所述分频器的输入端与所述第一无线接收电路连接，用于接入第一无线接收电路基带时钟信号。
4.根据权利要求2所述的同步无线差频相位测距装置，其特征在于，所述分频器的输入端与所述第一锁相环的输出端连接，用于接入第一锁相环输出的时钟信号。
5.根据权利要求1所述的同步无线差频相位测距装置，其特征在于，所述相位差计算器分别与第一下变频器和第二下变频器的中频输出端连接。
6.根据权利要求1所述的同步无线差频相位测距装置，其特征在于，所述相位差计算器分别与分频器的输出端和第二下变频器的输出端连接。
7.一种同步无线差频相位测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
在被测距离的一端采用两个无线发射电路同步发射两个频率不等的无线信号；
在被测距离的另外一端采用两个无线接收电路分别接收所述两个无线信号；
对接收的两个无线信号进行下变频处理；
根据所述下变频处理后的两个信号同步两个接收电路和两个发送电路的时钟；
对下变频处理后的两个信号计算相位差Δφ；
通过相位差Δφ根据公式L1＝(λ1*λ2)*Δφ/(2π*Δλ)计算距离L1，其中，λ1和λ2分别为所述两个频率不等的无线信号的波长，Δλ为λ1与λ2的差值；
还包括以下步骤：
调节两个无线信号的波长，使量程(λ1*λ2)/Δλ大于RSSI测距最大误差的2倍；
采用RSSI电路粗测出距离L2；所述RSSI电路集成在第一无线接收电路或第二无线接收电路内；
计算出RSSI电路粗测距离L2包含量程的个数N:N＝L2/[(λ1*λ2)/Δλ]；
对N进行整数和余数进行拆分，得整数N1和余数M；
对距离L2和余数M与量程的二分之一比较，当L2和M同时小于1/2量程或同时大于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1，当L2大于1/2量程，同时M小于1/2量程，则实际量程个数取N2＝N1-1；
根据所述实际量程个数N2，计算N2个量程的长度L3＝N2*(λ1*λ2)/Δλ；
计算出被测距离L为：L＝L1+L3。
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