CN109188418A - 一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置和方法，它包括：天线，用于接收第二介质中的微波测距延迟信号；信号源发射装置，与天线连接，用于发射在微波载波上调制的测距信号；相位比较器，与天线连接，用于根据预设阈值λ对微波测距延迟信号进行分类；低噪声放大器，与相位比较器连接，用于对分类后的信号进行放大并传输至带通滤波器进行带通滤波；解调模块，与带通滤波器连接，用于将带通滤波器滤波后的信号进行解调；鉴相器，分别与解调模块和信号源发射装置连接，用于对进行混频及低通滤波处理后的测距信号测距延迟信号进行鉴相。本发明能够准确测量不同介质中的距离。

Description

一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置和方法

技术领域

本发明涉及微波测距技术领域，特别是一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置和方法。

背景技术

传统微波测距是一种无线式两点之间距离测量方法。采用微波作为载波，由天线发射测距信号，在单一介质中传播，遇到待测目标后，信号被反射并被接收天线接收，通过对发射和反射信号之间关系进行数据处理进而可求解得待测距离。

根据不同发射信号方式，微波测距方法可分为脉冲式、频率式和相位式。脉冲式测距在测量距离方面优于频率式和相位式，更适合于远距离测量，而不适合短距离测量。在精度方面，相位法远优于频率式和脉冲式，可到达mm级。同时，在成本方面，虽然脉冲式可实现mm级精度，但其载波频率达20GHz左右甚至更高，从而导致成本昂贵。相反，相位式凭借其不同的测量原理，对采样频率的要求相对较低，因此相位式相对成本低。综上，最适合用于测量不同介质间近距离传播的无线测距方法为相位式测距法。但是，目前的相位式测距法一般应用于同一介质中的传播，而无法准确测量不同介质中的距离。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置和方法，在保证高精度测距基础上，不仅可用于车辆与周围复杂环境中金属物间精确测距，提高驾驶安全性。同时，使土壤浅层金属埋深无线测量成为可能，代替传统人工挖掘工作方式，降低电力工人的工作量，解决漏挖、错挖和盲目开挖等问题，降低人力成本，提高工作效率。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，它包括有：

天线，用于接收第二介质中金属反射回的第一微波测距延迟信号和分界层反射回的第二微波测距延迟信号；

信号源发射装置，与所述天线连接，通过天线发射在微波载波上调制的测距信号cos(wt)；

相位比较器，与所述天线连接，用于根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类；

低噪声放大器，与所述相位比较器连接，用于对分类后的信号进行放大并传输至带通滤波器进行带通滤波；

解调模块，与带通滤波器连接，用于将带通滤波器滤波后的信号进行解调，得到第一测距延迟信号和第二测距延迟信号

鉴相器，分别与解调模块和信号源发射装置连接，用于对进行混频及低通滤波处理后的测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号进行鉴相；根据鉴相后得到的相位差进行距离的计算。

进一步，所述相位比较器根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类具体包括有：

将延迟相位小于或等于预设阈值λ的微波测距延迟信号传输至第一低噪声放大器；

将延迟相位大于阈值λ的微波测距延迟信号传输至第二低噪声放大器。

进一步，所述鉴相器包括有第一鉴相器和第二鉴相器；

所述第一鉴相器分别与第一低通滤波器和第二低通滤波器连接；

所述第二鉴相器分别与第二低通滤波器和第三低通滤波器连接。

进一步，还包括有显示器；

所述显示器分别与第一鉴相器和第二鉴相器连接。

进一步，所述信号源发射装置包括有参考信号源、信号源、调制模块、载波信号源和功率放大器；

所述参考信号源与所述信号源连接，所述信号源与所述调制模块连接；所述调制模块还与所述载波信号源和功率放大器连接；所述功率放大器还与天线连接。

本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法，它包括有：所述方法步骤如下：

S1：发射测距信号cos(wt)；

S2：接收第二介质中金属反射回的第一微波测距延迟信号和分界层反射回的第二微波测距延迟信号；

S3：根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类；

S4：将分类后的信号进行解调得到第一测距延迟信号和第二测距延迟信号

S5：将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波处理；

S6：将处理后的信号进行鉴相，得到相位差和

S7：根据相位差和进行距离的计算；

其中，w是测距信号的频率，w₀是参考信号的频率，且w₀<w；和为相位差，t为时间。

进一步，所述步骤S3还包括有：

S31：将延迟相位小于或等于预设阈值λ的微波测距延迟信号传输至第一低噪声放大器；

S32：将延迟相位大于阈值λ的微波测距延迟信号传输至第二低噪声放大器；

以及，对分类后的信号进行放大后再进行带通滤波。

进一步，所述步骤S6包括有：

S61：将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波得到cos((w-w₀)t)、

S62：在鉴相器中分别对cos((w-w₀)t)和cos((w-w₀)t)和进行鉴相，从而得到相位差和

进一步，所述步骤S7具体包括有：

S71：根据相位差和对无线测量装置中天线与分界层间距离D1进行计算以及对无线测量装置中天线与金属间距离D2进行计算；

S72：根据距离D1和距离D2对金属在第二介质中传播距离D3进行计算。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明在保证高精度测距基础上，不仅可用于车辆与周围复杂环境中金属物间精确测距，提高驾驶安全性。同时，使土壤浅层金属埋深无线测量成为可能，代替传统人工挖掘工作方式，降低电力工人的工作量，解决漏挖、错挖和盲目开挖等问题，降低人力成本，提高工作效率。

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。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置连接示意图。

图2为面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示；一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，它包括有：

天线，用于接收第二介质中金属反射回的第一微波测距延迟信号和分界层反射回的第二微波测距延迟信号；

信号源发射装置，与天线连接，通过天线发射在微波载波上调制的测距信号cos(wt)；

信号源发射装置包括有参考信号源、信号源、调制模块、载波信号源和功率放大器；

参考信号源与信号源连接，信号源与调制模块连接；调制模块还与载波信号源和功率放大器连接；功率放大器还与天线连接。

相位比较器，与天线连接，用于根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类；

相位比较器根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类具体包括有：

将延迟相位小于或等于预设阈值λ的微波测距延迟信号传输至第一低噪声放大器；

将延迟相位大于阈值λ的微波测距延迟信号传输至第二低噪声放大器。

低噪声放大器，与相位比较器连接，用于对分类后的信号进行放大并传输至带通滤波器进行带通滤波；

解调模块，与带通滤波器连接，用于将带通滤波器滤波后的信号进行解调，得到第一测距延迟信号和第二测距延迟信号

鉴相器，分别与解调模块和信号源发射装置连接，用于对进行混频及低通滤波处理后的测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号进行鉴相。鉴相器包括有第一鉴相器和第二鉴相器；第一鉴相器分别与第一低通滤波器和第二低通滤波器连接；第二鉴相器分别与第二低通滤波器和第三低通滤波器连接。

将处理后的信号在鉴相器中进行鉴相，得到相位差和将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波得到cos((w-w₀)t)、

在鉴相器中分别对cos((w-w₀)t)和cos((w-w₀)t)和进行鉴相，从而得到相位差和

所述根据相位差和进行距离的计算包括有：

根据相位差和对无线测量装置中天线与分界层间距离D1的计算，和对无线测量装置中天线与金属间距离D2的计算以及根据距离D1和距离D2对金属在第二介质中传播距离D3的计算。

其中，w是测距信号的频率，w₀是参考信号的频率，且w₀<w；和为相位差，t为时间。

还包括有显示器，显示器分别与第一鉴相器和第二鉴相器连接。

实施例2，如图2所示，一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法，它包括有：所述方法步骤如下：

S1：无线测量装置发射在微波载波上调制的测距信号cos(wt)，并接收第二介质中金属反射回的第一微波测距延迟信号和分界层反射回的第二微波测距延迟信号；

S2：相位比较器根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类；

S3：低噪声放大器对分类后的信号进行放大并传输至带通滤波器进行带通滤波；

S4：将滤波后的信号进行解调得到第一测距延迟信号和第二测距延迟信号

S5：将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波处理；

S6：将处理后的信号在鉴相器中进行鉴相，得到相位差和

S7：根据相位差和进行距离的计算；

其中，w是测距信号的频率，w₀是参考信号的频率，且w₀<w；和为相位差，t为时间。

所述步骤S2还包括有：

S21：将延迟相位小于或等于预设阈值λ的微波测距延迟信号传输至第一低噪声放大器；

S22：将延迟相位大于阈值λ的微波测距延迟信号传输至第二低噪声放大器。

所述步骤S6包括有：

S61：将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波得到cos((w-w₀)t)、

S62：在鉴相器中分别对cos((w-w₀)t)和cos((w-w₀)t)和进行鉴相，从而得到相位差和

所述步骤S7还包括有：

S71：根据相位差和对无线测量装置中天线与分界层间距离D1的计算以及对无线测量装置中天线与金属间距离D2的计算；

S72：根据距离D1和距离D2对金属在第二介质中传播距离D3的计算。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明在保证高精度测距基础上，不仅可用于车辆与周围复杂环境中金属物间精确测距，提高驾驶安全性。同时，使土壤浅层金属埋深无线测量成为可能，代替传统人工挖掘工作方式，降低电力工人的工作量，解决漏挖、错挖和盲目开挖等问题，降低人力成本，提高工作效率。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。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 (10)

1.一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，其特征在于，包括有：

天线，用于接收第二介质中金属反射回的第一微波测距延迟信号和分界层反射回的第二微波测距延迟信号；

信号源发射装置，与所述天线连接，通过天线发射在微波载波上调制的测距信号cos(wt)；

相位比较器，与所述天线连接，用于根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类；

解调模块，通过解调得到第一测距延迟信号和第二测距延迟信号

鉴相器，分别与解调模块和信号源发射装置连接，用于对进行混频及低通滤波处理后的测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号进行鉴相；根据鉴相后得到的相位差进行距离的计算。

2.如权利要求1所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，其特征在于，所述相位比较器根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类具体包括有：

将延迟相位小于或等于预设阈值λ的微波测距延迟信号传输至第一低噪声放大器；

将延迟相位大于阈值λ的微波测距延迟信号传输至第二低噪声放大器。

3.如权利要求1所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，其特征在于，所述鉴相器包括有第一鉴相器和第二鉴相器；

所述第一鉴相器分别与第一低通滤波器和第二低通滤波器连接；

所述第二鉴相器分别与第二低通滤波器和第三低通滤波器连接。

4.如权利要求3所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，其特征在于，还包括有显示器；

所述显示器分别与第一鉴相器和第二鉴相器连接。

5.如权利要求1所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，其特征在于，所述信号源发射装置包括有参考信号源、信号源、调制模块、载波信号源和功率放大器；

所述参考信号源与所述信号源连接，所述信号源与所述调制模块连接；所述调制模块还与所述载波信号源和功率放大器连接；所述功率放大器还与天线连接。

6.如权利要求1所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距装置，其特征在于，还包括有：

低噪声放大器，与所述相位比较器连接，用于对分类后的信号进行放大并传输至带通滤波器进行带通滤波；

带通滤波器还与解调模块连接，用于将带通滤波后的信号传输至解调模块。

7.一种面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

S1：发射测距信号cos(wt)；

S2：接收第二介质中金属反射回的第一微波测距延迟信号和分界层反射回的第二微波测距延迟信号；

S3：根据预设阈值λ对第一微波测距延迟信号以及第二微波测距延迟信号进行分类；

S4：将分类后的信号进行解调得到第一测距延迟信号和第二测距延迟信号

S5：将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波处理；

S6：将处理后的信号进行鉴相，得到相位差和

S7：根据相位差和进行距离的计算；

其中，w是测距信号的频率，w₀是参考信号的频率，且w₀<w；和为相位差，t为时间。

8.如权利要求7所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法，其特征在于，所述步骤S3还包括有：

S31：将延迟相位小于或等于预设阈值λ的微波测距延迟信号传输至第一低噪声放大器；

S32：将延迟相位大于阈值λ的微波测距延迟信号传输至第二低噪声放大器；

以及，对分类后的信号进行放大后再进行带通滤波。

9.如权利要求7所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法，其特征在于，所述步骤S6包括有：

S61：将测距信号cos(wt)、第一测距延迟信号和第二测距延迟信号分别与参考信号源产生的参考信号cos(w₀t)进行混频和低通滤波得到cos((w-w₀)t)、

S62：在鉴相器中分别对cos((w-w₀)t)和cos((w-w₀)t)和进行鉴相，从而得到相位差和

10.如权利要求7所述的面向多层介质的多频微波相位式无线测距方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括有：

S71：根据相位差和对无线测量装置中天线与分界层间距离D1进行计算以及对无线测量装置中天线与金属间距离D2进行计算；

S72：根据距离D1和距离D2对金属在第二介质中传播距离D3进行计算。